книги из ГПНТБ / Бетанели, А. И. Прочность и надежность режущего инструмента
.pdfсплавными резцами [119]. Для расчета использовалась эмпири ческая формула:
Р г=34-/°’77-с1,25 (. sin60° \ |
(1.1) |
||
где Р г — тангенциальная |
V sin ср |
) |
резания, допусти |
составляющая силы |
|||
мая прочностью |
пластины твердого |
сплава; |
|
t— глубина резания;
с— толщина пластины;
|
ср |
— главный угол в плане. |
|
|
|
|
Для определения допустимой подачи в формулу (1,1) подстав |
||||
ляется |
величина силы Рг по одной |
из эмпирических |
формул, на |
||
пример, |
P z= C p . t . s |
О'75 |
(1,2) |
||
где |
С р |
— коэффициент, |
зависящий |
||
s |
от условий резания; |
||||
|
— подача. |
|
|
|
|
Далее, решая уравнение относительно подачи s, определяется до пустимая подача, по которой легко определить допустимую тол щину среза.
Эту формулу следует считать частной и весьма приближенной, так как она не учитывает влияния свойств твердого сплава, ве личин переднего и заднего углов, угла заострения и ряда других факторов.
Чтобы получить более точные зависимости, необходимо изуче ние механизма хрупкого разрушения режущей части инструмен та. Для этого прежде всего рассмотрим общие данные о надежнос ти, прочности и механизме хрупкого разрушения вообще, и с этих позиций рассмотрим конкретно механизм хрупкого разрушения режущей части инструмента.
§ 1.1. ОСНОВНЫ Е ПОНЯТИЯ ТЕОРИИ НАДЕЖ НОСТИ
[41, |
44, |
51, |
98, |
118, |
137, |
138, |
139] |
Н а д е ж н о с т ь ю |
|
называется |
свойство изделия (машин, |
||||
механизма, рабочего инструмента и т. п.), обусловленное безотказ ностью, долговечностью и ремонтопригодностью и обеспечиваю щее нормальное выполнение заданных функций в соответствую щих условиях эксплуатации.
Ю
Б е з о т к а з н о с т ь ю называется способность изделия непре рывно сохранять работоспособность (т. е. не иметь отказов) в оп ределенных условиях эксплуатации.
Под отказом понимается событие, состоящее в полной или час тичной утрате работоспособности. Отказ может быть событием слу чайным и закономерным. В теории надежности, в основу которой положена вероятностная схема познания, отказы рассматриваются в основном как события случайные. Последние делят на независи мые и зависимые.
Если отказ какого-либо элемента в системе не вызван отказом; других элементов, то он является событием независимым. Отказ, появившийся в результате отказа других элементов, есть событиезависимое. Для удобства анализа все отказы рассматриваются как независимые случайные события.
При полном отказе изделие перестает выполнять все свои ос новные функции. При частичном отказе изделие перестает выпол нять какую-либо одну (или несколько) из своих основных функ ций, продолжая в то же время работать и нормально выполнять
все остальные функции. |
называется способность изделия |
||
Д о л г о в е ч н о с т ь ю |
|||
длительное время сохранять |
работоспособность |
в |
определенных |
условиях эксплуатации (куда |
могут входить |
и |
различные ви |
ды ремонтов). Долговечность характеризуется либо временем экс плуатации, либо числом циклов функционирования, либо объемом произведенной работы.
Р е м о н т о п р и г о д н о с т ь ю |
изделия называется |
его- |
||||
приспособленность к восстановлению исправности путем |
предуп |
|||||
реждения, обнаружения и устранения |
неисправностей |
и |
отка |
|||
зов. |
|
|
|
|
|
|
Надежность механизмов и машин, заложенную в процессе их |
||||||
проектирования |
и |
производства, называют т е х н и ч е с к о й |
||||
н а д е ж н о с т ь ю . |
|
в период |
эксплуатации |
|||
Надежность |
механизмов и машин |
|||||
принято называть |
э к с п л у а т а ц и о н н о й |
н а д е ж н о |
||||
ст ь ю .
Вданном труде рассматривается эксплуатационная надеж
ность.
Рассмотрим отказы режущего инструмента. На практике встре чаются главным образом полные отказы.
I I
Отказ является полным, если требует обязательной переточки
инструмента, |
либо |
замены лезвия |
или его части, |
иногда — ре |
монта корпуса |
или |
других деталей |
инструмента, |
или его спи |
сания.
Наиболее распространенными видами отказов режущего инс
трумента являются его износ, |
по |
величине равный критерию |
затупления или превышающий его, |
и разрушение — выкрашива |
|
ние, скалывание, отделение пластины твердого сплава и т. д. |
||
Различают устранимые и неустранимые отказы. |
||
У с т р а н и м ы е о т к а з ы |
такие, после которых работо |
|
способность может быть восстановлена переточкой инструмента, введением в работу нового лезвия или его части (износ и выкра шивание).
Н е у с т р а н и м ы е о т к а з ы такие, после которых экс плуатация инструмента заканчивается, и он списывается (скалы вание, отделение режущей пластины).
Рассмотрим количественные характеристики надежности инс трумента.
Безотказность инструмента определяется вероятностью безот казной работы Р(т) и косвенными вероятностными характеристи ками — интенсивностью отказов Цт), их частотой а(е), средним временем безотказной работы т0 и др.
Вероятность безотказной работы Р(т) означает, что при опре деленных условиях эксплуатации (в том числе и при определен ных режимах резания) в пределах заданного времени т отказов не возникает; является безразмерной величиной, закономерной
между |
0 и 1,0. |
|
Определяется |
по формуле: |
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
N |
Q |
/іср |
т |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
Р(т) |
Дт |
|
|
|
|
(1.3) |
||||
|
N 0 |
|
|
|
|
|
|
|
о |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
N |
|
|
|
|
|
|||||
где |
|
— число |
|
инструментов |
в |
начале испытаний; |
|
||||||||||
|
пт |
— время, |
для которого определяется |
Р( |
т); |
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
ср |
— среднее за период испытаний количество инструментов, |
|||||||||||||||
|
|
|
имеющих отказы за интервал времени Ат. |
|
|||||||||||||
|
Чем больше |
No, |
тем точнее можно определить |
Р( |
т) с помощью |
||||||||||||
формулы (1.3). |
|
Р( |
т) можно судить |
|
о надежности, |
так |
как чем |
||||||||||
|
По величине |
|
|
|
|||||||||||||
•больше |
Р( |
т) инструмента, тем |
он |
|
надежнее. |
Типичное |
изменение |
||||||||||
|
|
||||||||||||||||
12
|
|
|
|
т) |
можно определить вре |
Р(т) показано на рис. 1.1. По кривой Р(р, |
|||||
мя безотказной |
работы с |
вероятностью |
т. е. время, в течение |
||
которого |
будут |
работать |
р |
х100% инструментов. Например, на |
|
рис.. 1.1 |
Tjl это |
время, |
за которое безотказно будут работать |
||
0,8 • 100=80% |
инструментов, а 20% будут иметь отказы. |
||||
Рис. 1.1. Типичная кривая изменения вероятности безотказной работы во времени.
Г. Л . Хает [138] отмечает, что ранее принятый термин «стой кость» целесообразно использовать применительно к тп (время ра боты до износа), но не к т, так как при большом числе отказов, не связанных с износом, зависимости т от различных факторов отличаются от зависимостей, полученных в многочисленных иссле дованиях стойкости.
Характеристики безотказности для нового инструмента, инст румента после первой, второй и следующих переточек могут быть различными. Поэтому при достаточно большом числе данных це лесообразно определять эти зависимости отдельно для каждого периода работы — до первого полного отказа, от первого до вто рого, от второго до третьего и т. д.
Важной характеристикой, которая часто позволяет вскрыть причины отказов, является интенсивность отказов. Под интенсив ностью отказов понимают отношение числа отказавших в едини цу времени инструментов к среднему за данный отрезок времени
13
числу безотказно работающих инструментов. Интенсивность от казов определяется по формуле:
(1.4)
где п(т) — число отказавших изделий за промежуток времени от т до т+ Д т ,
Ат — интервал времени;
где N( |
т) — число безотказно |
работающих инструментов в нача |
|||
Ѵ( |
т |
+ Д |
ле интервала Ат; |
|
в |
у |
|
т) — число безотказно работающих инструментов |
|
||
|
|
|
конце интервала |
Ат. |
|
Типичная кривая изменения интенсивности отказов во време ни показана на рис. 1.2.
S ( T ) |
1 1
X
Рис. 1.2. Типичная кривая изменения интенсивности отказов во времени.
На рис. 1.2. можно различить три зоны: I — приработки, кото рая характеризуется изменением интенсивности отказов, II — нормальной эксплуатации с примерно постоянным значением ин тенсивности отказов и III — старения, где интенсивность отказов растет.
Интенсивность отказов целесообразно представить в виде сум мы интенсивности устранимых отказов (главным образом в связи
Н
с износом инструмента) |
Ц хп) |
и интенсивности неустранимых отка |
|||
зов (в связи с разрушением инструмента) |
Цтр). |
Случаи |
разруше |
||
ния твердого сплава приводят к появлению зон |
I и II, |
что при |
|||
неизменной интенсивности износа значительно увеличивает рас сеивание стойкости и резко снижает вероятность безотказной ра боты инструмента в первые минуты резания. В связи с этим гаран тированная стойкость (время работы резца при заданной вероят ности безотказной работы) весьма мала и меньше средней стой кости .
Дефекты твердого сплава, дефекты пайки и заточки вызывают большое число поломок в самом начале эксплуатации. Поэтому интенсивность отказов в зоне I часто падает. В зоне II отказы свя заны главным образом с пиковыми нагрузками, и их интенсивность примерно постоянна. В зоне III поломки связаны преимуществен но с накоплением усталостных напряжений и уменьшением тол щины и других размеров пластины твердого сплава. При этом ин тенсивность отказов в основном растет.
Типичные кривые, приведенные на рис 1.1 и 1.2, отражают статистические зависимости, относящиеся к определенному, отно сительно небольшому количеству инструментов. Точное (вероят ностное) выражение характеристик надежности может быть полу чено путем нахождения соответствующих теоретических законов, отражающих эти зависимости для всей совокупности инструментов изучаемого размера, конструкции, условий изготовления и экс плуатации. Выбор этих законов должен производиться на основа нии анализа причин отказов и их физической модели.
В зоне II, когда Ä.=const, вероятность безотказной работы мо
жет быть определена по экспоненциальному |
закону: |
|||
где |
|
Р( |
т )= е —^т, |
(1.5^ |
е |
|
|||
|
— основание натуральных логарифмов. |
|
||
|
В зоне III применим логарифмически нормальный закон или |
|||
закон |
Вейбула. |
|
|
|
Ввиду того, что очень часто действуют все причины поломок или многие из них, то интенсивность отказов, связанных с проч ностью инструментов, сначала падает (зона I), потом остается постоянной (зона II) и наконец растет (зона III).
Такой сложный характер зависимостей редко может быть вы ражен одним законом, и в общем случае трудно подобрать какой-
15
либо теоретический закон. Часто хорошие результаты дает при менение суперпозиции экспоненциального и нормального или экс поненциального и логарифмически нормального законов. Целью дальнейших исследований должно быть определение теоретичес кого закона, отражающего общий случай.
Долговечность инструмента может быть количественно выра жена теми же характеристиками, что и безотказность, если рас сматривать только неустранимые отказы (переточка отказом не счи тается), т. е. все характеристики задать в функции 2т суммарно го времени работы. Основная характеристика в данном случае — среднее суммарное время безотказной работы 2т0 (средний техни ческий ресурс инструмента).
Твердосплавный, минералокерамический и некоторые виды быстрорежущего инструмента, как правило, списываются после разрушения, не достигнув нормативной величины стачивания. Следовательно, k — число заточек, выдерживаемое инструментом, определяется прочностью его режущей части. Поэтому прочность такого инструмента хорошо оценивать характеристиками надеж ности, полученными в зависимости от k. При этом большое значе ние имеют такие показатели, как среднее число заточек k0 и ин тенсивность отказов K(k). Если Цтр) отражает изменение проч ности режущей части под влиянием факторов, действующих до переточки (качество заточки, накопление усталостных поврежде ний в поверхностном слое и др.), то X(k) зависит от факторов, вли яющих на прочность инструмента на протяжении всей его работы до списания (например, уменьшение размеров пластины твердого сплава, укорочение инструмента).
§ 1.2. ОБЩ ИЕ ДАННЫ Е О М ЕХАНИЗМ Е ХРУПКОГО РАЗРУШ ЕНИЯ РЕЖ УЩ ЕЙ ЧАСТИ ИНСТРУМЕНТА
Хрупкое разрушение твердого тела обладает рядом отличи тельных внешних признаков. Разрушение, как правило, происхо дит под действием наибольших растягивающих напряжений; по верхность излома состоит из блестящих кристаллических фасеток (кристаллический излом). На прочность хрупких материалов от рицательное влияние оказывают неоднородность материала, дефек ты и поверхностные повреждения. Вследствие этого характерис тики хрупкой прочности имеют значительный разброс. О степени іб
хрупкости обычно судят по потере пластичности. При наибольшем проявлении хрупкости ударная вязкость металла приближав ется к нулю. Однако хрупкость следует рассматривать как состояние материала, а не присущее ему свойство [48, 146]. Характер ной особенностью хрупкого разрушения является также зависи мость хрупкой прочности от абсолютных размеров испытуемых образцов (масштабный фактор).
Хрупкое разрушение во многом отличается от пластического разрушения, которое происходит под действием наибольших каса тельных напряжений. Влияние на пластическую прочность мест ных неоднородностей и локальных дефектов, в том числе и повер хностных, почти полностью отсутствует (за исключением грубых дефектов или пороков). Разброс отдельных значений при опре делении пластической прочности не бывает большим. Поверхностьразрушения имеет бархатистый матовый цвет и волокнистое стро ение. Для распространения трещины разрушения требуется за
метная |
работа (материал |
имеет высокую |
ударную вязкость) |
[146]. |
основании опытов А . |
Ф. Иоффе [146] |
появилось понятие о |
На |
хрупкой прочности, мало зависящей от температуры испытания и. скорости деформирования. Наоборот, пластическая прочность в- значительной степени зависит от температуры испытания и ско рости деформирования.
Еще в 1934— 1937 гг. А . В. Степанов показал на каменной со ли, повторив опыты А . Ф. Иоффе, что хрупкое разрушение всегда, связано с возникновением небольших пластических сдвигов.
Дальнейшими исследованиями подтвердилось, что хрупкое раз рушение металлов может происходить с пластической деформаци ей, вполне заметной и измеримой. О том, что разрушение при этом все же остается хрупким, можно судить по характерному кристал лическому излому, ничтожно малой работе распространения тре
щины, малой зависимости от температуры и скорости деформиро вания [146].
Объяснение хрупкому разрушению дается на основании дан ных о зарождении и развитии трещин. Основоположником теории трещин хрупкого разрушения является А . Гриффис [156], идеи которого получили дальнейшее развитие в трудах Е . Орована
[169], |
Д ж . |
Ирвина [160], Г. И . |
Баренблатта [11] и др. [36, 52, 93, |
|
ПО, |
116, |
139]. |
I |
ГОС. ПУБЛИЧНАЯ |
2. А. И. Бетанели |
I |
НАУЧНО-ТЕХ!ІИЧЕСКАЯ |
||
|
|
|
БИБЛИОТЕКА СССР |
|
Принято, что в каждом твердом теле имеются рассеянные по всему его объему многочисленные дефекты в виде микроскопи ческих трещинок (рис. 1.3) [93]. Размеры этих трещин малы, хотя и значительны по сравнению с размерами атомов и расстояниями между ними. Например, в металлах такие трещинки могут иметь длину І-г-5 мкм и ширину, равную нескольким десяткам атомов [93]. Гриффис полагал, что действительное сопротивление многих материалов возросло бы весьма значительно, даже в 10—20 раз, если бы можно было устранить эти внутренние дефекты. Этим и объясняется большая разница между теоретической и техни ческой прочностью.
Рис. 1.3. Схема микроструктуры материалов по Гриффису.
Известно, что зарождение микротрещины где-либо произойдет лишь в том случае, если будут достигнуты напряжения, равные теоретической прочности. (Теоретические расчеты показывают, что разрушение идеального твердого тела должно происходить при напряжениях порядка 0,1Е, где Е — модуль упругости). При сравнительно небольших средних напряжениях это может прои зойти только при наличии концентраторов напряжений или вы соких внутренних напряжений. Роль концентраторов напряжений могут играть неоднородности в структуре материала (например, включения), трещины и ступеньки на поверхности образцов, при
18
чем ступеньки действуют почти Так же, как трещины, равного с ними размера. Именно этими дефектами объясняется сильная зависимость хрупкой прочности от состояния поверхности (так, прочность значительно повышается в результате травления поверх ности). Высокие внутренние напряжения возникают при затвер девании, термообработке и деформировании твердых тел. В крис таллах возникновение малых напряжений может быть результа том различного распределения дислокаций [116].
В настоящее время подавляющее большинство авторов счи тает, что зарождение очагов разрушения в кристаллической ре шетке происходит за счет неоднородной пластической деформации. Факторами, способствующими этому, являются локализация, де формации и блокировка скольжения в окружающем объеме. Полученные за последнее время данные показывают, что вопрос о роли пластической деформации в разрушении является сущес твенным даже и для таких «идеально» хрупких материалов, как германий, кремний и даже стекло [116].
Микроскопическое разрушение есть результат постепенного накопления и развития микротрещин, которые с увеличением внешней нагрузки сливаются в макротрещину, распространяющуюся при определенных условиях с большой скоростью [38, 133, 176]. Эту центральную макротрещину можно считать первичной макро трещиной, с которой начинается макроскопическое разрушение, а начало этой трещины можно считать опасной точкойЛавинооб разное полное разрушение происходит тогда, когда длина тре щины достигает критической величины. В настоящее время из вестны попытки расчета пути распространения трещины — траек тории трещины (см. [5] и др.).
Процесс зарождения и развития трещин определяет хрупкое разрушение как процесс во времени, т. е. зависящий от продолжи тельности нагрузки. На рис. 1.4 приведены данные А . И. Исаева и О. М. Кирилловой [62, 86] о влиянии времени резания на процесс развития трещин на передней поверхности минералокерамического резца. Ими были обнаружены трещины на дне лунки при снятии, небольшого слоя доводкой, причем в первую минуту образуются трещины, которые направлены перпендикулярно режущей кром ке; далее с повышением продолжительности резания количествотрещин возрастает и размеры их увеличиваются. А . И . Пекель-
19.