Исследование процесса изнашивания токарного инструмента

Белорусско-Российский университет Материал поступил 10.05.2006

R. N. Shaduro, P. A. Shackii, V. E. Pankratov Prediction and precision control by the ultrasonic mandrelling of holes

Belarusian-Russian University

In this work by means of calculating analytical method a relationship for precision calculation by ultrasonic mandrelling has been obtained. The reliability of this relationship has been verified by experiments.

УДК 621.97

Г. Ф. Шатуров, д-р техн. наук, В. А. Лукашенко, канд. техн. наук, доц.,

Д. Г. Шатуров

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ИЗНАШИВАНИЯ ТОКАРНОГО ИНСТРУМЕНТА

Рассмотрены вопросы закономерности изнашивания токарных резцов и выведены зависимости для определения погрешности при точении валов.

При обработке валов на токарных станках величина диаметральных размеров по мере перемещения резца вдоль обрабатываемой заготовки во многом зависит от упругой податливости элементов технологической системы и износа инструмента. Износ инструмента оказывает значительное влияние на формирование погрешности, особенно при обработке длинномерных валов. Из поверхностей резца, образующих лезвие, преимущественно изнашивается его задняя поверхность, имеющая наибольшую скорость перемещения относительно поверхности резания (рис. 1). Кривые износа задней поверхности инструмента от времени обработки могут иметь выпуклую или вогнутую относительно оси абсцисс форму (рис. 2) [1].

В общем случае кривая износа может быть аппроксимирована степенной функцией следующего вида [2]:

Г ТЛП0

где h3, 5о - текущий и оптимальный изно-сы задней поверхности резца, мкм; То -

период стойкости инструмента, мин; т - время резания, мин; п0 - показатель степени при аналитическом определении величины линейного износа задней поверхности резца.

Максимальная величина износа задней поверхности резца Из = до .

Кривая износа задней поверхности резца состоит из двух отчётливо выраженных участков ОА и АВ (см. рис. 2). После точки А кривой износа происходит уменьшение (по < 1,0) либо увеличение (по > 1,0) интенсивности нарастания ширины площадки износа и наступает период нормального (замедленного) или ускоренного изнашивания инструмента в зависимости от величины показателя п0.

Величина размерного износа инструмента меньше износа задней поверхности (см. рис. 1) и равна

5р = hз • Кр:

где

Кр = tqa 3

sin ф1

sin

5р - величина размерного износа резца; главный и вспомогательный углы в

аз - задний угол заточки резца; ф, ф1 - плане резца соответственно.

О Тп Тп1 Т0

т----------

Рис. 2. Кривые износа твердосплавного резца: 1 - при п0 < 1,0; 2 - при п0 = 1,0; 3 - при п0 > 1,0

Диаметральная погрешность обработки вала от износа инструмента равна

ЛД = 2£г .

Определение величины показателя по, влияющего на интенсивность нарас-

тания износа, очень трудоёмко и требует больших материальных и энергетических затрат. Поэтому для его определения воспользуемся данными, приведенными в [3]. Оптимальная величина износа при чистовом точении

равна 5о = 400...500 мкм; относительный радиальный износ для резца марки Т15К6 составляет ио = 5.7 мкм/км и То - период стойкости инструмента, определяемый из следующей зависимости [3]:

где

5 п = 5о  К5

тг 1—по

К т= По °

V =

С..

т

где V - скорость резания, м/мин; X - глубина резания, мм; Б - подача, мм/об; К, - коэффициент, учитывающий особенность обработки, К, = 1,0; С., т, х, у -коэффициенты, которые приведены в [3].

Кривая износа от времени обработки имеет перегиб в точке А (см. рис. 2), координаты которой равны

Тп = То  К

К 5 = К т

Коэффициенты Кт и К5 от показателя п0 имеют противоположное изменение (рис. 3). При этом для режимов обработки, обеспечивающих по < 1,0, за время приработки износ задней поверхности может достигать 50 % от оптимальной величины 5о. Если по > 1,0, то за время приработки имеем значительное уменьшение износа задней поверхности по сравнению с тем, когда по < 1,0.

1

¥1

о

2.5 2,0

1.5

К51/Кт1

1,0

0,5 0

0 1 2 3 4

п0 -------------

Рис. 3. Изменение коэффициентов Кт (1), К5 (2) и отношения К51/Кт1 (3) от показателя степени по

1,0

0,8

0,6

Кт; К5 0,4

0,2

3

X 1/

Заменим участок АВ кривой износа (см. рис. 2) прямой с углом наклона у к оси абсцисс, что является верным [4].

+ 50

Х8У=—,

Тпр

где Тпр - приведенный максимальный период стойкости инструмента,

1000 • 5 •К ТР =----------о----р-,

пр

ио • V

где ио - относительный износ инструмента, мкм/км [3].

Из рис. 2 находим

Т =т +5о -5 п

іду

После подстановки (6), (7) в (12) и преобразований получим

1000•бо • Кр К’

где К 5] = 1 - К б; К т! = 1 - К т .

Отношение Кб/ зависит только

/Кт1

от величины по. Математическая обработка кривой Кбу = /

/ Кт1

позволила получить следующую зависимость, адекватно определяющую указанную функцию:

верхностях инструмента и заготовки в виде образующихся на них оксидных (СоО, WOз и Т;О2) и окисных (Б2О3, Б3О4) плёнок и адсорбированного слоя [4, 5]. Это предотвращает непосредственный контакт поверхностей, уменьшает коэффициент трения и интенсивность изнашивания. Система трения поверхностей стремится к стационарному состоянию с минимальным потреблением энергии для своего существования. В этом случае имеет преимущество окислительно-абразивное изнашивание.

Для участка ОА1 (см. рис. 2) кривой износа задней поверхности, когда по > 1,0 и т < тп, имеет место окисли-тельно-образивное изнашивание.

Тогда для этого участка кривой износа:

1БУ = -

5„

5„ К 5 5о

тп

То К т

^1 = (п о )0,6.

Тогда показатель степени по равен

По =

То • ио • К

1000•бо • Кр ,

Таким же образом получены зависимости для определения коэффициентов Кт и К5:

- при по < 1,0:

Кт = 0,3676-по0,6; К5 = 0,3676/по0,4;

- при по > 1,0:

Кт = 0,3676 • по' К5 = 0,3676/по

0,4.

0,6

Отметим, что износ задней поверхности, когда т > тп (участок АВ, по < 1,0) характеризуется нормальным износом инструмента, прямо пропорциональным пути резания [4], что свидетельствует о самоорганизации новых структур на разделяющих друг от друга изнашиваемых по-

С учётом (10) и (11) для по > 1,0 имеем

Т • V • и

1000•бо • Кр

Как следует из зависимостей, представленных на рис. 4, с увеличением режимов обработки величина показателя степени п0 уменьшается, что свидетельствует об уменьшении времени тп приработки и увеличении величины 5п износа задней поверхности резца за это время.

Знание величины п0 позволяет в любой момент времени, используя зависимости (1) и (2), определить размерный износ резца и погрешность обработки и осуществить поднастройку технологической системы на необходимый диаметральный размер обработанной поверхности, и тем самым уменьшить поле рассеяния его размеров и исключить возникновение брака. При обработке на станке с ЧПУ в программе продольного перемещения инструмента необходимо предусмотреть

по

величину его радиального перемещения с учётом размерного износа резца.

Погрешность обработки, связанная с износом резца и заключающаяся в увеличении диаметра обрабатываемой поверхности заготовки вала, обычно определяют из следующей зависимости [4]:

АД і = 2

1000

где I - путь резания, I = V  і .

Формула (20) адекватна процессу изнашивания резца только при по = 1,0 и получается из (2), если в (1) по = 1,0.

и

о

П0

0,1

0,2

1

V

1

0,3 0,5

Б ------------

J________________I______

0,4

0,6

і

1

і

0,7 мм/об 0,9

1

і

0,8 мм 1,0

Рис. 4. Изменение показателя По в зависимости от скорости резания V (1), подачи 8 (2) и глубины резания 1 (3): V = 220 м/мин; 8 = 0,5 мм/об; 1 = 0,5 мм; материал заготовки - сталь 45, резца - Т15К6

На рис. 5 представлены зависимости погрешностей АД, определяемая из (4), и ДДь определяемая из (20), от времени резания и относительная ошибка п в процентах при использовании этих зависимостей.

П=АД-АД1 _ Ю0% .

АД

Как видно, относительная ошибка по определению погрешности диамет-

ральных размеров вала по известной методике [4], по сравнению с предложенной, значительна и составляет от 22 до 50 % и более.

В заключении отметим, что предложенная и известная [6] методики по определению износа токарного режущего инструмента и погрешности обработки, связанной с его износом, могут быть использованы и для других инструментов в различных процессах механической обработки.

100

%

75

50

25

П

0 20 40 мин 60

Т -----------

Рис. 5. Зависимость изменения погрешности ДД (1), ДД1 (2) в результате размерного износа резца и изменение относительной погрешности п (3) обработки вала от времени т работы:

1 - при По = 0,654; 2 - при По = 1,0; 1 = 1,0 мм; 8 = 0,5 мм/об; V = 197 м/мин; Т = 60 мин; По = 5 мкм/км; материал заготовки -сталь 45; резца - Т15К6

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Бобров, В. Ф. Основы теории резания металлов / В. Ф. Бобров. - М. : Машиностроение, 1975. - 344 с.

2. Шатуров, Г. Ф. Прогрессивные процессы механической обработки поверхностей / Г. Ф. Шатуров, Ж. А. Мрочек. - Минск : Технопринт, 2001. - 460 с.

3. Справочник технолога-машиностроителя : в 2 т. / Под ред. А. Г. Косиловой, Р. К. Мещерякова. - М. : Машиностроение, 1985.

4. Маталин, А. А. Технология машиностроения / А. А. Маталин. - Л. : Машиностроение, 1985. - 496 с.

5. Крагельский, И. В. Основы расчётов на трение и износ / И. В. Крагельский, М. Н. Добычин, В.С. Комбалов. - М. : Машиностроение, 1979. - 526 с.

6. Шатуров, Г. Ф. Исследование закономерностей изнашивания токарных резцов / Г. Ф. Шатуров, Д. Г. Шатуров // Право. Политика. Экономика : науч. тр. Могилев. филиала БИП. - Могилев, 2006. - Вып. 1. - 127 с.

Белорусский институт правоведения Белорусско-Российский университет Материал поступил 12.04.2006

G. F. Shaturov, V. A. Lukashenko,

D. G. Shaturov

Analysis of the wear and tear

process of turning instrument

Belarusian Institute of Law Belarusian-Russian University

After having examined problems of the naturally determined wear and tear of turning cutters were deduced dependences to determine errors when turning shafts.