книги из ГПНТБ / Бетанели, А. И. Прочность и надежность режущего инструмента
.pdfА.И, БЕТАНЕЛИ
А. И. Б Е Т А Н Е Л И
ПРОЧНОСТЬ и НАДЕЖНОСТЬ
РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА
ИЗДАТЕЛЬСТВО «САБЧОТА САКАРТВЕЛО: ТБИЛИСИ 1973
УДК 6П 4. 621.937
Б54
>v < * n f
Хрупкая прочность режущей части инструмента рассмат ривается в книге с точки зрения надежности.
Приведены результаты экспериментального исследования механизма хрупкого разрушения режущей части инструмента. На основании этого, исходя нз общих данных сопротивления
материалов и теории упругости, |
сформулированы предпосыл |
ки к расчету прочности режущей |
части инструмента. Предло |
жен метод расчета хрупкой прочности режущей части инстру мента. Даны основы инженерного расчета.
Рассматриваются пути увеличения надежности режущей части инструмента повышением прочности. Дана оценка до стоинств и областей эффективного применения различных ин струментальных материалов по прочностным характеристи кам.
Кинга предназначена для научных и инженерно-техниче ских работников машиностроения, а также студентов старших курсов и аспирантов.
Professor, Dr. technSei. A. I. В e t а п e I i The chair of Machine building technology of the Georgian Lenin Polytechnic Institute
(Lenin street 77, Tbilissi 75, USSR) Strength and Dependability
of the cutting tool-tip
In this monography the brittle strength of the cutting tooltip is considered from the point of dependability.
The monograph presents the results of investigation concer ning the mechanism of brittle failure of the tool-tip and the basis for the brittle strength calculations is also presented.
Each chapter of the book has a short summary in English.
(g) «Сабчота Сакартнело» 1973
ОТ А В Т О Р А
Вданном труде изложены результаты исследований автора в области прочности режущей части инструмента и оценки надеж
ности инструмента с этой точки зрения, проведенных на кафед ре технологии машиностроения Грузинского политехнического института имени В. И . Ленина.
Полагая, что основными читателями будут специалисты по те ории обработки резанием, было сочтено целесообразным сравни тельно подробно осветить некоторые смежные вопросы физики твердого тела, теории надежности, сопротивления материалов, те ории упругости и пластичности, имеющие непосредственное отно шение к проблеме.
Все обозначения, термины и определения заимствованы из кни ги «Развитие науки о резании металлов» (изд. «Машиностроение», М ., 1967), одним из авторов которой является автор данного тру да.
Измерения даны в международной системе единиц СИ (ГОСТ 9867-61) и некоторых единицах, допускаемых к применению на ряду с единицами СИ (см. Методическое письмо № 1 в журнале «Измерительная техника», 1964, № 10).
ВВ Е Д Е Н И Е
Всовременной технологии машиностроения удаление слоя ма териала резанием является основным рабочим процессом размер ной обработки деталей машин, приборов и аппаратов. Это обус ловлено тем, что среди множества ныне существующих рабочих процессов размерной обработки до настоящего времени в боль шинстве практических случаев наиболее экономичным является удаление слоя резанием. Что же касается сравнительно новых процессов размерной обработки (электроискрового, электроимпуль-
сного, ультразвукового, лазерного, электронно-лучевого, плаз менно-дугового, электрохимического, электрогидравлического и др.), то развитие их явилось результатом тех особых условий, когда резание или невозможно применить или оно имеет чрезвы чайно низкие показатели (обработка весьма твердых материалов, фасонных поверхностей двойной кривизны, микроотверстий и др.). Объем работ, выполняемых новыми методами обработки в маши ностроении, не превышает 0,15—0,2%. Поэтому даже при быст рых темпах развития новых методов обработки их применение мало отразится на удельном значении обработки резанием [59].
Производительность обработки резанием труднообрабатывае мых материалов (титановых, жаропрочных, тугоплавких сплавов и др.) ограничивается недостаточной прочностью и износостойкос тью режущей части инструмента. Вместе с тем, развитие химии, энергетики, электроники, атомной и космической техники в бли жайшем будущем приведет к появлению новых аналогичных конс трукционных материалов. Это, естественно, вызывает необходи мость повышения прочности и износостойкости режущей части инструмента, что имеет особенно важное значение в условиях аваоматизированного производства.
Прочность и износостойкость режущей части инструмента в первую очередь характеризуют безотказность работы инстру-
4
мента. Безотказность, долговечность и ремонтопригодность опре деляют надежность. В современных условиях важнейшими экс плуатационными показателями качества инструмента являются показатели его надежности. В данном труде рассмотрены вопросы прочности режущей части инструмента и оценки надежности с этой точки зрения.
При недостаточной прочности режущей части инструмента, ее разрушение происходит путем хрупкого разрушения в виде вык рашивания и скалывания или в результате пластической дефор мации и последующего среза [81]. Это соответствует тому, что вооб ще, в зависимости от условий нагружения, один и тот же матери ал может разрушаться как хрупко, так и пластично [34, 48, 117, 146]. Следовательно, необходимо различать хрупкую и пластичес кую прочность режущей части инструмента.
На практике при резании многих материалов во избежание разрушения режущей части инструмента снижают режимы реза ния. Поэтому повышение хрупкой и пластической прочности ре жущей части инструмента является весьма важной для практики проблемой. В связи с этим, изучение механизма разрушения, ус тановление его закономерностей, создание инженерных методов расчета прочности режущей части инструмента являются акту альными вопросами.
В области прочности тела и режущей части инструмента про веден ряд исследований в СССР (Г. И. Грановский [42],А.А. А.ваков [4], Н . Н . Титов [126], Г. Г. Иноземцев [60], И. П. Третьяков [122], А. И. Каширин [63], Н . Н . Зорев и Н . П. Вирко [56], М. С. Букштейн [35], Т. Н . Лоладзе [81], Л . Г. Куклин, В. И. Сага лов, В. В. Серебровский, С. П. Шабашов [74], А . Н . Резников, М. Д . Смирнов, Г. Г. Яшин [112], Б. П . Прибылов [108], Н . В. Алексеев [6], В. Ф. Бобров [31, 32], Ю . А . Грицаенко [43, 44, 45], Г. Л . Хает [138, 139], В. И. Жилис [54] и др.). За рубежом также проведены исследования по этой проблеме (Ф. Р. Арчибальд [148], Я. Качмарек [161, 162], В. Каттвинкель [163], Окушима Фей, Хоши Тетсутаро [167], Г. Опитц и В. Лейвальд [168], А. И. Пекельхаринг [171], И. Ф. Примус [174] и др.).
По проблеме прочности режущей части инструмента определен ную работу провел также и автор, его исследования по хрупкой
прочности приведены в работах [17, |
18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, |
|||||||||
26, |
27, |
28, |
29, |
84, |
85, |
86, |
151, |
152, |
153, |
154]. |
Актуальность проблемы хрупкой прочности инструмента опре деляется широким применением износостойких иі-г-трументальных материалов: твердых сплавов, минералокерамики, алмазов, стой кость которых лимитируется хрупким раз,рушением режущей час ти. С другой стороны, актуальность проблемы определяется пріг мененпем высокопрочных труднообрабатываемых сталей и спла вов, основных конструкционных материалов авиационной и ра кетной техники, энергетического машиностроения, обработка ре занием которых характеризуется весьма низкими параметрами срезаемого слоя. Здесь же необходимо отметить, что при ультра звуковом резании стойкость инструмента определяется прежде всего хрупкой прочностью режущего клина.
Книга состоит из шести глав.
В главе I «Надежность, прочность и исследование механизма хрупкого разрушения режущей части инструмента» вначале изло жены основные понятия теории надежности, и, исходя из этого, ставится задача исследования механизма хрупкого разрушения режущей части инструмента, поскольку хрупкая прочность рас
сматривается в труде |
с точки зрения надежности инструмента. |
||
Приведены общие |
данные о |
механизме |
хрупкого разрушения |
и дана классификация видов |
разрушения. |
Изложены результа |
|
ты экспериментального исследования механизма хрупкого разру шения режущей части инструмента при непрерывном и прерывис том резании. Для сравнения и сопоставления приведены данные о механизме пластического разрушения режущей части инстру мента .
В главе II «Предпосылки к расчету прочности режущей части инструмента» на основании результатов исследования механизма хрупкого разрушения, исходя из общих данных сопротивления материалов и теории упругости, сформулированы предпосылки к расчету прочности режущей части инструмента. Изложены ус ловия расчета сопротивления скалыванию режущей части инст румента методом допускаемых напряжений первого рода, приме нение принципа Сен-Венана для полного расчета напряженного состояния всей режущей части (в контактной зоне и за ее преде лами). Приведены рекомендуемые величины коэффициентов запаса прочности. Для общности рассуждения и сопоставления рассмат риваются предпосылки к расчету пластической прочности режу щей части инструмента.
6
Глава III «Нагружение режущей части инструмента в процессе резания» содержит данные о нагружении режущей части инстру мента в процессе резания.
Приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований нормальных и касательных контактных напря жений, нагружающих контактную зону.
Глава IV «Характеристики прочности инструментальных мате риалов» посвящена общим данным о характеристиках механичес ких свойств инструментальных материалов, необходимых для рас чета прочности режущей части инструмента.
В главе V «Основы расчета хрупкой прочности режущей части инструмента» изложен предложенный метод расчета. При этом последовательно рассматриваются: расчет прочности контактной зоны при действии распределенной силовой нагрузки и расчет области за пределами контактной зоны под .ействием сосредото ченной силы. Даны основы инженерного р счета хрупкой проч" ности режущей части инструмента. Для сопоставления приведены данные о расчете пластической прочности режущей части инст румента.
В главе V I «Пути повышения надежности режущей части инс трумента и основы рационального использования инструменталь ных материалов» рассматриваются пути увеличения надежности режущей части инструмента повышением прочности. При этом рассматриваются следующие вопросы:
1.Понижение сопротивления обрабатываемого материала плас тической деформации в зоне стружкообразования (предваритель ный подогрев срезаемого слоя обрабатываемого материала.).
2.Повышение сопротивления разрушению режущей части инс трумента (управление нагружением, упрочнение пластической де формацией).
Дана оценка достоинств и областей эффективного применения различных инструментальных материалов по прочностным харак теристикам.
7
I N T R O D U C T I O N
The brittle and plastic failures of the tool-tip restrict the Glut ting regime and consequently the productivity of machining. Hernce the enhandement of the brittle and plastic strength of the tool-t|;jpi
which leads to increased productivity, |
is a very important probl|em |
in production engineering. |
failure-mechanism, establish, |
In this connection, the study of |
ment of the laws concerning this and the formulation of the cal|cu_ lations for practical solution of the brittle strength of the tool-ttjp> comes out as the basic features.
This work is besically devoted to the study of brittle strength of the cutting tool-tip and the question of plastic strength is cornsj_ dered only for comparison.
Г Л А В А I
НАДЕЖНОСТЬ, ПРОЧНОСТЬ И ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМА ХРУПКОГО РАЗРУШЕНИЯ РЕЖУЩЕЙ ЧАСТИ ИНСТРУМЕНТА
В производственных условиях хрупкое разрушение режущей части инструмента встречается довольно часто, особенно при ис пользовании твердосплавного и минералокерамического инстру ментов. При обработке современных труднообрабатываемых мате риалов, например жаропрочных сплавов, наблюдаются массовые поломки режущей части твердосплавных инструментов. Еще в большей степени это касается минералокерамических инструмен тов. Исследование причин хрупкого разрушения и его законо мерностей началось сравнительно недавно. Поэтому история это го вопроса сравнительно короткая.
Важным этапом в исследованиях данного вопроса следует счи тать создание И. П. Третьяковым [121] специальных испытатель ных машин для определения прочности режущей части инстру мента в условиях, близких к эксплуатационным. За создание се рии таких машин И . П. Третьяков был удостоен Государственной премии СССР.
А . И . Каширин [63] предложил одну из первых классифи каций причин хрупкого разрушения режущей части инстру мента.
Рядом исследований было установлено, что при данных обра батываемом и инструментальном материалах и форме режущей части инструмента существует определенная предельная («ломаю щая») толщина среза, после достижения которой происходит ска лывание режущей части инструмента. Был предложен расчетный метод определения допустимых подач при точении сталей твердо-
9»