CC BY
14
УДК 621.9.02
Л.Ш. ШУСТЕР, в.в. постов, ММ. МИГРАНОВ
ВЛИЯНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ РЕЖИМА РЕЗАНИЯ НА ФОРМОИЗМЕНЕНИЕ КОНТАКТНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ИНСТРУМЕНТА
Представлены результаты теоретико-экспериментальных исследований процесса формоизменения контактных поверхностей инструмента' при его изнашивании, Получены выражения для расчета энергии формоизменения, усталостной прочности, относительном размере частиц износа. Установлена экстремальность их зависимостей при температурах минимума интенсивности износа инструмента.
В рамках термодинамических представлений о прочности и разрушении твердых тел при изнашивании материалов [1] за критерий прочности принимается уровень накапливаемой в деформируемых объемах материала внутренней энергии, превышение критического Икр, значения которого приводит к образованию частицы износа.
Условие прочности, с учетом необходимости затрат определенного времени т на зарождение и накопление в деформируемых объемах изнашиваемого материала дефектов и повреждений (субмикроскопических нарушений сплошности) и их развитием в микро- и макротрещины критического размера, записывается при этом в виде
И(г, и) = И(г, т0) + АИ(г, х) < И^, (1)
где г - параметр, характеризующий координаты локальных объемов материала.
Показано [2], что для модели сложно-напряженного состояния граничного слоя тела конечной толщины удельная энергия его формоизменения под действием напряжения а_п, обеспечивающего локальные сдвиги в объеме будущей частицы износа в результате
приложения внешней удельной касательной тп и нормальной рг нагрузок и при учете дополнительных сдвигов под действием гидростатического давления аш может быть записана в виде
-3(1 + 11)
Е
При этом для нестационарного теплового режима изнашивания инструментального материала, его усталостного характера, того факта, что критическое напряжение разрушения твердых сплавов определяется в основном энергией пластической деформации кобальтовой прослойки, существования условия перехода микротрещины от ее зарождения к росту при определенном критическом отношении пкр предельных касательных и. нормальных напряжений на границе образующегося фрагмента износа, была получена расчетная зависимость для критической энергии формоизменения
иФ = -
(2)
Иф кр -
3(1 + ц)
-\2
1 + Ц 1-г
1-1°«/
+ ат-0Д5л/0,25р?+^
(3)
где стт =
у
р2 + 0Д5д/0,25рг2 + хI - номинальное значение внутреннего напряжения;
ЛЖ ШУСТЕР; в.в. постов, М.Ш. МИГРАНОВ
Е, ц - модуль упругости и коэффициент Пуассона инструментального материала, соответственно;
ав - предел прочности инструментального материала;
г - коэффициент асимметрии цикла изменения силы резания при высокочастотных вибрациях;
тп,рг- удельные касательные и нормальные напряжения, действующие на локальном пятне контакта инструментального и обрабатываемого материалов.
В выражение (3) входит относительный размер
частицы износа, связанный с ад-
гезионной составляющей коэффициента трения и критерием и
Зф
образования и
роста усталостной микротрещины при определенном отношении касательных ткр и нормальных окр напряжений на границе будущего фрагмента износа.
Характерные зависимости указан-
т„»Ю', Н/м2
700
600
* 500
400 '
• МО6, Н/м2 1000
' 900
0,63- - 800
0,62- ■ 700
0,61- - 600
0,60- - 500
0,59 ■ 1 400
МО6,
Нш 2000
770
870
970
еле
Рис.]. Влияние температуры контакта на параметры, определяющие критическую энергию формообразования инструментального материала (ХН73МБТЮ-ВК6М)
ных выше параметров от температуры резания приведены на рис. 1. Экстремальность зависимости £>(©), связанная [2] с резким разупрочнением зоны контакта при температурах, больших некоторой характерной ©х температуры контакта, определяет немонотонное 11.
поведение );ьф и
В рамках термодинамического описания процесса формоизменения изнашиваемой поверхности инструмента [2], приравнивая работу изменения площади при износе к работе формоизменения деформируемых объемов инструментального материала, получено выражение (4) для внутренней энергии
(IV,
А.
¿х ■ ф
(4)
где У<1 есть не суммарный объем частиц износа, а деформированный объем, связанный с изношенным Уь объемом соотношением.
где N - число циклов деформации до разрушения.
Для определения числа N с учетом установленных выше закономерностей образования и характерных размеров единичной частицы износа рассмотрим схему износа инструмента по задней поверхности, представленную на рис. 2.
Допустим, что срез дефектного слоя толщиной Ьо (см. рис,2, а) происходит после того, как по истечении некоторого числа циклов нагружения единичного пятна контакта (микронеровности) на изнашиваемой поверх- 1ъ< ности инструмента на глубине Ьо возникает система подповерхностных усталостных трещин длиной с!о и напряжение в контактном слое инструмента превысит предел его прочности.
Выделим на фаске износа задней поверхности полоски шириной до, Рис.2. Схема износа инструмента по задней поверхности: а равной размеру единичного фрагмен- - вид в главной секущей плоскости; б - вид в плоскости та износа в направлении, перпендику- резания лярном скорости резания (рис. 2, б).
Объем изношенной части инструмента можно выразить в виде [2]
м
ч =ь1-110-]ЕХ'
(б)
1-х
где Ь>1 - активная длина режущих кромок инструмента;
М - число циклов срезания слоев толщиной Ьо в процессе укорочения резца на величину радиального (размерного) износа Ьг.
Ввиду наличия углов а и у величина Ь3. для каждого момента процесса износа изменяется
Ьа§ +Ьо(с18РС-«8у). (7)
Подставив это значение в выражение (6), получим
М(М-1)'
Ч=ьгь0
(8)
Решив это уравнение относительно М, с учетом того, что Уь. = ~ ш^2(сЩа - ~ ® М »1 число циклов нагружения при срезании слоев толщиной Ьо и шириной Ь\
Ь3(У2-1) 0,41411.
М = -
(9)
К \Ctga - Ь0 (с!§а - '
Основная информация об усталостной прочности материала дается кривой выносливости - зависимостью среднего числа циклов ш до разрушения от значения эффективных
предельных переменных напряжений цикла а_ц [1]
т =
У;
-V
(10)
где а0 и 1г - постоянные, определяемые свойствами изнашиваемого материала с учетом особенностей сложно-напряженного состояния деформируемого объема.
ЛШ ШУСТЕР, 'ЕЖ постов, МЖ МИГРАНОВ
ш =
Если принять, что поверхностный слой толщиной ко в среднем разрушается за циклов, а количество таких слоев в пределах ширины зоны контакта
к
(рис. 2, б) равно у^ , то общее число циклов, затраченное на разрушение объема Уь
М = М-т— <10
или, с учетом (9), (10), (11), деформированный объем в уравнении (5) равен
со
У У 0,414b,-h,
h0-d0(ctga-tgy)
\'r
(12)
Следовательно, выражение для критической внутренней энергии инструментального
материала можно записать в виде
=
F
1
brh3
d_ dx
0,414b:-h;
2(ctga - tgy)2 • hp • d0
Vamy
■Ил
(13)
Принимая в качестве переменной размер фаски износа Ьз, после дифференцирования, получаем
h0-d0 {ош) dx
•И
ф-
(14)
Н/м2 260 240 220 200 180
т*\
с10э
(Me)"l-io4f
-2
ММ
6 --
4 -2
25 20 15 10 5
Экспериментальные исследования распределения напряжений а1?а2,а3 в контактной
зоне режущего инструмента показа-Gm*io7, ли, что даже при больших значениях
Н/м2
переднего угла (у = 15° -f-20°) в пределах фаски износа по задней поверхности существует только напряженное состояние сжатия, причем изменение ширины зоны контакта bi не приводит к заметному изменению напряжений в режущей части инструмента [1]. Следовательно, в качестве а0 в выражении
(14) можно выбрать предел прочности инструментального материала при сжатии, а показатель фрикционной усталости tr на основе критерия, предложенного A.A. Лебедевым [2]. Из условия, что в зоне устано-
„ _ . вившегося износа hr = hra рассчитано
Рис. 3. Влияние температуры на параметры фрикционном ус- г
талости твердого сплава ВК8 при контактировании с жаро- число Чиклов N разрушения еди-прочным сплавом ХН73МБТЮ (v = 0,25 -г 1,25 м/с, t = 0,5 мм, ничного объема контактного слоя s — 0,11 мм/об, а = 10°, hH=0,i5 мм) инструмента для различных темпе-
ратур
N
\ К
N
1 > м Г"
Фо
1 ° т V
\
i-4 3——| 1 1 .............
120 100 80 60 L40 N-106
2,5 2,0 -1,5 -1,0
770
870
970
юти ед
ИЗНОСОСТОЙКИЕ ПОКРЫТИЯ ДЛЯ МЕТАЛЛОРЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА
N = 0,6213^-^
ho А
Hst
(15)
При: этом принята величина показателя степени: tr = 5 [2], температурная зависимость предела прочности <тсж по данным ПС Жреймера [2]. -
Анализ полученных данных (рис. 3,) показывает, что интенсивное снижение действующих нагрузок 0Ш в зоне температур выше 820 К при практически линейном снижении прочности сплава ВК8 приводит ж росту числа циклов т, потребных в среднем для разрушения слоя толщиной ho при температурах 970-И 070 1С Замедление снижения ат при 0 > 1020 К вследствие усиления явлений высокотемпературного схватывания [1] контактирующих материалов приводит к снижению интенсивности нарастания m в зоне высоких температур контакта. В то же время увеличивается площадь поперечного сечения hodo единичного фрагмента износа вследствие роста критического размера разрушающих микротрещин в зоне высоких температур, как показано выше (рис. 2).
Совместное влияние указанных выше факторов приводит к экстремальности зависимости N(0) при температурах 990-М 030 К, что соответствует температуре максимума коэффициента адгезии fa? диапазону гомологических температур (0,6-^0,65)0 П1 обрабатываемого материала, при которых наблюдается минимальная интенсивность износа инструмента и максимальная скорость диссипации механической энергии в тепловую.
список литературы:
1. Шустер Л . Ш ., П о с т н о в В , В ., Мигранов М.Ш.. Разработка математических моде» лей контактных процессов для управления мехатронными станочными системами, / Новые технологии управления движением технических объектов. 2-я Междунар. науч.-техн. конф. г. Новочеркасск, ] 999. - С. 146. ' . '
2. П о с т н о в В . В ., Ш'арипов Б. У., Шустер Л . Ш . Процессы на контактных поверхностях, износ- режущего инструмента и свойства обрабатываемой поверхности. Учебн. пособие. - Свердловск: Изд. УПИ, 1988. - 224 с.
Уфимский государственный авиационный технический университет
УДК 621.165.004
Л Ж ШУСТЕР, МЖ МИГРАНОВ, вл постов ИЗНОСОСТОЙКИЕ ПОКРЫТИЯ ДЛЯ МЕТАЛЛОРЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА
Представлены результаты" эксперимеяталты х исследований триботехнических хара.ктеристик продесса резания: при точении' и фрезеровании с использованием, режущего инструмента с многослойными ' износостойкими покрытия м и.
Возрастающую роль применения покрытий для повышения износостойкости режущего инструмента как для обработки металлов резанием в условиях современного машиностроительного производства, так и при эксплуатации деталей с покрытиями в машинных узлах и агрегатах трудно переоценить. Использование современного высокопроизводительного и дорогостоящего металлорежущего оборудования, оснащенного системами числового программного (ЧПУ) и адаптивного управления (АдСУ), особенно в условиях
