5.4 Обладнання і матеріали

5.4.1 Набір зразків різних матеріалів, для контакту яких визначається фактичний тиск.

5.4.2 Прилад для визначення мікротвердості ПМТ – 3.

5.4.3 Профілограф-профілометр моделі 201.

5.5 Порядок виконання роботи

5.5.1 Отримати у викладача зразки різних металів.

5.5.2 Заміряти мікротвердість згідно п.5.3.4.1.

5.5.3 Визначити параметри шорсткості поверхні зразків (можна використати дані отримані при виконанні лабораторних робіт №2 і 3).

5.5.4 Визначити вид контакту (п.5.3.3.2).

5.5.5 В залежності від виду контакту розрахувати фактичний тиск.

5.5.6 Зробити висновок згідно отриманих результатів розрахунку.

5.5.7 Оформити звіт, який повинен містити всі необхідні розрахунки.

6. Контрольні питання

5.6.1 Описати структуру контакту твердих тіл.

5.6.2 Якими геометричними параметрами поверхонь визначається номінальна, контурна і фактична площа дотику?

5.6.3 Як впливають фізико-механічні властивості на величину фактичного тиску в контакті металевих деталей?

5.6.4 Що таке приведений модуль пружності?

5.6.5 Опишіть відмінність між пружним і пластичним контактом.

5.6.6 Послідовність визначення фактичного тиску в металевих деталях машин при пластичному і пружному контакті.

5.7 Рекомендовані джерела: 4, 5, 7, 9.

Додаток А

Приклад визначення фактичного тиску при пластичному контакті

Необхідно визначити фактичний тиск в контакті сталевої поверхні, обробленої струганням, з параметрами шорсткості R_a =16,4 мкм, t_m1 =0,46; S_m1=0,32 мм, з сталевою полірованою поверхнею R_a = 0,01 мкм; загартованої до твердості за шкалою Роквелла HRC_Э 62. На приладі ПМТ-3 визначено десять значень мікротвердості першої поверхні H: 3382; 2172; 3017; 2896; 2715; 2499; 2599; 2380; 2349 МПа.

А.1 Визначаємо середнє значення мікротвердості першої поверхні за формулою (5.10) :

H_ср = 2699 МПа.

А.2 Знаходимо середній приведений радіус кривизни виступів контактуючих поверхонь, згідно п. п.5.3.3.3 і 5.3.3.5

А.3 Розраховуємо приведений модуль пружності контактуючих поверхонь за п.5.3.3.7 приймаємо МПа;

,

звідки

А.4 Визначаємо вид контакту за формулою (5.6)

звідки робимо висновок, що контакт пластичний.

А.5 Розраховуємо коефіцієнт k за формулою (5.12)

А.6 Визначаємо фактичний тиск згідно п.5.3.4.3

P_r = 0,66 ^. 2699 = 1710 Мпа.

Додаток Б

Приклад визначення фактичного тиску при пружному контакті

Необхідно визначити фактичний тиску в контакті двох однакових прироблених поверхонь з параметрами шорсткості:

мкм; ; мм.

Середнє значення мікротвердості, визначене на приладі ПМТ-3 після приробки, H_ср=10300 МПа.

Б.1 Визначаємо середній приведений радіус кривизни виступів контактуючих поверхонь згідно п. п.5.3.3.3 і 5.3.3.4

м.

Б.2 Знаходимо середнє арифметичне відхилення еквівалентної шорсткості R_a за п.5.3.3.5

мкм.

Б.3 Визначаємо приведений модуль пружності контактуючих поверхонь за п.5.3.3.7 приймаючи E₁ = E₂ = 210⁵ МПа.

Б.4 Вид контакту визначаємо за формулою (5.6)

,

звідки робимо висновок, що контакт пружний.

Б.5 Розраховуємо фактичний тиск за формулою (5.13)

МПа.

Лабораторна робота №6

Вивчення процесу зношування металорізального інструменту

1. Мета роботи.

   1. Ознайомитись з основними видами зношування металорізального інструменту.

   2. Встановити залежність розмірного зношування токарного різця від шляху різання експериментальним шляхом.

6.2 Тривалість і місце проведення роботи

Робота проводиться в лабораторіях кафедри зносостійкості та відновлення деталей. Тривалість роботи -2 години.

3. Основні теоретичні положення

6.3.1 Особливості трибологічних процесів при різанні.

Зношування різального інструменту істотно впливає як на період його економічної стійкості, так і на точність отримуваного розміру, особливо при чистовій обробці.

При будь-якому виді обробки матеріалів різанням частина матеріалу, яка збирається з заготовки (стружка), ковзає по передній поверхні різального елементу інструменту і одночасно частина задньої поверхні різального клину ковзає по обробленій поверхні. Тертя, що виникає на цих обох поверхнях, є тертям ковзання.

Всі положення теорії тертя можуть бути застосовані і до різання. Однак, трибологічні процеси при різанні відбуваються у специфічних умовах, які обумовлені наступними обставинами:

• значна різниця у фізичних і механічних характеристиках інструментального матеріалу і матеріалу оброблюваної деталі;

• у процесі різання одні і ті ж поверхні різального клину (передня і задня) знаходяться у контакті з постійно обновлюваними поверхнями оброблюваного матеріалу;

• пластична деформація при формуванні стружки викликає підвищення її твердості у порівнянні з основним матеріалом;

• тиски і температури, які розвиваються на контактуючих поверхнях, досягають значних величин (тиски від 200 до 400 кгс/мм², а температура в зоні різання більше 900˚С);

• внаслідок великої швидкості ковзання на робочих поверхнях різального клину не встигають утворитись захисні плівки, тоді як у інших парах тертя ковзання – це досить поширене явище;

• у трибологічних процесах бере участь дуже мала маса різального інструменту і значна маса оброблюваного матеріалу;

• динамічний характер процесу різання: навантаження на контактуючі поверхні часто змінюється, а нерідко обробка відбувається з ударними навантаженнями (перервне різання);

• мастильно - охолоджуючій рідині (МОР) досить важко проникнути в зону контакту інструменту з стружкою і оброблюваною поверхнею і утворити там мастильний шар.

При різанні трибологічні процеси можуть мати адгезійну, дифузійну і абразивну природу, а також бути наслідком втоми матеріалу. Зношування різального інструменту відбувається частіше всього внаслідок реалізації одночасно декількох механізмів взаємодії.

1. Механізм адгезійного зношування.

У процесі різання мають місце адгезійні процеси, які залежать від умов контактування інструменту і оброблюваного матеріалу. При різанні з малими швидкостями (протягування, фрезерування і т.д:) явище адгезії більш виражене і є основною причиною зношування інструменту.

Коли різальний клин проникає в матеріал деталі, на контактуючих поверхнях починають появлятись і руйнуватись фрикційні зв’язки, так звані містки холодного зварювання. Фрикційні зв’язки утворюються в точках контакту інструменту і матеріалу деталі, оскільки тиск і температура в них досягає таких величин, при яких виникають умови для пластичної деформації вершин нерівностей на обох поверхнях.

Руйнування фрикційних зв’язків може відбуватися різними способами. Якщо міцність на розрив містка, утвореного внаслідок зварювання, менша, чим контактуючих матеріалів, руйнування відбувається по тілі містка зварювання. При цьому кількість матеріалу, що переноситься з однієї поверхні на другу, дуже незначна. Коли міцність фрикційних зв’язків вища міцності контактуючих матеріалів, руйнування відбувається, як правило, в тонкому поверхневому шарі менш міцного матеріалу.

У більшості випадків, при розриві фрикційних зв’язків руйнування наступає в тонкому шарі оброблюваного матеріалу. Однак при цьому в певній мірі руйнується і поверхневий шар ріжучого клину інструменту.

2. Механізм дифузійного зношування

При різанні з високими швидкостями, особливо інструментами з твердого сплаву, розвивається дуже висока температура (~1100ºС) і починає проявлятись дифузійний механізм руйнування ріжучого клина, який є наслідком:

• дифузії основних компонентів матеріалу інструменту в оброблюваний матеріал. Ці компоненти розчиняються в оброблюваному матеріалі (стружці і в обробленій поверхні) і видаляються з ріжучих поверхонь. Внаслідок цього змінюється розмір і профіль ріжучого клину;

• дифузії вторинних компонентів матеріалу інструменту з тонкого поверхневого шару, що призводить до зміни його механічних властивостей. Наприклад, дифузія кобальту при обробці твердосплавним інструментом, порушує міцність зв’язків між частинками карбіду вольфраму і сприяє інтенсифікації процесів зношування;

• дифузії компонентів оброблюваного матеріалу в матеріал інструменту, що веде до зміни фізико-механічних характеристик поверхневого шару інструменту. Наприклад, дифузія свинцю з оброблюваного матеріалу в інструмент сприяє утворенню тонкого крихкого шару на робочих поверхнях клину, що може викликати його зношування.

Загальним для всіх видів дифузійного зношування є наявність дифузії, яка може проходити як у напрямку – від інструменту до деталі так і навпаки.

3. Механізм абразивного зношування

Механізм абразивного зношування полягає в тому, що тверді включення оброблюваного матеріалу (карбіди, оксиди, нітриди, які є складовими багатьох сталей, чавунів і нікелевих сплавів) проникають в контактні поверхні інструменту, дряпають їх і діють як мікроскопічні різці. Найбільш сильно абразивне зношування проявляється в тому випадку, коли твердість ріжучої частини інструменту в процесі роботи падає, а оброблюваний матеріал зміцнюється.

У випадку, коли в матеріалі заготовки є велика концентрація твердих частинок, наприклад, заповнені піском порожнини на поверхнях виливок, абразивний знос є провідним.

Абразивний механізм зношування проявляється також при обробці зв’язаній з утворенням на вершині ріжучого клину наросту, який періодично руйнується і викликає руйнування кромки. Твердість наросту може бути дуже значною, деколи сумірною з твердістю матеріалу ріжучого клина інструменту. Внаслідок руху наросту по робочих поверхнях інструменту відбувається абразивне зношування.

2. Геометрія зношування токарних різців

У залежності від виду механізмів зношування на робочих поверхнях різального клину, їх співвідношення і інтенсивності розрізняють такі види геометрії зношування різального інструменту:

• по задній поверхні;

• по передній поверхні з утворенням лунки;

• по передній поверхні без утворення лунки;

• знос, зв’язаний із заокругленням ріжучої кромки.

Зношування по задній поверхні спостерігається при малій товщині зрізуваного шару металу заготовки. Зношування по передній поверхні з утворенням лунки зношування, зустрічається порівняно рідко і переважно у швидкорізальних інструментів, які працюють при високих швидкостях різання без мастильно-охолоджуючої рідини при глибині різання t>0,5 мм.

Зношування по двох поверхнях спостерігається в інструментів, які працюють з охолодженням і середніми швидкостями різання при глибині різання t=0,2 мм.

3. Методика визначення зносу різального інструменту.

При обробці матеріалів різанням інтерес представляє зношування різального інструменту. Таке зношування безпосередньо впливає на точність механічної обробки, тобто спричиняє похибку форми і розміру оброблюваних поверхонь. Знос різального інструменту, виміряний на його вершині в напрямі, перпендикулярнім до оброблюваної поверхні називається розмірним зносом інструменту U (мкм).

Вимірювання розмірного зносу здійснюється в площині І-І, перпендикулярній до оброблюваної поверхні, яка проходить через вершину різця (рисунок 6.1).

Рисунок 6.1 - Розмірне зношування різального інструменту

Для більш об’єктивного опису зношування розмірний знос вивчається в залежності від шляху, що проходить ріжуче лезо в матеріалі. Цей шлях пропорційний часу роботи Т інструменту.

Найбільш точними методами вимірювання розмірного знос інструменту є прямі методи вимірювання, а найбільш простим є метод вимірювання зносу розміру від вершини різального леза до (певної) базової поверхні чи точки на інструменті.

У даній лабораторній роботі вимірювання проводиться на спеціальному пристрої (рисунок 6.2).

1 – індикатор; 2 – різець; 3 – упорний гвинт; 4 – упори

Рисунок 6.2 - Пристрої для вимірювання розмірного зносу різця

У початковий період різання (І) спостерігається підвищена інтенсивність зношування U_поч. (рисунок 6.3). Величина зносу в цей період, та його тривалість залежать в основному від якості заточування та доводки інструменту.

Рисунок 6.3 - Графік залежності розмірного зносу від шляху різання

Найбільш тривалий період (ІІ) - період нормального зношування U_норм. , характеризується лінійною залежністю розмірного зносу від шляху різання. В період інтенсивного (катастрофічного) зношування (ІІІ) значно збільшуються сили різання, росте потужність, погіршується шорсткість оброблюваної поверхні, порушується точність форми і розмірів тощо. Можливе руйнування інструменту. В цьому періоді обробка не проводиться.

На дільниці нормального зношування інтенсивність зношування характеризується кутом нахилу лінії зношування до осі абсцис-. Розмірне зношування при цьому залежить від матеріалу інструменту, оброблюваного матеріалу, від режимів різання, геометрії різального інструменту і наявності в зоні різання МОР.

Інтенсивність зношування інструменту при конкретних параметрах технологічного процесу характеризується величиною відносного зносу, який являє собою розмірний знос інструменту (в мкм) на шляху різання (в 1 мкм) в в зоні нормального зношування.

, мкм/км , (6.1)

де U_o – відносний знос;

U_норм. – розмірне зношування на дільниці нормального зношування в мкм;

L_норм. – шлях різання на дільниці нормального зношування в км;

М_{U –} масштаб розмірного зношування в мкм/км;

М_L – масштаб шляху різання в км/мм.

Встановлення закономірності розмірного зношування інструменту дає можливість прогнозувати отримувану точність обробки та вживати заходів для її підвищення.