Контактные напряжения на задних поверхностях резцов из СТМ при тонком точении жаропрочных сплавов на станках с ЧПУ

УДК 621.9.014.3

М.Х. УТЕШЕВ, В.А. БЕЛОЗЁРОВ

КОНТАКТНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ НА ЗАДНИХ ПОВЕРХНОСТЯХ РЕЗЦОВ ИЗ СТМ ПРИ ТОНКОМ ТОЧЕНИИ ЖАРОПРОЧНЫХ СПЛАВОВ НА СТАНКАХ С ЧПУ

Приведены результаты экспериментальных и аналитических исследований распределения контактных напряжений на задних поверхностях резцов из СТМ при тонком точении жаропрочных сплавов на оптимальных экономических режимах резания на станках с ЧПУ.

Учитывая, что тонкое точение резцами из СТМ проводится с малыми толщинами срезаемого слоя, процесс резания в большей степени определяется контактными температурами и напряжениями на задней поверхности. Одной из основных особенностей тонкого точения жаропрочных сплавов и закаленных легированных сталей резцами из СТМ является то, что по мере увеличения фаски износа резца по задней поверхности контактная температура и контактные напряжения на задней поверхности резца из СТМ выше, чем температура и контактные напряжения на передней поверхности. Важной задачей тонкого точения жаропрочных сплавов резцами из СТМ является уменьшение контактных напряжений и контактных температур на задней поверхности. Это достигается благодаря применению инструмента из СТМ с меньшими коэффициентами теплопроводности (гекса-нит-Р, композит 05ИТ) и обработки жаропрочных сплавов этими инструментами на оптимальных режимах резания.

Из трех рассмотренных резцов из СТМ - эльбор-Р, композит 05ИТ, гексанит-Р -¿меньшей величине коэффициента теплопроводности инструментального материала у гексанита-? соответствует большая температура и контактные напряжения на передней поверхности при постоянном коэффициенте укорочения стружки Ке. Соответственно у резца из гексанита-Р уменьшается температура и контактные напряжения на задней поверхности [1].

Согласно общепринятой гипотезе контакт между задней поверхностью инструмента и поверхностью резания возникает в результате волны упругого восстановления, которая следует за волной пластической деформации, опережающей резец. Этот контакт имеет упругопластический характер. В общем случае площадка контакта по задней поверхности состоит из трёх участков: части переходной поверхности скругления от передней к задней поверхности, плоской поверхности фаски износа и участка собственно задней поверхности. При минимальном скруглении режущей кромки наибольшим является средний участок - плоскость фаски. Он определяет и общепринятые направления составляющих - силы нормального давления N, и силы трения ¥{ на задней поверхности.

Экспериментальное и теоретическое изучение контактных нагрузок на задней поверхности включает две самостоятельные задачи: 1) исследование зависимости суммарных контактных нагрузок, то есть сил Nt и ¥х от условий резания; 2) исследование распределения нормальных и касательных напряжений на поверхности контакта.

А.М.Розенбергом и Н.НЗоревым установлено, что силы на задней поверхности от толщины среза не зависят. Это положение легло в основу наиболее распространенного метода разделения сил на передней и задней поверхностях - метода, который заключается в экстраполяции линий зависимости составляющих силы резания от толщины среза на нулевую толщину среза, причём экстраполяция производится для условий постоянной средней температуры контакта [4], либо для условий постоянного коэффициента укорочения стружки (усадки стружки) [2].

МЖ УТЕШЕВ, В.Л. БЕЛОЗЁРОВ

H 50

30

Ю Н

50

30

10 н

800 700 Н 600 500

0,75 0,70

0

Измерение вертикальной Pz и радиальной Ру составляющих силы резания производилось нами динамометром УДМ-100 при тонком точении жаропрочных сплавов резцами из. СТМ. С помощью метода экстраполяции на нулевую толщину среза при постоянном коэффициенте укорочения стружки Ке из измеряемых сил были выделены компоненты Nj и Fj силы на задней поверхности. Для отыскания сил N, и ¥х экспериментально найдены зависимости Ру =fj(a) и Pz =f2(a). При экстраполяции зависимостей Ру = fj (а) на нулевую толщину среза точка пересечения с осью координат у даёт величины сил Nt; точка пересечения зависимостей Pz = f2(a) с осью координат z даёт величины сил ¥г.

В процессе исследования особенностей нагружения режущей части инструмента из СТМ необходимо изучить влияние величины фаски износа резца h3 на контактные характеристики инструмента по задней поверхности: силы N1?Fj, напряжения qN1? qF1? коэффициент трения щ.

При увеличении фаски износа резца по задней поверхности силы N и F на передней поверхности при прочих равных условиях в первом приближении остаются постоянными, а силы Nj и Fj на задней поверхности возрастают. При точении сплава ХН62МВКЮ-ВД, HRC 37 - 39 на режиме резания t = 0,05мм , S = 0,02мм/об,¥=0,33 м/с острым резцом из эльбора-Р (h3 = 0,03мм ).силы на задней поверхности

составляют Nj = 4,2Н; ' ¥г = ЗН. При достижении фаски износа величины h3 = 0,1мм силы на задней поверхности увеличиваются N, =17,7Н; F, = 13,3H-(рис.1).

Рис. 1. Зависимости сил ад средних контактных Установлено, что в зависимости от ве~

напряжений qNbqF! коэффициента трения на зад- личины h3 напряжения qN}H q¥{ могут

ней поверхности резца из эльбора-Р от величины фас- увеличиваться или уменьшаться. При веки износа резца h3 при точении сплава ХН62МВКЮ- , Л1 ВД, HRC 38;. t=0,05MM; S=0,02mm/o6 ; v =0,33 м/с личине износа h3 = 0,1мм напряжения qN„

qFj возрастают по сравнению с острым резцом, а на последующих стадиях износа (Ь3 >0Дмм) уменьшаются. Коэффициент трения ¡лг изменяется в зависимости от величины h3 аналогично qN{, q¥l (рис.1).

Распределение контактных напряжений по задней поверхности инструмента имеет самостоятельное значение, так как оно связано с формированием остаточных напряжений в поверхностных слоях обрабатываемой детали и изнашиванием инструмента.

N, \

\ \

/

Ö

F, . Л

\

0

/ 6 qxr,

\ -—- —-- >- ——<

Р / /

/ QF,, -AJ

/

/ 11, \

Р

/

0,04

0,12

0,2

0,28

93

Особое, значение приобретает исследование закономерности распределения контактных напряжений аЫ1, т^ на задней поверхности резцов:, из СТМ, так как тонкое точение

этими резцами является окончательной операцией механической обработки, на которой происходит формирование поверхностного слоя обрабатываемой детали и, в дальнейшем, зависят эксплуатационные свойства этой детали.

Анализ показывает, что, в отличие от треугольной эпюры, распределения контактных напряжений по задней поверхности инструмента хорошо описываются экспоненциальными зависимостями [3] . ' .

агН1 =ам>

\ -тмг

(ч

Распределения контактных напряжений в МПа по длине контакта на задней поверхности резца из гексанита-Р при точении сплава ХН62МВКЮ-ВД, НЕС 37 - 39 на оптимальном экономическом режиме резания (1 = 0,05мм, 8 = 0,04мм / об5: ¥эк=1,46м/с) на станке с ЧПУ, выражаемые экспоненциальными зависимостями (рис.2), имеют вид . ' . '

МПА 520

480

420

360

300

240

180

120

60

\ ъ \

Ч'

-2,6621

= 560-е

хс = 302-е

0 2 4 6 8 С15 мкм

Рис.2. Распределения контактных напряжений по длине контакта на задней поверхности резца из гек-сангита-Р при точении сплава ХН62МВКЮ-ВД, Ш.С37-39 на оптимальном экономическом режиме резанвд _; на -. станке с ЧПУ. 1=0,05мм; 8=0э04мм/об;¥эк= 1,46м/с; с 1=Ь3=0,01 мм-длина контакта резца с обрабатываемой деталью по задней поверхности

На рис.2 представлены экспоненциальные зависимости распределения нормальных и касательных контактных напряжений по длине контакта на задней [поверхности резца из гексанита-Р при тонком' точении. жаропрочного  сплава  ХН62МВКЮ-ВДдаС37-39 на оптимальном , экономическом режиме резания на станке с ЧПУ. За критерий оптимальности принята наибольшая экономическая эффективность обработки поверхности детали (прибыль), как наиболее рациональный по нашему мнению критерий оптимальности.

Интенсификация режимов резания приводит к резкому возрастанию контактных напряжений н! задних поверхностях резцов из СТМ. При точении сплава ХН62МВКЮ-ВД, ИКС 37 - 39 «острым» резцом из гексанита-Р (Ь3 = 0,03мм) при

М.Х. УТЁШЕВ, В.А. БЕЛОЗЁРОВ

X = 0,05мм, 8 = ОД5мм/об, У=1м/с максимальные контактные напряжения на задней поверхности составляют стм = 4220МПа, тм =1840МПа, что значительно выше максимальных контактных напряжений на передней поверхности ам = 1710Ма , тм = 840МПа, поэтому для обеспечения достаточно высокой прочности и стойкости резцов из СТМ при точении жаропрочных сплавов необходимо ограничивать величины подачи до 0,15 мм/об и глубины резания до 0,5 мм.

При тонком точении жаропрочных сплавов резцами из СТМ при одинаковых геометрических параметрах резцов по полученным нами экспериментальным данным наибольшие контактные напряжения аМ| ,тМ( на задней поверхности «острого» резца из гексанита-

Р меньше, чем аМ),тМ1 у резцов из композита 05ИТ и эльбора-Р.

Выводы

Нами рассмотрены особенности распределения контактных напряжений по задним поверхностям резцов из СТМ по экспоненциальному закону при точении жаропрочных сплавов на разных стадиях износа резца.

* 1. При величине фаски износа с1 =Ь3 = 0,01мм в начальный период износа (период приработки).

2. При величине фаски Ь3 = 0,03мм - обработка «острым» резцом.

3. При величине фаски износа Ь3 = ОДмм контактные напряжения на задней поверхности резца из СТМ возрастают по сравнению с контактными напряжениями на задней поверхности «острого» резца в 1,1 - 1,35 раза и достигают наибольших значений.

4. При изменении фаски износа от 0,1 до 0,4 мм контактные напряжения на задней поверхности резца из СТМ плавно уменьшаются и стабилизируются.

. Эта стабилизация контактных напряжений позволяет получить величину шероховатости обработанной поверхности Ка = 0,2 - 0,4мкм при тонком точении жаропрочных сплавов резцами из СТМ на оптимальных экономических режимах резания на станках с ЧПУ, что сравнимо с абразивным многопроходным шлифованием, и является предпосылкой для управления процессом нагружения режущей части инструмента из СТМ со стороны задней поверхности (при поддержании постоянными оптимальными коэффициента укорочения стружки Кеопт и коэффициента запаса прочности режущей кромки у вершины инструмента ИЗ СТМ - Поггг )•

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Белозёров В.А. Повышение эффективности тонкого точения жаропрочных сплавов на станках с ЧПУ на основе исследования динамической прочности инструментов из СТМ: Автореф. дис... канд. техн. наук. Тюмень. ТюмГНГУ, 2000. - 20с.

2. Зорев Н.Н. Вопросы механики процесса резания металлов. -М: Машгиз, 1956. - 369с.

3. Некрасов Ю. И. Исследование технологической эффективности обработки труднообрабатываемых материалов на токарных станках с ЧПУ при управлении процессами нагружекия режущей части инструмента: Автореф. дис... канд. техн. наук. Киев: ИСМ АН УССР, 1981. - 24с.

4. Розенберг А. М.,Ерёмин А.Н. Элементы теории процесса резания металлов. -М.: Маш-гиз, 1956.-318с.

Тюменский государственный нефтегазовый университет