Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги из ГПНТБ / Бетанели, А. И. Прочность и надежность режущего инструмента

.pdf
Скачиваний:
32
Добавлен:
21.10.2023
Размер:
9.92 Mб
Скачать

где Н „ — твердость инструментального материала в контактных слоях задней поверхности;

Нф — твердость обрабатываемого материала в зоне условной плоскости сдвига;

Нк — твердость обрабатываемого материала в контактных слоях с задней поверхностью.

Обозначив

 

 

получим

 

(5.60)

 

л-г

 

 

Н и

 

 

Когда

УВД^+УИоЯф. Н h-\-Hih

 

п Т ^ . 1, пластическая

деформация

не происходит. Когда

контактные

слои

инструментального

материала

подверга­

ются пластической

деформации и режущая

кромка

инструмента

теряет первоначальную

форму.

 

 

 

Пластическое разрушение в меньшей степени, чем хрупкое раз­

рушение,

зависит

от

неоднородности материала,

и

коэффици­

ент запаса прочности может

быть принят

близким

к единице

Для определения коэффициентов в формуле (5.60) были прове­ дены многочисленные опыты, результаты которых приведены в ра­ боте [81]. Было установлено, что в случае малых скоростей реза­ ния и максимального трения на контакте режущая кромка (при 7=0-7-10°) не подвергается срезу, когда соблюдается условие:

 

 

 

Я „

Н

— > У .2.

 

 

 

 

Н

 

 

 

 

 

6 ■ Тф

 

 

 

 

 

 

 

 

ф

 

 

При резании в активных средах, понижающих трение на кон-

такте,

величина

Н„

уменьшается.

Поэтому при

отсутствии

Н„

трения

принимается условие:

 

 

Н„

 

 

 

 

 

 

Н „

 

Н ф > 1.

 

По

этим условиям

6 ■ Тф

 

в формуле

определяются

коэффициенты

(5.60),

которые равны:

D

0= 1 ;

М о= 0 .

 

 

 

 

 

242

В результате получим

\ + Н \

(5.61)

или

У Н Я „

н „

(5.62)

11-г

 

При больших скоростях резания, когда температура в контакт­ ных слоях значительно выше, чем в зоне сдвига (Я ф^ # л), вели­ чиной H h пренебрегаем, и коэффициент запаса пластической проч­ ности пт определяется отношением:

Я и _

н п

(5.63)

Н а

а

 

 

 

Согласно выражению (5.63), режущая кромка инструмента фор­ моустойчива и не подвергается срезу, когда твердость инструмента

при температуре резания несколько больше,

чем твердость стру­

жки в зоне деформации.

 

 

 

 

 

Если известны температурная зависимость твердости заданного

инструментального материала

в статических условиях

испытания

и температурная

зависимость

напряжения

сдвига

по

условной

плоскости сдвига,

то по выражению (5.62) можно определить пре­

дельную температуру резания,

при которой

пт=

1.

По

этой пре­

 

 

 

 

 

 

дельной температуре резания для заданных конкретных условий обработки можно определить и предельно допустимые режимы резания: скорость резания, толщину и ширину среза.

На рис. 5.90 дана температурная зависимость коэффициента запаса пластической прочности при обработке стали 40 резцами из У8, Р18, Т15К6 и ЦМ332. Эти кривые построены по темпера­ турным зависимостям твердости инструментальных материалов и напряжений сдвига обрабатываемых материалов (см. рис. 3.5 и 4.3).

Величина xh принимается равной тф при соответствующей тем­ пературе и скорости деформации и, в первом приближении, мо­ жет определяться по температурной зависимости т'ф, приведенной на рис. 3.5.

Из рис. 5.90 следует, что при обработке среднеуглеродистой стали предельной температурой на задней поверхности для резца

243

из стали У8 является 670°К, из стали Р18 — 940°К, из сплава Т15К6 — 1400°К, из материала ЦМ332 — 1650ЭК-

Рис. 5.90Температурная зави­ симость коэффициента запаса прочности пт при обработке стали 40 резцами из разных ин­ струментальных материалов:

1—У8; 2—Р18; 3—TI5KG; 4—ЦМ322.

Учитывая, что температура на задней поверхности меньше, чем средняя температура резания, предельные температуры реза­ ния (измеренные естественной термопарой) соответственно будут выше на 80— 100°К. Имея кривые зависимостей температуры от скорости резания, можно построить кривые n t —[(v) (рис. 5.91).

Из рис. 5.91 следует, что предельно допустимые скорости реза­ ния для разных инструментальных материалов различны. Для ста­

ли

У8 предельная

скорость резания равна 0,25 м/сек (15

м/мин),

для

стали Р18—

1-г-1,666

м/сек (60—70 м/мин),

для

сплава

Т15К6 — 6,66 -г- 8,33м/сек

(400 — 500 м/мин), для

минералоке*

Рис. 5.91. Зависимость коэффициента’’запаса прочности пт от скорости ргзания при обработке стали 40 резцами из различных материалов:

1—У8; 2 —Р18; 3—Т15К6; 4—Ц.М332.

244

рамического материала ЦМ332 — 8,39 -f- 9,16 м/сек (500 —

.550 м/мин). Эти результаты согласуются с данными практики. Полученные кривые наглядно показывают, что коэффициент за­ паса пластической прочности инструментального материала яв­ ляется чувствительным параметром, существенно зависящим от ■ скорости резания. Аналогично, на рис. 5.92 представлены кри­ вые сплава Т15К6 при обработке различных материалов.

Рис. 5.92Зависимость коэффициента запаса поочиссти

пг

от скорости резания при обработке резцом из сплава

 

Т15К6 различных материалов:

 

1—ХН70ВМТЮ (ЭИ6І7);

2—ЭИ929; 3—ШХ15;

 

4—Х18Н9Т;

5—Ст. 40.

Эти кривые показывают, что свойства обрабатываемого ма­ териала решающим образом влияют на коэффициент запаса пластической прочности инструмента и на предельную скорость резания. Так, резцом из сплава Т15К6 можно срезать стружку

с заготовки из стали 40 со скоростью до 6,66 м/сек (400 м/мин);, для нержавеющей стали Х18Н9Т и шарикоподшипниковой ста­ ли ШХ15 эти скорости ниже; что же касается жаропрочных ■ сплавов, то предельные скорости для них меньше «а целый по­ рядок (0,5 — 0,666 м/сек) (30—40 м/мин). Аналогичная картина наблюдается при обработке этих материалов инструментом из быстрорежущей стали. Разница ,в том, что предельные скорости резания имеют меньшие значения.

Для жаропрочных сплавов предельными скоростями являют­ ся 0,083 -г 0,117 м/сек (5 — 7 м/мин), что согласуется сданны ­ ми заводов качественной металлургии по зачистке слитков и

проката методом резания при помощи быстрорежущего инстру­ мента.

245

Очевидно, что если при предельной температуре резания, равной температуре плавления обрабатываемого материала, коэффициент запаса пластической прочности то пласти­ ческое разрушение режущей кромки не будет наступать при сколь угодно высоких скоростях резания. Исходя из этого сле­ дует, что резцсм из инструментальной стали можно обрабаты­

вать практически с неограниченной скоростью резания свинец, олово, кадмий и др. мягкие легкоплавкие металлы.

Быстрорежущая сталь дает возможность обрабатывать прак­ тически с неограниченной скоростью резания алюминий, так как твердость быстрорежущей стали при температуре плавления алю­ миния больше, чем твердость алюминия в зоне условной плос­ кости сдвига. Однако будет ограничена в скорости резания воз­

можность обработки быстрорежущей сталью меди,

стали

и дру­

гих тугоплавких материалов.

обрабатывать практически

Твердые сплавы дают

возможность

с неограниченной скоростью резания медь, латунь,

бронзу

(п7^

1),

однако — с ограниченной

скоростью

резания

сталь,

моли

б-

 

ден, вольфрам и другие тугоплавкие металлы. Последнее связано с тем, что твердость твердых сплавов при температурах, близ­ ких к температурам плавления указанных материалов, имеет зна­ чение меньшее, чем твердость этих материалов в зоне плоскости сдвига.

Важно определить изменение коэффициента пластической проч­ ности при предварительном подогреве срезаемого слоя. Предвари­ тельным подогревом уменьшаются сдвигающие напряжения по ус­ ловной плоскости сдвига (рис. 3.5) и понижаются контактные нап­ ряжения, нагружающие режущую часть инструмента. Поэтому,, при прочих равных условиях, если температура резания на зад­ ней поверхности остается неизменной, коэффициент запаса по плас­ тической прочности должен возрастать. Это следует из выражения

(5.62).

На рис. 5.93 представлены кривые изменения коэффициента запаса пластической прочности в зависимости от температуры ре­ зания при различных температурах предварительного подогрева срезаемого слоя высокомарганцовистой стали Г13Л при резании, сплавом Т15К6.

Из представленных на рис. 5.93 кривых следует, что с увели­ чением температуры предварительного подогрева для каждой за-

246

данной температуры коэффициент запаса по пластической

проч­

ности существенно возрастает. Например, при 1200°К для

обыч­

ных

условий резания

п г <

1,

 

при

Ѳпо =873°К

пт= 3 ,

 

 

 

 

 

 

при Ѳ„оа- =1273°К яг«14 .

Рис. 5-93. Зависимость коэффициента запаса прочности пт от температу­

ры резания при

обработке

стали

П ЗЛ резцом из сплава

Т

15

Кб

-

1—Ѳпод=293°К;

2—Ѳпод=673’ К;

3 —Ѳпод=873сК;

4—Ѳпод=1073 К*,

б—Ѳ„од=12тЗ"К:

Аналогичная картина наблюдается и для других материалов. Наряду с этим, повышением температуры предварительного подо­ грева увеличивается предельно допустимая температура резания на задней поверхности. Для рассматриваемого случая, при реза­ нии в обычных условиях, предельная температура резания на зад­ ней поверхности равна ПОО’ К- При подогреве на Ѳп0д=12730К она достигает 1600°К. Для решения вопроса о практической це­ лесообразности применения подогрева важно оперировать режи­ мами резания и определить пт при изменении толщины, ширины среза и скорости резания. Опыты показали, что при резании мате­ риалов с предварительным подогревом ширина среза не оказы­ вает влияния на температуру резания, а толщина среза влияет незначительно. Поэтому при предварительном подогреве увеличе­ ние ширины и толщины среза не будет оказывать существенного влияния на температуру резания и, при прочих равных условиях, коэффициент запаса прочности будет возрастать, несмотря на уве­ личение сечения среза [143, 144, 145].

247

Другой результат получается по скорости резания. При пред­ варительном подогреве в зависимости от заданного материала и температуры резания предельно допускаемая скорость резания может возрастать или уменьшаться. Это происходит потому, что с увеличением температуры предварительного подогрева темпера­ тура резания обычно возрастает. Это наглядно видно на рис. 5.94,. где представлены кривые изменения температуры в зависимости от скорости резания для различных температур предварительного подогрева по данным В. В . Цоцхадзе [143].

Рис.

5-94. З іешсимостъ

температуры от скорости резания

при

обработке сплава

ХН70ВМТЮ (ЭИ617) резцом из

 

сплава T5K1Q с предварительным подогревом.

1—Ѳ П0Д=1273°К; 2—Ѳпод=П930К;

3 - Ѳ Под=П23°К;

4—Ѳпод=1043°К; 5—Ѳпод=9733К;

6 - 0 ^ = 8 7 3 ^ ;

 

7—Ѳпод=473°К; 8-Ѳпод=293°К.

Исследования показали, что во многих случаях с увеличением: температуры предварительного подогрева предельная скоростьрезания понижается. Когда же с увеличением температуры обра­ батываемый материал резко разупрочняется, возможно повышениепредельной скорости резания (например, высокомарганцовистыестали Г12Л и Г13Л).

В заключение следует отметить, что предварительным подогре­ вом срезаемого слоя для каждой заданной температуры резания достигается увеличение коэффициента запаса пт. Однако при этом допустимая предельная скорость резания во многих случаях по­ нижается. Поэтому для повышения производительности при ре­ зании с подогревом целесообразнее увеличивать ширину и тол-

248

щину среза, поскольку увеличение ширины и толщины среза мало влияет на температуру резания.

Рассмотрим изменение коэффициента запаса по пластической прочности в зависимости от формы инструмента.

Как было показано выше, с увеличением температуры резания п т уменьшается. Поэтому рациональной будет та форма инстру­ мента, которая обеспечивает минимальную температуру резания. Увеличение переднего угла снижает температуру резания. Однако чрезмерное его увеличение так сильно ослабляет режущую часть инструмента, что может вызвать либо хрупкое разрушение, либо пластический изгиб. Удачной формой является режущая часть с двойной передней поверхностью или с поверхностью с переменным передним углом, имеющим переход от отрицательного к положи­ тельному переднему углу [86]. При такой форме происходит рез­ кое изменение направления схода стружки и сокращается длина контакта с передней поверхностью. Давление стружки на перед­ нюю поверхность происходит, главным образом, в области фаски

•с отрицательным углом. Поэтому стружка не касается или ока­ зывает незначительное воздействие на вторую часть передней по­ верхности. Ввиду сокращения площади активного контакта стру­ жки с передней поверхностью уменьшается работа трения и тем­ пература резания понижается; соответственно коэффициент запаса по пластической прочности возрастает. Применение двойной пе­

редней поверхности с выкружкой

особенно

эффективно для

инс­

трументов из быстрорежущей стали, так как

при температурах вы­

ше 873°К (6С0°С) быстрорежущая

сталь интенсивно размягчается

и малейшее изменение температуры существенно влияет на

режу­

щие свойства.

 

 

 

В качестве одного из характерных примеров можно привести случай обработки стали 40 резцом из быстрорежущей стали Р18 с плоской и двойной передней поверхностью при следующих режи­ мах резания: ъ»= 1,33 м/сек (80 м/мин), s = l • 10_3 м/об (1 мм/об), /= 1,7 • 10~3 м, ср=45°. При обработке резцом с плоской передней поверхностью (у=0°) происходил срез режущей кромки и обра­ ботка становилась невозможной. Достаточно было сделать вык­ ружку на передней поверхности, как ввиду уменьшения темпера­ туры резания коэффициент запаса по пластической прочности уве­ личивался и инструмент был в состоянии срезать стружку.

249

§ 5,9. ОСНОВЫ ИНЖ ЕНЕРНОГО РАСЧЕТА ХРУПКОЙ ПРОЧНОСТИ

р е ж у щ е й ч а с т и и н с т р у м е н т а

доказывают, что

Исследования, приведенные в данном труде,

в контактной зоне напряжения неопасны с точки

зрения хрупкой

прочности, и опасные точки находятся за пределами контактной зоны на передней поверхности. Поэтому при составлении норма­ тивных материалов по режимам резания нет необходимости расче­ та хрупкой прочности в контактной зоне. Громоздкие вычисле­ ния напряжений в контактной зоне, для упрощения и ускоре­ ния которых неизбежно применение электронно-вычислительных машин, необходимы для теоретических исследований. Это и яв­ ляется важным результатом теоретического исследования, на ос­ новании которого инженерный расчет должен базироваться на оп­

ределении хрупкой прочности только за пределами контакт­ ной зоны.

Таким образом, целью инженерного расчета должно быть опре­ деление условий хрупкой прочности в опасных точках на перед­ ней поверхности за пределами контакта со стружкой.

Вначале рассмотрим расчеты при непрерывном резании, а за­ тем перейдем к прерывистому резанию. Выше было указано, что расчет может быть поверочным или собственно расчетом по опре­ делению предельных толщин среза и форм режущей части инст­ румента. Исходными расчетными формулами являются выражения

(5.50), (5.53). Основой определения

предельных

и допускаемых

толщин среза является примерно линейная зависимость

тах~

=}(а)

в области средних, больших

и предельных

толщин среза,,

 

данная на рис. 5.18, 5.32, 5.34, 5.35, 5.38, 5.39, 5.40.

При поверочном расчете форма режущей части может быть вы­ брана, исходя из эксплуатационных соображений, например, с точ­ ки зрения износостойкости, удовлетворяющей экономические усло­ вия обработки, а толщина среза — по производительности.

Исследования 3. С. Таварткиладзе, выполненные под руковод­ ством Т. Н . Лоладзе [87], показали, что максимальная площадь обработанной поверхности достигается при средних толщинах сре­ за. Анализ кривых vTa=f(v) показывает, что величина площади обработанной поверхности является функцией скорости и толщи­ ны среза, а подбор оптимальных режимов резания должен произ­ водиться после построения кривых ѵТа=}(а) для различных тол­ щин среза.

250

При поверочном расчете по заданным условиям резания и за­ ранее определенном по формуле (5.51) коэффициенте/е0 определяет­ ся фактический коэффициент запаса. Если величина коэффициента запаса лежит в пределах рекомендуемых допустимых (см. главу II), то данная толщина среза является допустимой. Если факти­ ческий коэффициент запаса меньше рекомендуемого допустимого, то толщина среза должна быть уменьшена и наоборот. Вместе с

тем, необходимо

отметить

в качестве обязательного

условия, что

в диапазоне допустимых

толщин

среза должна быть выбрана та­

кая толщина среза, которая по

кривым

vTa — f(v)

соответствует

оптимальным условиям.

 

 

 

 

Рассмотрим примеры поверочных расчетов по определению фак­

тических коэффициентов запаса.

 

 

 

П р и м е р

I. Свободное точение жаропрочного сплава ХН6ГВ

(ЭИ867) твердым сплавом ВК8 с о'й=735 Мн/м2 при у=30°; ß=52°;

*= 3 ,6 • ІО"3

м; п=0,14 • ІО-3 м; с=0,315 ■ 10~3 м; Р г=1900 н;

Р у=690,5 н.

Коэффициент £„=4,52.

Необходимо определить фактический коэффициент запаса.

Р е ш е н и е

По формуле (5.50) определяем, что оц шах=352 Мн/м2. При этом

 

 

 

пь

<зь

735

 

 

 

 

 

 

шах

352 = 2,09.

 

 

В главе II было указано, что

при точении можно рекомендо­

вать

пь —

1,2-т-1,5. Следовательно,

если нет

ограничения по

чис­

тоте

обработанной поверхности,

то толщина

среза может

быть

увеличена до а = 0 ,2

• 10_3

м. В

этом случае

я6=1,45, а при а =

=0,25 • 10-3 м, я* =

1,23.

 

 

 

 

10~3м

Опыты показали,

что повышение толщины среза до 0,25 •

не оказывает влияния на износостойкость. (Изменение коэффици­ ента запаса во всем диапазоне толщин среза дано на рис. 5.33).

П р и м е р

2.

Свободное точение

жаропрочного

сплава

ХН70МВТЮ Б

(ЭИ598) твердым сплавом

Т5КЮ с сть=720 Мн/м2

при т=0°; ß=70°;

6=4,5 • 10-Зм; и = 0 ,01665 м/сек; а=0,2

■ 10-Зм;

с=0,86 • 10~3м;

P z=3530

н;

Р у=2210

н;

£0=2,56.

 

Необходимо

определить

коэффициент

запаса.

 

251