Анализ факторов, вызывающих хрупкое разрушение сменных многогранных пластин при точении поверхностей сложного профиля

Оригинальная статья / Original article УДК 621.9

DOI: http://dx.doi.org/10.21285/1814-3520-2018-12-68-74

АНАЛИЗ ФАКТОРОВ, ВЫЗЫВАЮЩИХ ХРУПКОЕ РАЗРУШЕНИЕ СМЕННЫХ МНОГОГРАННЫХ ПЛАСТИН ПРИ ТОЧЕНИИ ПОВЕРХНОСТЕЙ СЛОЖНОГО ПРОФИЛЯ

© Е.А. Кудряшов1, И.М. Смирнов2

Юго-Западный государственный университет,

305040, Российская Федерация, г. Курск, ул. 50 лет Октября, 94.

РЕЗЮМЕ: Выполнено аналитическое исследование работоспособности сменной многогранной пластины проходного резца на операции точения детали класса тела вращения. Цель работы заключается в изучении факторов, способствующих разрушению режущего элемента сменной многогранной пластины, вызванных ударными нагрузками при точении поверхностей сложного профиля. Сформулированы модели функциональной связи между сменной многогранной пластиной и обрабатываемой поверхностью заготовки, рекомендованы меры по устранению причин возникновения нарушений целостности режущего элемента сменной многогранной пластины. Исследовано влияние механизма удара на работоспособность сменной многогранной пластины. Предложены рекомендации, способствующие сохранению высокопроизводительной работы инструмента при обработке точением конструктивно сложных поверхностей с элементами разрыва. При точении поверхностей сложного профиля необходимо определить количество циклов вероятной работоспособности режущего элемента и сравнить его с ресурсным значением стойкости инструментального материала. Наличие причинных связей вероятностных нарушений целостности конструкции сменной многогранной пластины позволяет принять рекомендованные меры для их устранения.

Ключевые слова: тело вращения, поверхность сложного профиля, режущий элемент, сменная многогранная пластина, прерывистое точение, работоспособность

Информация о статье: Дата поступления 29 октября 2018 г.; дата принятия к печати 30 ноября 2018 г.; дата онлайн-размещения 28 декабря 2018 г.

Для цитирования: Кудряшов Е.А., Смирнов И.М. Анализ факторов, вызывающих хрупкое разрушение сменных многогранных пластин при точении поверхностей сложного профиля. Вестник Иркутского государственного технического университета. 2018;22(12):68-74. DOI: 10.21285/1814-3520-2018-12-68-74

ANALYSIS OF FACTORS CAUSING BRITTLE FRACTURE OF INDEXABLE INSERTS WHILE TURNING COMPLEX PROFILE SURFACES

Evgeny A. Kudryashov, Igor M. Smirnov

Southwest State University,

94, 50 Let Oktyabrya St., Kursk 305040, Russian Federation

SUMMARY: The article deals with an analytical study of the performance of a straight turning tool indexable insert when turning rotational parts. The purpose of the article is to study the factors contributing to the breakage of the indexable insert cutting element caused by impact loads when turning complex profile surfaces. The authors formulated the models of the

0

1Кудряшов Евгений Алексеевич, доктор технических наук, профессор кафедры машиностроительных технологий и оборудования, e-mail: kea-swsu@mail.ru

Evgeny A. Kudryashov, Dr. Sci. (Eng.), Professor of the Department of Machine-Building Technologies and Equipment, email: kea-swsu@mail.ru

2Смирнов Игорь Михайлович, доктор технических наук, доцент, профессор кафедры машиностроительных технологий и оборудования, e-mail: pochta@aoniii.ru

Igor M. Smirnov, Dr. Sci. (Eng.), Associate Professor, Professor of the Department of Machine-Building Technologies and Equipment, e-mail: pochta@aoniii.ru

functional relationship between the indexable insert and the machined surface of the workpiece and developed the recommendations for eliminating the causes of indexable insert disintegration. The study is also given to the influence of the mechanism of impact on indexable insert performance. Recommendations are proposed directed at preserving highly efficient operation of a cutting tool when turning complex surfaces with interrupted elements. When turning complex profile surfaces, it is necessary to determine the number of cycles of the probable performance of the cutting element and compare it with the resource value of the cutting tool material durability. The availability of causal relationships of probabilistic failures of the structural integrity of the indexable insert design allows to accept the recommended measures in order to eliminate the faults.

Keywords: rotational part, complex profile surface, cutting element, indexable insert, intermittent turning, performance

Information about the article: Received October 29, 2018; accepted for publication November 30, 2018; available online December 28, 2018.

For citation: Kudryashov E.A., Smirnov I.M. Analysis of factors causing brittle fracture of indexable inserts while turning complex profile surfaces. Vestnik Irkutskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta = Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2018; 22(12):pp. 68-74. (In Russ.) DOI: 10.21285/1814-3520-2018-12-68-74

Введение

Опыт эксплуатации режущего инструмента на операции точения поверхностей сложного профиля свидетельствует о хрупком разрушении режущих кромок сменной многогранной пластины (СМП) в виде сколов и выкрашиваний [1, 2]. Как правило, низкую работоспособность лезвийных инструментальных материалов объясняют цикличностью как механических, так и тепловых нагрузок вследствие прерывистости процесса точения поверхностей с элементами разрыва (пазы, шпонки, второстепенные отверстия и т.п.), а характер разрушения режущего элемента - низким сопротивлением инструментального материала, растягивающим напряжением, возникающим в процессе резания [3].

Следовательно, знание факторов, влияющих на возникновение и количественный уровень растягивающих напряжений, позволит предложить действенные меры, направленные как на конструктивное совершенствование режущего элемента, так и на принятие технологических решений, способствующих высокой эффективности рассматриваемых процессов.

На обрабатываемой поверхности, в зависимости от служебного назначения детали, может располагаться п элементов ее разрыва, конструктивная форма которых, а также их количество, расположение и сочетания определяются особенностями работы детали в узле и механизме в целом. В силу

многофакторности рассматриваемых особенностей процессов и конструкций, при фактической неопределенности форм, размеров и расположения элементов разрыва на обрабатываемой поверхности детали, нет возможности использования известных в металлообработке линейных и плоских рабочих схем. Поэтому цель работы, заключающаяся в изучении факторов, вызывающих хрупкое разрушение СМП при точении поверхностей сложного профиля, может быть достигнута с помощью моделей, устанавливающих функциональную связь между инструментом и обрабатываемой поверхностью заготовки.

Рассмотрим это предположение на базе точения конструктивно сложных поверхностей (поз. 1-5, рис. 1) детали Ротор, образованных сочетанием поверхностей вращения диаметром от 25 до 124 мм (см. поз. А и Б, рис. 1 а, 1 Ь) с элементами их разрыва, в том числе: отдельные и собранные в группы отверстия разных размеров (поз. 1, рис. 1 а, 1 Ь); спиральная поверхность (поз. 2, рис. 1 а, 1 Ь); пазы разной конфигурации, размеров и расположения (поз. 3, рис. 1 а, 1 Ь); шлицевая поверхность (поз. 4, рис. 1 а, 1 Ь); выборка (поз. 5, рис. 1 а, 1 Ь).

Опыт эксплуатации проходных токарных резцов, оснащенных СМП из современных инструментальных материалов, предлагает решения, способствующие сохранению работоспособности инструмента.

Ш

Рис. 1. Деталь Ротор, сталь 45 Fig. 1. Part Rotor, steel 1045

Исключение негативных проявлений механизма удара на работоспособность сменной многогранной пластины

Точение поверхностей сложного профиля сопровождается многочисленными соударениями режущей пластины с элементами разрыва обрабатываемой поверхности. В технической литературе по вопросу влияния механизма удара на работоспособность инструмента высказываются разные мнения [4-6]. В основном они связаны с тем, что имеющийся экспериментальный материал не позволяет получить на него исчерпывающий ответ, но дает возможность для анализа и оценки влияния исследуемых факторов на состояние работоспособности инструмента. Представим, что конструктору удалось создать такую форму детали, у которой на обрабатываемой поверхности находится ровно столько элементов разрыва, что их количество, расположение и площадь имеют симметричный характер. Следовательно, можно предположить, что при точении подобной поверхности с количеством элементов разрыва от 1 до п должно иметь место состояние уравновешенности аналогично точению гладкой поверхности, но в более сложном сочетании сила резания (от р до Рп) и упругости (от Тх

до Т). Фактически любое изменение количества, формы и расположения элементов разрыва, несмотря на постоянство их площади, не позволяет сохранить прежнюю

траекторию резца, что в последствие приводит к изменению по разным законам силы резания и силы упругости, которые уже не могут быть уравновешены новыми значениями этих сил.

Поэтому при точении прерывистой поверхности, вследствие дисбаланса сил и ударных нагрузок, в инструментальном материале передней поверхности режущего элемента формируются высокие локальные напряжения, приводящие к образованию скрытого микронарушения - трещины поверхностного слоя [7]. Развитие трещины приводит к образованию сетки трещин, скалыванию с режущих кромок частиц инструментального материала, формированию очага разрушения.

Для изучения действия механизма удара на процесс трещинообразования в инструментальном материале использованы методы механики разрушения и, в частности, понятие коэффициента интенсивности напряжений К, кГс/мм2 [8, 9].

Напряженное состояние передней поверхности режущего элемента формируется растягивающим напряжением & в

направлении О, перпендикулярном к возникшей на ней трещине, рис. 2.

b

a

Ш

Рис. 2. Фрагмент напряженного состояния передней поверхности режущего элемента Fig. 2. Fragment of the stressed state of the cutting element front surface

Данное состояние характеризуется коэффициентом интенсивности напряжений в инструментальном материале:

K = Wn • l = & J2n • r < Klc,

щины дискообразной формы с радиусом равным I, до 1,12 для поверхностной трещины глубиной к .

В результате интегрирования получено:

где а - растягивающее напряжение; 21 -длина трещины; x = l + r - расстояние от начала координат до текущей точки на оси Ox; r - расстояние от вершины трещины до

этой же текущей точки; Klc - предельно допустимая интенсивность напряжений в инструментальном материале в условиях плоского деформируемого состояния.

Используя зависимость (1), можно за период развития трещины на передней поверхности режущего элемента, от ее начальной длины l до конечной l , соответствующей границе разрушения, определить допускаемое количество циклов N точения поверхности сложного профиля (врезание, резание, выход, холостой пробег инструмента). При этом скорость развития усталостной трещины определяется:

dl /dN = c

ГДе K1P = Kpmax - K1 pmin - ра3маХ К°Леба-

ния коэффициента интенсивности напряжений; С = Сл2 • С2, где C - коэффициент, принимающий значения от 2/л для тре-

]f = Ci {A*y ]dN,

где Nр - количество циклов за период работы проходного резца от момента возникновения первой микроскопической трещины усталости до окончательного разрушения конструкции режущего элемента, что является живучестью режущего элемента СМП.

Зависимости (1-3), не учитывают работу инструмента до появления первой микротрещины и формирования локальной зоны, поэтому в классическую математическую зависимость С.Д. Ирвина и П.С. Пэриса [10] внесены дополнения, позволившие получить реальные значения работоспособности режущего элемента за период стойкости инструментального материала.

Np =

X L / 4 loo

+

1

Ci

11

h l

p у

где 1...п - количество элементов разрыва на обрабатываемой поверхности; £ - протяженность элементов разрыва; £ - общая протяженность обрабатываемой поверхности.

0

о

i=1

Выбор рациональной формы сменной многогранной пластины

При выборе формы СМП необходимо руководствоваться следующим методическим подходом: для условий точения, когда определяющими являются прочностные характеристики инструмента, предпочтение следует отдать пластинам с большим углом при вершине £, а при условиях точения, требующих высоких точностных характеристик инструмента, следует выбирать пластины с меньшим углом £ [1, 11].

Обобщение известных форм СМП позволило систематизировать по критериям прочности и точности позиционирования имеющееся конструктивное разнообразие, рис. 3.

При оценке прочности режущей части инструмента следует иметь ввиду, что в конструкции СМП имеется несколько участков с высокой вероятностью разрушения. К

области резкого изменения формы упругого тела, в котором возникают повышенные напряжения с ограниченной зоной распределения, относится передняя поверхность режущего элемента и его вершина. Поскольку напряжения в месте концентрации не выравниваются, вершина режущего элемента является наиболее опасной зоной [12]. В этой области формируется максимальный уровень растягивающих напряжений, способных нарушить целостность режущего элемента. Экспериментальное изучение причин возникновения и характера нарушения целостности режущей части инструмента, сравнение полученных результатов с данными литературных источников позволяют предложить действенные меры по устранению причинных связей в наиболее опасных сечениях режущего элемента СМП [13, 14], см. таблицу.

СМП Характер нарушения Причина возникновения Устранение нарушений

Вершина режущего элемента Локальное Приработка режущего элемента Придать вершине режущего элемента радиусную форму, г = 0,3.. .0,5 мм

Передняя поверхность режущего элемента Микротрещины, сетка трещин, микросколы на границах элементов разрыва обрабатываемой поверхности Усталостное разрушение инструментального материала режущего элемента Придать передней поверхности циклоидальный профиль; обеспечить врезание в точке на расстоянии от вершины режущего элемента (2...2,5^

Задняя поверхность режущего элемента Потеря размерной стойкости режущего элемента при достижении износа по задней поверхности Лз = 0,40 мм Превышение критерия работоспособности режущего элемента при Лз > 0,40 мм Восстановить переточкой работоспособность режущего элемента СМП

Повышение прочности е = 55° е = 60° е=80° £ = 90° £=108° 180°

_Повышение точности позиционирования_

Рис. 3. Классификация конструктивных форм СМП Fig. 3. Classification of indexable insert designs

Результаты экспериментального исследования причин возникновения и характера нарушений целостности режущего элемента СМП Results of the experimental study of the causes and nature _of indexable insert integrity damage_

На практике для снижения уровня угла действия силы резания, за счет перенапряжений применяют режущий элемент с распределения напряжений из опасной округленной до 0,5...0,7 мм режущей кром- зоны на более прочную часть передней покой. Вследствие быстрого роста величины верхности, повышается работоспособность составляющей силы Р и увеличения с - инструмента [12, 15, 16].

Выводы

Для сохранения работоспособности проходного резца в условиях прерывистого точения заданной партии деталей сложного профиля, образованного элементами разрыва обрабатываемой поверхности, следует:

1) расчетным путем определить необходимое количество циклов работы режу-

щего элемента СМП и сопоставить полученный результат с ресурсным значением стойкости инструментального материала;

2) устранить в наиболее опасных сечениях режущего элемента причинные связи вероятностных нарушений конструкции СМП, а в случае появления таковых принять рекомендованные меры.

Библиографический список

1. Артамонов Е.В., Помигалова Т.Е., Утешев М.Х. Расчет и проектирование сменных режущих пластин и сборных инструментов. Тюмень: Изд-во Тюменского государственного нефтегазового университета, 2011. 151 с.

2. Петрусенко Л.А., Антонюк В.С. Анализ разрушения твердосплавного инструмента при врезании // Высок технологи в машинобудуванш. 2017. № 1 (27). С. 116124.

3. Кудряшов Е.А., Смирнов И.М., Яцун Е.И. Выбор инструментального обеспечения процессов чистовой обработки конструктивно сложных поверхностей деталей // Наукоемкие технологии в машиностроении. 2014. № 12 (42). С. 10-14.

4. Петрусенко Л.А., Антонюк В.С. Расчет напряжений, возникающих в опасной зоне лезвийной части режущего инструмента // Вюник нацюнального техшчного ушверситету УкраТни. Серiя: машинобудуванш. 2016. № 77. С. 147-156.

5. Хандожко А.В., Тимощенко А.А., Петрусенко Л.А. Анализ факторов, вызывающих хрупкое разрушение твердосплавного режущего инструмента // Надшнють ¡нструменту та оптим1зац1я технолопчних систем. 2016. № 38. С. 175-183.

6. Кудряшов Е.А. Точение конструктивно сложных поверхностей деталей инструментом из композита // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). 2012. № 2 (55). С. 50-55.

7. Фридман Я.Б., Гордеева Т.А., Зайцев А.М. Строение и анализ изломов металлов. М.: Машгиз, 1960. 128 с.

8. Когаев В.П. Расчеты на прочность при напряжениях, переменных во времени. М.: Машиностроение, 1977. 232 с.

9. Александров Е.В., Соколинский В.Б. Прикладная теория и расчеты ударных систем. М.: Наука, 1969. 314 с.

10. Пэрис П.С., Ирвин С.Д. Анализ напряженного состояния около трещин. В кн.: Прикладные вопросы вязкости разрушения. М.: Мир, 1968. С. 64-142.

11. Брусов С.И, Добровольский Г.И, Дубров Д.Ю. Повышение эффективности обработки резанием. М.: Спектр, 2012. 302 с.

12. Кудряшов Е.А., Смирнов И. М. Применение метода управления режущей частью инструмента для повышения эффективности процесса прерывистого резания // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2013. № 4. С. 23-29.

13. Кудряшов Е.А., Никонов А.М. Обработка деталей из разнородных конструкционных материалов инструментом из композитов // СТИН. 2008. № 12. С. 26-28.

14. Кудряшов Е.А., Смирнов И.М. К выбору рационального способа восстановления работоспособности изношенных поверхностей деталей // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2014. № 1. С. 8-13.

15. Grzesik W., Zak K., Chudy R. Influence of tool nose radius on the cutting performance and surface finish during hard turning with CBN cutting tools // Journal of Machine Engineering. 2017. Vol. 17. Nо. 2. pp. 56-64.

16. Кудряшов Е.А., Смирнов И.М., Яцун Е.И. Применение группового метода ремонта деталей класса «тела вращения» инструментом из композита // Ремонт. Восстановление. Модернизация. 2017. № 4. С. 7-10.

References

1. Artamonov E.V., Pomigalova T.E., Uteshev M.H. Raschet i proektirovanie smennyh rezhushchih plastin i sbornyh instrumentov [Calculation and design of replaceable inserts and indexable cutting tools]. Tyumen: Tyumen State Oil and Gas university Publ., 2011, 151 p.

2. Petrusenko L.A., Antonyuk V.S. Analysis of carbide tool destruction when plung cutting]. Высок технологи в машинобудуванш [High technologies in mechanical engineering], 2017, no. 1

3. Kudryashov E.A., Smirnov I.M., Yatsun E.I. Selection of tooling backup of finishing processes of highly engineered surfaces of parts. Naukoemkie tekhnologii v mashinostroenii [Science Intensive Technologies in Mechanical Engineering], 2014, no. 12

4. Petrusenko L. A., Antonyuk V. S. Calculation of stress, which resulting in a hazard zone of blade part of the cutting tool. Вюник нацюнального техшчного ушверситету УкраТни. Серiя: машинобудуванш, 2016, no. 77, pp. 147-156.

5. Handozhko A.V., Timoshchenko A.A., Petrusenko L.A. Analysis of factors causing carbide cutting tool brittle breakage. Надшнють шструменту та оптимiзацiя технолопчних систем, 2016, no. 38, pp. 175-183.

6. Kudryashov E.A. Turning structurally complex surfaces of the parts of a composite tool. Obrabotka metal-lov

7. Fridman YA.B., Gordeeva T.A., Zajcev A.M. Stroenie i analiz izlomov metallov [Structure and analysis of metal fractures]. Mosaow: Mashgiz Publ., 1960, 128 p.

8. Kogaev V.P. Raschety na prochnost' pri napryazheni-yah, peremennyh vo vremeni [Strength calculations at time-varying stresses]. Mosraw: Mashinostroenie Publ., 1977, 232 p.

9. Aleksandrov E.V., Sokolinskij V.B. Prikladnaya teoriya

Критерии авторства

Кудряшов Е.А., Смирнов И.М. совместно подготовили рукопись и в равной мере несут ответственность за плагиат.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

i raschety udarnyh system [Applied theory and calculations of shock systems]. Moscow: Nauka Publ., 1969, 314 p.

10. Pehris P. S., Irvin S. D. Analiz napryazhennogo sos-toyaniya okolo treshchin [Stress state analysis near cracks]. In book: Prikladnye voprosy vyazkosti razrusheniya [Applied issues of fracture toughness]. Moscow: Mir Publ., 1968, pp. 64-142.

11. Kirichek A.V., Dobrovol'skij G.I, Dubrov D.Yu. Pov-yshenie ehffektivnosti obrabotki rezaniem [Improving cutting efficiency]. Moscow: Spektr Publ., 2012, 302 p.

12. Kudryashov E.A., Smirnov I.M. Application of a method of management by cutting part of the tool for increase of efficiency of process of faltering cutting. Izvestiya Yugo-Zapadnogo gosudarstvennogo universi-teta. Seriya: Tekhnika i tekhnologii [Proceedings of the South-West State University. Series Technics and Technologies], 2013, no. 4, pp. 23-29.

13. Kudryashov E.A., Nikonov A.M. Machining of parts from heterogeneous construction materials by composite cutting tools. STIN [STIN], 2008, no. 12, pp. 26-28.

14. Kudryashov E.A., Smirnov I.M. The repair organization and renewing workability of machine details. Izvestiya Yugo-Zapadnogo gosudarstvennogo universi-teta. Seriya: Tekhnika i tekhnologii [Proceedings of the South-West State University. Series Technics and Technologies], 2014, no. 1, pp. 8-13.

15. Grzesik W., Zak K., Chudy R. Influence of tool nose radius on the cutting performance and surface finish during hard turning with CBN cutting tools. Journal of Machine Engineering, 2017, vol. 17, no. 2, pp. 56-64.

16. Kudryashov E.A., Smirnov I. M., Yatsun E.I. Batch method application of "rotary body" class part repair with composite tool. Remont. Vosstanovlenie. Moderniza-ciya. [Repair. Reconditioning. Modernization], 2017, no. 4, pp. 7-10.

Authorship criteria

Kudryashov E.A., Smirnov I.M. together prepared the manuscript and bear equal responsibility for plagiarism.

Conflict of interests

The authors declare that there is no conflict of interests regarding the publication of this article.