Изучение стружкообразования при обработке изделий горных машин из труднообрабатываемых материалов

© A.A. Ласуков, 2012

А.А. Ласуков

ИЗУЧЕНИЕ СТРУЖКООБРАЗОВАНИЯ

ПРИ ОБРАБОТКЕ ИЗДЕЛИЙ ГОРНЫХ МАШИН

ИЗ ТРУДНООБРАБАТЫВАЕМЫХ МАТЕРИАЛОВ

Рассматриваются вопросы изменения геометрических характеристик стружки и контактных характеристик в местах силового контакта стружки и инструмента при обработке труднообрабатываемых материалов. Показаны положительные стороны получения элементной стружки. Рассмотрено влияние режимов резания и свойств обрабатываемых материалов на вид образующейся стружки.

Ключевые слова: стружка, контактные характеристики, обработка резанием.

В настоящее время в горном машиностроении растет доля использования материалов с особыми физико-механическими свойствами. Обработка таких материалов связана преимущественно с получением элементной стружки, процесс образования которой изучен намного слабее, нежели процесс образования сливной стружки. При исследовании процесса резания общей проблемой является вскрытие взаимосвязи явлений, происходящих при стружкообразовании. Изучив данные взаимосвязи, можно решать вопросы затрат энергии при обработке материалов, вопросы увеличения работоспособности инструмента и эффективности его использования и решать другие задачи.

В работе представлены результаты исследования геометрических характеристик стружкообразования (толщина стружки по выступам а^ толщина стружки по впадинам а2, шаг элемента т, сплошность стружки а2/а1 и геометрических контактных характеристик (длина пластического контакта С1, длина полного контакта С) при образовании элементных стружек.

Исследования проводились на жаропрочном сплаве ЭИ698 в условиях несвободного резания резцом с плоской передней поверхностью из твердого сплава ВК8 (у=10°, а=10°, ф=75°) с постоянной глубиной резания 1=3 мм при изменении скорости резания в пределах 2-50 м/мин и подачи в

пределах 0.1-0.36 мм/об без охлаждения на токарно-винторезном станке модели 163. Данный температурно-скоростной диапазон соответствует III типу контактного взаимодействия [1]. Для этого диапазона характерны высокие температуры резания, отсутствие нароста и малые размеры пластической области в зоне резания. Во всем диапазоне исследуемых режимов резания образовывалась высокотемпературная элементная стружка. Учитывая малые размеры зоны контакта стружки с инструментом, для измерения пластического контакта была использована методика [2]. Величина С измерялась по отпечатку на передней поверхности, а параметры стружки — путем наблюдения под микроскопом боковой стороны стружки.

На рис.1 представлены результаты исследования геометрических характеристик стружки в зависимости от скорости резания и подачи.

Как видно из графиков, с увеличением подачи и скорости резания намечается переход от сливной стружки к стружке скалывания (сплошность стружки в обоих случаях уменьшается). Однако, подача (толщина среза) оказывает большее влияние на сплошность стружки, чем изменение скорости резания — уменьшение сплошности происходит более интенсивно.

Скорость резания на шаг элементов (рис.1, в) оказывает незначительное влияние. Этот показатель в значительной мере зависит от подачи, с которой происходит обработка, и от свойств обрабатываемого материала. С увеличением подачи шаг элементов растет, но еще больше он растет с увеличением механических свойств обрабатываемого материала (в рамках данной работы результаты не представлены) — элементность проявляется во все большей мере.

Величина шага элементов — m и отношение — а2/а1 определяются пластическими свойствами обрабатываемого материала, геометрией инструмента, режимами резания и контактными явлениями на передней поверхности.

Для сравнения с результатами других исследователей на рис.2 представлены данные по титановым сплавам [3].

0,5

к. 1—г^

0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2

10

20

30

40 V, м/мин

т,мм 0,6

0,5

0,4

0,3

0,2

0,1

0

а2/а1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4

1 ^Х-*--- .

к^Г I _

--- --«

1— > ф <

10

20

30

а2, мм 0,9

0,7

0,5

0,3

0,1

40 V, м/мин

10

20 Г

30

40

V, м/мин

Рис. 1 Экспериментальные зависимости исследуемых параметров при обработке жаропрочного сплава от скорости резания: ♦ — 8=0,1 мм/об;  — 8=0,26 мм/об;  — 8=0,36 мм/об

40 V, м/мин

С увеличением пластичности обрабатываемого материала отношение а2/а1 стремится к единице, а шаг элементов уменьшается и стружка по своему характеру приближается к сливной. При значениях а2/а1=1 и т^-0 будем иметь сливную стружку. Как видно из приведенных графиков на рис.2, сплавы, имеющие более низкие показатели пластичности при прочих равных условиях, имеют меньшие отношения а2/а1.

Изменение механических свойств сплавов заметно сказывается на процессе стружкообразования. Можно выделить непосредственное и косвенное влияние механических свойств.

1,5

0

0

0

а

0

0

в

0

Рис. 2. Сопоставление экспериментальных данных (Б=0,26мм/об; t=3мм): ВТ1,  — ЭИ698, • — ВТ3-1

Непосредственное влияние свойств обрабатываемого сплава сказывается через изменение сопротивления пластической деформации. Известно, что увеличение прочности материала приводит к снижению его пластичности. Понижение пластичности резко сокращает размеры пластически деформируемой области как вдоль передней поверхности инструмента, так и за условной плоскостью сдвига.

Повышение прочностных свойств сплавов уменьшает длину пластического контакта стружки с передней гранью инструмента и тем самым увеличивает контактные напряжения. Рост контактных напряжений приводит к дополнительной деформации прирезцового слоя стружки. Таким образом, повышение механических свойств сплавов приводит к увеличению угла наклона условной плоскости сдвига Р1, увеличению шага стружки и уменьшению её сплошности, а эти вместе взятые показатели говорят о снижении степени деформации в объеме элемента стружки.

Как показано на рис.2, во всем диапазоне исследуемых режимов резания данные по характеристикам стружкообразо-вания для сплава ЭИ698 на графиках находятся между кривыми, полученными для титановых сплавов. Иная картина наблюдается при сравнении длин пластического и полного контакта стружки с передней поверхностью инструмента. Для титановых сплавов эти величины в 2-5 раз меньше, чем для сплава ЭИ698. Это связано с особенностями титановых сплавов [4]: высокая химическая активность с кислородом и азотом воздуха при высоких температурах с образованием оксидных и нитридных пленок, что приводит к уменьшению длины контак-

та. Поэтому на рис.2 приведены графики изменения относительной длины контакта С1/С.

Все предыдущие рассуждения справедливы для постоянной скорости резания. Изменение скорости резания сильно сказывается на процессе стружкообразования. Механизм влияния скорости резания довольно сложен. При исследовании процесса резания жаропрочных и титановых сплавов выяснить экспериментально непосредственное влияние скорости резания очень трудно. Эти трудности обуславливаются воздействием на процесс резания таких параметров, как температура, контактные явления на гранях инструмента и износ, проявление которых в значительной степени связано с ростом скорости резания.

В общем случае, увеличение скорости резания при обработке жаропрочных и титановых сплавов способствует образованию элементных стружек, что в значительной мере отличает процесс резания этих сплавов от процесса резания конструкционных сталей и многих цветных металлов и сплавов.

Помимо непосредственного влияния скорости резания процесс стружкообразования сильно зависит от ряда вторичных явлений, важными из которых являются температура, физико-химические превращения и контактные явления.

Основным фактором, определяющим протекание явлений в процессе резания, является температура на передней грани резца и в зоне образования стружки. Высокая температура, возникающая в процессе резания, оказывает существенное влияние на процесс стружкообразование и контактные явления на передней грани инструмента [5]. Температура является одним из факторов, определяющих износ и стойкость инструмента. Температура на передней грани определяет величину коэффициента трения между резцом и стружкой. В свою очередь коэффициент трения определяет направление равнодействующей силы на передней грани инструмента. Направление равнодействующей силы определяет расположение плоскости скалывания, как плоскости максимальных касательных напряжений.

Вот этим обстоятельством и объясняется местоположение кривых на графиках рис.2. В частности, обрабатываемые материалы имеют различные коэффициенты теплопроводности А,=0.045 кал/(см-сек-°С) для ВТ1, А,=0.0.03 кал/(см-сек-°С) для

ЭИ698, А,=0.019 кал/(см-сек-°С) для ВТ3-1. Ведь данная характеристика оказывает сильное влияние на процесс стружко-образования через температуру в зоне резания, изменяя все названные характеристики. Например, с уменьшением теплопроводности обрабатываемого материала, т.е. с ухудшением отвода тепла из зоны резания, образование элементной стружки становится все более выраженным.

Отсюда следует, что разогрев всей толщины стружки не успевает происходить. Возможно температура из-за низкой теплопроводности, теплоемкости этих сплавов и высокой скорости резания, как и деформация, локализуется в очень узкой зоне сдвига и в микрообъемах поверхностных неровностей контактного слоя, что облегчает сдвиговые деформации только в указанных зонах. В подтверждение этой гипотезы можно привести ряд примеров. Так практика обработки труднообрабатываемых материалов с предварительным подогревом заготовок показывает уменьшение сопротивления обрабатываемого материала пластическим деформациям в сравнении с резанием без подогрева на тех же режимах.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Полетика М.Ф. Основные типы контактных условий на передней поверхности инструмента и их связь с процессом стружкообразования // Пути интенсификации производственных процессов механической обработки. — Томск, 1979. — с.3-8.

2. А.с. №1514484 СССР, МКИ В23В1/00. Способ определения длины участка пластического контакта стружки с передней поверхностью инструмента при резании\ С.В. Михайлов, В.Н. Чижов. — №4229077\31-08: За-явл. 13.04.87: Опубл. 15.10.89., Бюл. №38.

3. Афонасов А.И. Контактные условия и износ режущего инструмента при точении титановых сплавов. — Дисс. канд. техн. наук// Томский политехнический институт, 1970. 300с.

4. Кривоухов Б.А., Чубаров А.Д. Обработка резанием титановых сплавов. М.: Машиностроение, 1970. — 180с.

5. Ласуков А. А. Температура при резании жаропрочного сплава // Труды XIV научной конференции, посвященной 300-летию инженерного образования России. — Филиал ТПУ, Юрга: Изд. ТПУ, 2001. — с.77-78. — 207с. ВЗШ

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Ласуков Александр Александрович — кандидат технических наук, доцент, е-таП: lasukow@rambler.ru, Юргинский технологический институт (филиал) Национального исследовательского Томского политехнического университета.