книги из ГПНТБ / Адаптивное управление металлорежущими станками

40ХНМ-1 проходными резцами (у=Ю°, ф= 30°) с различной шири­ ной фаски износа при Ѵ'=105 м/мин, s = 0,156 мм/об, t = 2 мм; эти зависимости также линейны. При увеличении площади фаски от 0,25 до 3,75 мм2 Рх изменяется в пределах 58—145 кгс, Р у — в пре­ делах 120—300 кгс и P z — в диапазоне 115—230 кгс; крутизна на­ клона соответственно равна 25, 51,5 и 33 кгс/мм2.

Аналогичные зависимости сил резания от площади фаски изно­ са приведены в работе [77], а от параметра hs - t — в работе [34].

Для более широкого диапазона условий износа проведены ис­ следования в технологическом институте в г. Турине (Италия) [66]. Испытания проводились на отожженных сталях марок 38 NCD4 (0,38% С; 0,85% Ni; 0,80% Cr; 0,25% Mo) твердостью HB 241 и ХС45 (0,44% С; 0,41% Si, 0,71% Mn) твердостью HB 199, обрабатываемых инструментом из быстрорежущей стали 18-4-1 со

чтобы оставалась постоянной предварительно заточенная фаска на задней грани; размеры фаски 0,1; 0,2; 0,3; 0,4; 0,5 мм, задний угол на фаске 0°. С учетом того, что износ по задней и передней граням противоположно влияет на изменение сил резания, в эксперимен­ тах создавались условия преобладания износа по задней грани при сравнительно низком износе по передней и наоборот. В первом случае, при обработке абразивных сталей малой вязкости силы и мощность резания возрастали с увеличением ширины фаски; во втором — в условиях, исключающих возможность образования на­ роста, с увеличением лунки на передней поверхности силы резания ■уменьшались. Результаты экспериментов приведены в табл. 7.

В обоих случаях отмечается высокий коэффициент корреляции линейной зависимости тангенциальной и осевой составляющих си­ лы резания от размеров фаски и лунки износа, колеблющийся в пределах 0,88—0,98 для обоих исследованных материалов. Наклон прямых при изменении подач в диапазоне 0,04—0,12 мм/об меняет­ ся незначительно; для начальных значений усилий подач характер­ на большая зона рассеяния (до ±25% ), вызванная существенным влиянием на величину Рх небольших вариаций геометрии режу­ щей части инструмента; изменения в тех же условиях Рг меньше и достигают 8%. Нарастание износа во времени принято линейным после короткого начального периода.

Существенным результатом работы является установление то­ го факта, что при одновременном износе по передней и задней гра­ ням силы резания остаются практически постоянными в течение всего времени резания, несмотря на то, что износ по передней по­ верхности оказывает почти вдвое более интенсивное влияниена силы, чем износ по задней грани. Это объясняется более быстрым нарастанием фаски износа на задней грани (по-видимому, для конкретных и полностью не приведенных условий резания). Так как, по мнению авторов, предвидеть характер износа невозможно,

использовать силы резания в качестве информации нельзя; отме­ тим, что этот вывод сделан для инструмента из быстрорежущей

стали.

На основании изложенного можно сделать следующие выводы: при режимах резания с .превалирующим износом по задней гра­ ни приращение Рх и Pz может служить мерой приращения вели­ чины износа по задней грани и с учетом времени мерой скорости

износа; при режимах резания с превалирующим износом по передней

грани приращения Рх и Pz отрицательны по мере приращения из­ носа; в этом случае приращения сил (с учетом знака) также мо­ гут служить мерой износа или скорости износа;

при смешанном износе изменение сил резания не несет инфор­ мации о величине износа.

Таким образом, возможность использования силовых парамет­ ров в системах стабилизации стойкости для информации об изно­ се инструмента подтверждена только для некоторой области ре­ жимов резания, границы которой заранее известны весьма прибли­ женно. Примером использования силовых параметров для стабили­ зации стойкости является система адаптивного управления фирмы Cincinnati. В этой системе определяется не абсолютное, а относи­ тельное значение стойкости в ходе обработки, причем основой оценки являются стойкость и силовые параметры, измеренные в ходе предварительных экспериментов. Это изменение стойкости определяется отношением

(64)

где

(65)

причем

Fc — окружная сила резания;

Е— жесткость шпинделя;

Приведенное отношение показывает, что мерой износа являет­ ся отношение суммарной силы, проходящей через центр фрезы, к окружной силе. Если суммарная сила в 2,3 раза превосходит ок­ ружную, фреза считается предельно изношенной.

Определение стойкостных характеристик по температуре реза­ ния. Другим косвенным параметром, который можно использо­ вать для определения стойкостных характеристик в ходе резания, является температура в зоне резания. С одной стороны, она яв­ ляется показателем теплового процесса, имеющего место при реза­

нии, а с другой—-влияет на интенсивность физико-химических процессов износа.

Предположение о наличии однозначной связи между стойкостью инструмента и температурой впервые было выдвинуто Рейхелем [78, 79], который утверждал, что определенному периоду стойкости при постоянной глубине, определенных материалах обрабатывае­ мой детали и инструмента соответствует определенная температу­ ра, развивающаяся на его лезвии, независимо от сочетания режи­ мов резания V и s; кроме того, эта температура может служить един­ ственным показателем обрабатываемости материалов.

В работе [70] показано, что принцип Рейхеля реализуется в оп­ ределённой области, характеризующейся кинетическим характером процесса износа, который не зависит от условий резания и, как всякий кинетический процесс, описывается экспоненциальной зави­ симостью.

Эта область, по утверждению авторов, соответствует условиям резания, наиболее часто встречающимся в практике. В уравнении (63) эта область, в которой кинетический характер процесса изно­ са является доминирующим, определяется вторым членом— W (Ѳ, т) . В качестве критерия износа в работе [70] принят износ по задней грани, выраженный в единицах веса (весовой износ). Зависимость скорости весового износа от температуры в зоне кинетического из­ носа определяется уравнением

В общем случае стойкость резца из твердого сплава опреде­ ляется временем Т, необходимым для достижения определенной величины износа, из выражения

(68)

Предполагается, что при увеличении износа температура ме­ няется незначительно до определенной величины фаски, соответст­ вующей точкам В на рис. 67 и 69, выше которых износ резко воз­ растает. Предельный износ определяется на границе нерабочего участка.

Интегрируя уравнение (66) и задаваясь величиной предельно­ го износа . W0r можно получить [84] выражение для периода стой­ кости Т„:

Е

Интегрирование возможно,, если температура резания не изме­ няется в ходе обработки. В работах [70, 84] это положение не рас­ сматривается. Согласно исследованиям [67], при увеличении Изно­ са в некоторых случаях температура резания повышается пример­ но на 50° (при у = —10°), а в остальных сохраняется постоянной только в среднем, при большом разбросе отдельных замеров (рис. 81).

В свете рассматриваемой проблемы представляет интерес ха­

контактных поверхностях в это время оказывается более низкой, чем при установившемся резании. Через короткий промежуток времени (точка А), длительность которого зависит от режимов и свойств инструментального материала, поток q3 меняет направле­ ние в сторону изделия. В дальнейшем на некоторый период време­ ни тепловые потоки стабилизируются по величине и направлению. По мере износа задней поверхности инструмента теплота, вызван­ ная трением задней поверхности инструмента о изделие, растет. Интенсивность потока q3 в изделие снижается тем значительнее, чем больше износ резца по задней грани. Вместе с тем, общий теп­ лоотвод из инструмента не уменьшается, так как увеличивается площадка контакта инструмент — деталь. Это несколько усиливает интенсивность теплоотвода со стороны стружки в инструмент qn- В дальнейшем q3 и qa падают, и при некотором значении ширины площади износа теплоотдача в изделие становится равной нулю: потоки на задней поверхности инструмента уравновешиваются

(точка D). Далее с ростом фаски q3 вновь меняет направление — теплота отводится снова в инструмент. При больших износах это поступление становится настолько большим, что тормозит переда­ чу тепла резцу от контактной поверхности инструмент — стружка, падает, температура передней поверхности повышается. В подт­ верждение сказанному в работе [86] ссылаются на эксперименталь­ ные данные [87], полученные методом точного калориметрирования при точении образца из стали Х18Н9Т резцом с пластиной из спла­ ва ВК8 (V = 130 м/мин, t = 3 мм, s = 0,1 мм/об). Данные о коли­ честве теплоты, поглощенной в единицу времени резцом, стружкой

и изделием в зависимости от ширины фаски, приведены в табл. 8.

Т а б л и ц а 8

Из таблицы видно, что по мере износа резца теплосодержание стружки (при /і3 = 0,25 мм) уменьшается на 19%, а резца на 23%, т. е. в первоначальный период износа теплота через резец передает­

связи с ростом сил трения на задней поверхности), в результате чего тепловой поток в изделие уменьшается и до 108% возрастает количество теплоты в резце-(участок ВС). В дальнейшем износ прогрессирует, от трения растет теплота в изделии, q3 и qa снижа­ ются, теплосодержание стружки растет (участок CD). При h3 = 0,58 по-видимому меняет знак q3, теплота направляется в резец со сто­ роны передней и задней поверхностей, что вызывает рост теплосо­ держания в инструменте до 138% по сравнению с начальным.

Почти вдвое возрастает количество теплоты в изделии и на 25% в стружке (участок DE). Отмечается, что величины износа, при ко­ торых поток согласно расчету меняет направление, близки к вели­ чинам износа, принимаемым на практике в качестве критерия затупления резцов при точении обычных и жаропрочных сталей. Из таблицы также следует, что на участке стабилизированного ре­ зания количество теплоты, поглощенной инструментом, практически

постоянно.

Интегрирование уравнения (66) возможно также при условии, что весовой износ инструмента по задней грани растет 'Пропорцио­ нально времени. Принимая, как это сделано в работе [82], что ве­ личина изношенного объема, эквивалентная весовому износу, за­ висит от фаски износа квадратично, и используя уравнение (61), получаем

*

т. е. показатель степени весьма близок к единице.

Уравнение (69) хорошо согласуется с данными экспериментов [70, 84]. Основные испытания проведены на жаропрочной стали марки G 18В (jesop): предел прочности на растяжение 70 кгс/мм2\ твердость НВ 180, химический состав: 0,38% С; 0,95% Si; 1,16% Mn; 0,01% P; 0,013% S; 2,75% W; 13,94% Cr; 13,85% Ni; 1,3% Mo; 10,0% Со. Инструмент — резцы, оснащенные твердым сплавом Р10

в пределах 0,5—2,5 мм. Температура измерялась методом естест­ венной термопары с электрической изоляцией твердосплавной пла­

стины и обрабатываемой детали одновременно. Значения d— и dx

пературе резания по шкале абсолютных температур (°К). Темные точки получены при варьировании подачи, светлые — при измене­ нии скорости резания. Авторы отмечают наличие двух зон, в кото­ рых экспериментальные точки лежат на различных прямых. Неко­ торый разброс авторы объясняют возможным выкрашиванием ре-

0,2 мм/об и переменной скорости резания, черные — при скорости, равной 161 м/мин, и переменной подаче. Стойкость определена предельной величиной износа по задней поверхности, равной ши­ рине фаски 0,61 мм (0,024").

Экспериментальные точки, полученные при разных режимах резания, почти идеально лежат на одной прямой, из чего сделан вывод, что, начиная с температуры 1100° К, стойкость определяется только одним параметром— температурой резания согласно зави­

скорости износа и стойкости в функции температуры при обра­ ботке высококачественного литейного чугуна FC30 резцом из твердого сплава К20 (ISO). Результаты испытаний скорости из­

случае, хотя показанная ими на рис. 84 зависимость стойкости Т от температуры (1/Ѳ) в тех же координатах нелинейна.

Ю/в°К'1

W0 Ш іШ іШ

температурарезания,"К

а

Рис. 84. Зависимость скорости весового износа и стойкости инстру­ мента от абсолютной температуры при обработке чугуна

Поскольку в работах {70, 84] не исследовано влияние твёрдос­ ти материалов на температуру резания, интерес представляет об­ работка данных, полученных в работе [24] на сталях ЭХВГ, за­ каленных до различной твердости, при точении резцом ВК8 о постоянной глубиной 0,25 мм и подачей, равной 0,10 мм/об с варьированием скорости резания. В качестве критерия предель­ ного износа используется некоторая постоянная величина размер­

HRC 55 аналогичны приведенным на рис. 83, в, причем уменьше­ ние твердости ведет к увеличению стойкости при той же темпе­ ратуре резания.

Т.мин

В работах [8, 35] не исследована зависимость стойкости от температуры при изменениях глубины (не приведено соответствую­ щих точек на кривых скорости износа и стойкости в зависимости от температуры при варьировании глубины). Вместе с тем даны зависимости температуры от глубины (в двойной логарифмиче­ ской сетке), скорости и подачи (рис. 87—89). Показана хорошая согласуемость экспериментальных результатов по стойкости, по­ лученных с помощью измерений температур и обычным способом: измерением износа и стойкости при варьировании только одного параметра. Для первого случая получено выражение

также установления общности подхода представляет интерес работа [81], в которой исследовано влияние температуры на из­ нос быстрорежущего инструмента.