Утолщение стружки при точении высокопрочных сталей

УДК 621.99

УТОЛЩЕНИЕ СТРУЖКИ ПРИ ТОЧЕНИИ ВЫСОКОПРОЧНЫХ

СТАЛЕЙ

А.С. Ямников, А.О. Чуприков, А.И. Харьков

Рассмотрены вопросы определения деформации срезаемого слоя металла при токарной обработке высокопрочных заготовок. Отмечается, что параметры деформации срезаемого слоя металла имеют большое значение для расчета составляющих силы резания. Приведены формулы нескольких авторов для расчета составляющих силы резания и показано, что все они имеют составляющую, характеризующую деформации срезаемого слоя металла, которую требуется определять экспериментально. Приведены результаты определения утолщения стружки при точении закаленных высокопрочных сталей с положительными, нулевыми и отрицательными передними углами.

Ключевые слова: усадка стружки, высокопрочная сталь, передний угол резца, сила резания.

В настоящее время с развитием технологий в обработки металлов резанием и появлением новых режущих инструментов из высокостойких сплавов, до сих пор остаются сложности в обработке закалённых заготовках из-за невысокой стойкости резцов. Низкая стойкость обычно ведет к нестабильному получению качества обрабатываемых деталей, в том числе неисправимый брак, что негативно сказывается на экономических показателях предприятия.

Так при получении упорной резьбы в закаленном корпусе ракеты, режущий инструмент, в нашем случае резец, имеет низкую стойкость, примерно на 2—3 детали. На стойкость инструмента влияет множество параметров, такие как скорость резания, обрабатываемый материал, материал резца, глубина резания, подача, геометрия резца, охлаждение резца, жесткость станка, приспособления, вспомогательная оснастка, заготовки [1].

При обработке деталей необходимо соблюдать конструкторские и технологические требования, предъявляемые к детали, а для изготовления серийных партий необходимо стабильное выполнение размерной части, что выполнимо только резцами с высокой стойкостью. Величина и направление силы резания, действующей при резании металлов, является важными характеристиками этого процесса. От величины и направления силы резания зависят условия работы станка, инструмента, приспособления, точность обработки детали и т. д.

Определение силы резания путем расчета явилось одной из первых задач конца XIX и всего XX вв., которую пыталась решить наука о резании металлов [2-11]. Обобщенные итоги исследований были подведены в книге [12], посвященной 50-летию советской власти в СССР.

Выдающиеся отечественные ученые излагали там разработанные ими формулы для аналитического определения составляющих силы резания. Например, А.М. Розенберг для расчета главной проекции силы резания Rz по твердости стружки предлагает формулу [12]

n X 2 - 2Х sin y+1 eL5 ^ cosy

Rz =— st-^-,

z т i__srnJ_

X cos

где Oq и n - параметры политропы сжатия, определяемые механическими испытаниями обрабатываемого материала. Величина 1 - ^ ^^ y) находится по номограмме.

Для определения проекций силы резания Rz и Rxy по результатам испытания обрабатываемого материала на растяжение Н.Н. Зорев [12] предложил формулы:

Rz = 0,185HVfot, Rxy = ARsttgw,

причем

Ar = A

X - sin g ъ ' + tgc

cos g

где Ar — удельная работа стружкообразования; А — сопротивление обрабатываемого материала сдвигу при относительном сдвиге, равном 2,5.

Для упрощения можно пользоваться следующим приближенным выражением:

0,6ов

A =

1 - 1,7y'

где ав — предел прочности при растяжении; y — относительное сужение при разрыве %.

В обе формулы входит величина X, являющаяся производной либо от угла наклона условной плоскости сдвига, либо от коэффициента усадки стружки, определяемых эмпирически.

Нами также была сделана попытка аналитического определения с учетом достижения современной науки [13-15], особенно, термомеханическая теория процесса непрерывного резания пластичных материалов Куш-нера В.С. [16]. Зависимости, составляющих силы резания, действующих на прямолинейном участке резца в процессе обработки [17]:

Px = (F cos g- N sin g + N^sin y, Py = (F cos g- N sin g + N1)cos y + N2,

Pz = F sin g + N cos g + F1, 195

где y — угол между диагональю сечения срезаемого слоя и направлением подачи, Fj, Nj - сила трения и сила нормального давления на задней поверхности инструмента, N2 — сила на участке зачищающей кромки инструмента.

Сила трения F на передней поверхности находится из следующей зависимости:

F = qF  b  c;

где c - длина контакта стружки с резцом, с @ a = s sin j; qF - касательное напряжение на передней поверхности резца.

Для того чтобы определить величину силы N, спроецируем силы на передней поверхности на плоскость сдвига:

Pt = N  cos(p - g) + F  sin(p - g) - N1  sin p + F1  cos p,

откуда

N

Pt - F sin(p - g) + Nj sin p - F1 cos p

^

Касательную силу в плоскости сдвига Рт определим следующим образом:

аЬ

Pt=t-

sin p '

где t - касательное напряжение в плоскости сдвига, t = 0,8Sb;

ab 0 cos g ^ , ,

- площадь плоскости сдвига; p = arctg--—; K¿ - коэффициент

sin p Kl - sin g

усадки стружки. Тогда

Pt = 0,8 ;

sin p

st t t

0,8оэ--0,6оэ st sin(p - g) + Оь^з-sin p - msbh-cosp

N = sin p sin j sin j

cos

где N2 — сила на участке зачищающей кромки инструмента, N2 = KsOb^3S; Ks — коэффициент, Ks »2 [18] (см. рис. 3.3). Соответственно:

st t t

0,8Sb —- - 0,6Sbst sin(p - g) + Obh3-sin p - |iObh3-cos p

D _ ( sin p sin j sin j

Px = (---

cos

sin g+0,6Sbts cos g+Obh ——) sin y;

sin j

st t t 0,8S¿ —- - 0,6S¿st sin(b-g) + -sin р-ца^Н-cos р

r, , sin р sin j sin j

Pv = (--^-^-^-sin g+

7 cos

+ 0,6S¿ts cos g+s^H —t—)cos y + 2a¿^3s;

sin j

Pz = 0,6 Stfs sin g+ ца^Н —— +

sin j

st t t

0,8S¿ —- - 0,6S¿st sin(p - g) + g¿H-sin р - ца^Н-cos р

sin b sin j sin j

+-------cos g.

cos

Уравнения представляет собой математические зависимости составляющих силы резания, которые учитывают действительный предел прочности материала во время резания. Это позволяет повысить объективность и точность при расчете составляющих сил резания при автоматизированном расчете [13]. Внешне последние уравнения выглядят вполне ана-

о cos g

литично, но для определения р = arctg--— опять требуется знание

Kl - sin g

Kl - коэффициента усадки стружки. Для практических расчетов при обработке резанием большинства конструкционных сталей значения K L известны.

Необходимо выделить основные параметры режущего инструмента — это геометрия резца и его материал. Остальными параметрами, влияющими на процесс резания можно варьировать во время обработки без подробных исследований [18]. Вопросами определения усадки стружки при точении высокопрочных сталей рассматривались в литературе, где проводились исследования результатов обработки, закалённой стали. Исходными данными при проведении таких экспериментов послужила сталь с твердостью по Бринеллю HB, равная 217 МПа, предел кратковременной прочности ав = 1080 МПа.

Для установления влияния переднего угла резца на коэффициент усадки стружки при обработке прутка из стали 30ХГСА диметром 35мм резцом с напайной пластиной (ВК8) был проведен эксперимент.

Для проведения исследований по влиянию переднего угла g на усадку стружки были выбраны постоянными следующие исходные данные: скорость резания, подача на оборот, глубина резания. Под эксперименты отобрали три резца с разными передними углами: отрицательный

передний угол равным - 5 , нулевым передним углом и положительным

передним углом равным + 5°. Были приняты параметры режима обработки: скорость резания V=250 м/мин; подача S=0,32 мм/об; глубина резания t=0,5мм; СОЖ не использовалась.

Как известно коэффициент усадки стружки — это отношение длин стружки: длины пути, пройденного резцом, к длине срезаемого слоя стружки. Процесс измерения длины стружки трудоёмок, так как в некоторых случаях она бывает ломкая, что делает невозможным ее дальнейшее измерение. По итогам эксперимента стружку отсортировали по 3 группам на каждый из эксперимента (рис. 1). При этом визуально видно, что различие между группами обуславливается целостностью отрезка стружки.

* &

«Л

ь I

а б в

Рис. 1. Исследование влияния переднего угла на усадку стружки: а - 1 группа

С целью нахождения всей длины куска стружки, в том числе и тех отрезков, которые затруднительно измерить, вычисляли соотношение веса и длины у всех трех групп для определения теоретической длины стружки. Для измерения длины использовался электронный штангенциркуль с точностью до 0,01 мм и весы с точностью до 0,01 г. Известно, что коэффициент утолщения стружки является аналогом коэффициента усадки стружки, поэтому при проведении анализа стружек коэффициент утолщения для каждого резца был определен зависимостью [19]:

кл,мг>ти/у @ кл

аизм _ аизм

^утолщ — ^ ус

арез

Было измерено несколько толщин стружек и определено значение коэффициента утолщения кутолщ. Он отражает порядок коэффициента

усадки. При измерении было отмечено, что охват стружки был неполным, а только до середины.

При полном охвате стружки губками измерительного прибора увеличивалась влияние формы стружки, так как в сечении она имеет выгнутую форму и не является плоской. Такие измерения проводилось 3 раза, чтобы снизить погрешность измерений.

При измерении было отмечено, что охват стружки был неполным, а только до середины. При полном охвате стружки губками измерительного прибора увеличивалась влияние формы стружки, так как в сечении она имеет выгнутую форму и не является плоской (рис. 2).

198

+5°*75 0°*75 -5°* 75

Рис. 2. Форма поперечного сечения стружки

Для получения шлифов элементы стружки заливались двухкомпо-нентным эпоксидным клеем и после затвердевания их шлифовали и травили. Затем измерения проводилось 3 раза, чтобы снизить их погрешность. Результаты измерений для наглядности сведены в таблицу.

Результаты расчетов коэффициента утолщения кутолщ

Параметры Результаты расчетов с передним углом 0° Результаты расчетов с передним углом -5° Результаты расчетов с передним углом +5°

№ выборки 1 2 3 1 2 3 1 2 3

Среднее значение каждой выборки 1,12 1,146 1,146 1,166 1,16 1,16 1,073 1,046 1,073

Среднее значение группы 1,137 1,162 1,064

По полученным данным можно сделать вывод о том, что коэффициент утолщения кутолщ и коэффициент усадки кус для резца с отрицательным углом выше, чем с нулевым, когда как с положительным получился ниже, чем с нулевым. На основе этих данных становится возможным дальнейшее исследование по определению сил резания.

Список литературы

1. Грановский Г., Грановский В. Резание металлов. М.: Высш. шк. 1985. 304 с.

2. Тиме И.А. Сопротивление металлов и дерева резанию. СПБ, 1870. 160 с.

3. Брикс А. А. Резание металлов. СПБ, 1896. 163 с.

4. Тэйлор Ф. Искусство резать металлы / Пер. с англ.; под ред. Панкина А.В., Левенстерна Л.А. 2-е изд. Берлин: Бюро иностранной науки и техники. 1922. 356 с.

5. Розенберг А.М., Хворостухин Л.А. Твердость и напряжение пластичности в деформированном теле // Журнал технической физики. 1955. Т. XXV. Вып. 2. С. 313-332.

6. Зорев Н.Н. Вопросы механики процессов резания металлов. М.: Машгиз, 1956. 368 с.

7. Зорев Н.Н. Расчет проекций силы резания. М.: Машгиз, 1958.

55 с.

8. Зорев Н.Н. О взаимозависимости процессов в зоне стружкообра-зования и в зоне контакта передней поверхности инструмента // Вестник машиностроения. 1963. № 12. С. 42-50.

9. Васильев Д.Т. Силы на режущих поверхностях инструмента // Станки и инструмент. 1954. № 4. С. 1-5.

10. Грановский Г.И. Износостойкость твердых сплавов и закаленных инструментальных сталей // Трение и износ при резании металлов. М.: Машгиз. 1955.

11. Бобров В.Ф. Определение напряжений в режущей части металлорежущих инструментов // Высокопроизводительное резание в машиностроении. М.: Наука. 1966. С. 223-228.

12. Развитие науки о резании металлов /В.Ф. Бобров [и др.]; под ред. Н.Н. Зорева. М.: Машиностроение, 1967. 415 с.

13. Нгуен Ван Кыонг, Ямников А.С. Методология оптимизации режимов резания // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. 2012. № 1 (291). С. 56-63.

14. Ямников А.С., Ямникова О.А. Экспериментальное определение силы резания при фрезоточении резьбы // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Вып. 1. Тула: Изд-во ТулГУ, 2015. С. 82-93.

15. Харьков А.И., Чуприков А.О., Ямников А.С. Аналитическое определение составляющих силы резания при точении / Вестник ТулГУ. Автоматизация: проблемы, идеи, решения: сб. научных трудов МНТК «АПИР-19», 13-14 сентября 2014 года Тула: Изд-во ТулГУ, 2014. С. 107112.

16. Кушнер В.С. Термомеханическая теория процесса непрерывного резания пластичных материалов: монография / Иркутск. Изд-во Иркут. унта. 1982. 180 с.

17. Бобров В.В. Основы теории резания. М.: Машиностроение, 1976. 344 с.

18. Розенберг А.М., Еремин А.Н. Элементы теории процесса резания металлов М.-Свердловск, 1956. 318 с.

200

19. Зорев Н.Н. Вопросы механики процесса резания металлов. М. Машгиз, 1956. 367 с.

Ямников Александр Сергеевич, д-р техн. наук, проф., yamnikovas@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Чуприков Артем Олегович, канд. техн. наук, начальник отдела, artemlinearambler.ru, Россия, Тула, ОАО «Тульский оружейный завод»

Харьков Александр Игоревич, асп., AlexandrHaramail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

THICKENING OF THE CHIPS WHEN TURNING HIGH-STRENGTH STEELS A.S. Yamnikov, A.O. Chuprikov, A.I. Kharkov

The questions determine the deformation of the shear layer of metal during turning of high-strength workpieces. It is noted that the deformation parameters of cutting layer of metal is of great importance for the calculation of the cutting force component. The formulas of several authors for the calculation of the cutting force component, and it is shown that they all have a component that characterizes the deformation of the shear layer of metal that is required to determine experimentally. Results of evaluation of thickening of the chip in turning of hardened high-strength steels with positive, zero and negative front angles.

Key words: shrinkage chips, high-strength steel, front angle cutter, cutting force.

Yamnikov Alexander Sergeevich, doctor of technical science, professor, of the Department, yamnikovasamail.ru, Russia, Tula, Tula State University,

Chuprikov Artem Олегович, candidate of technical science, head of the department, artemlinearambler. ru, Russia, Tula, Tula Arms Factory,

Kharkov Alexander Igorevich, postgraduate, AlexandrHaramail.ru, Russia, Tula, Tula State University