Технические науки/8.Обработка материалов в машиностроении

Д.т.н. Грубый С.В.

Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана, Россия

Моделирование процесса резания

и изнашивания инструментов

Отличительной особенностью современного этапа развития машиностроительных производств является необходимость широкого применения так называемых высоких технологий. Отличительной особенностью последних служит системность, моделирование и оптимизация процесса, компьютеризация и автоматизация всех этапов разработки и реализации при соответствующем технологическом и кадровом обеспечении, высокая надежность, экологическая безопасность. В число отмеченных признаков высоких технологий входит моделирование с последующей оптимизацией процесса.

Математическая модель процесса резания может быть представлена как совокупность уравнений и ограничений, описывающих связь показателей функционирования, в первую очередь износа и стойкости инструмента, с переменными параметрами ее состояния. В развитии предшествующих исследований рассмотрена модель косоугольного несвободного резания и стружкообразования на примере точения заготовок сборными твердосплавными резцами. Предложена общая последовательность расчета скорости изнашивания инструмента, включающая ряд этапов: анализ геометрических параметров лезвия и элементов сечения срезаемого слоя; определение положения поверхности сдвига, сил, контактных давлений на передней поверхности; анализ параметров фрикционного контакта, коэффициента трения, сил на задней поверхности; определение интенсивности и скорости изнашивания, величины износа и стойкости инструмента.

Так, геометрические параметры сборного резца с механическим креплением режущей сменной многогранной пластины (СМП) образуются за счет определенного расположения пластины на державке. Математически установлена и программно реализована связь геометрических параметров лезвия и углов положения СМП в корпусе резца.

Для расчета среднего значения угла сдвига в направлении схода стружки использовано выражение, учитывающее влияние параметров срезаемого слоя и упругих свойств обрабатываемого и инструментального материалов:

, (1)

где коэффициент k₁ отражает влияние скорости резания; упругая постоянная равна ; E₁ , E₂ – модули упругости обрабатываемого и инструментального материалов; m₁ , m₂ – коэффициенты Пуассона; g_c – передний угол в направлении схода стружки, - эффективная толщина и ширина срезаемого слоя.

Среднее значение угла сдвига отражает обобщенное положение условной плоскости сдвига, а средний коэффициент укорочения стружки – усредненную величину деформаций при формировании стружки. Для точных количественных оценок предложено более детальное описание положения поверхности сдвига, характерное для косоугольного несвободного резания [1].

Cилы стружкообразования рассчитаны по элементарным участкам на режущей кромке, а общее действие сил резания на СМП определено в направлении схода стружки. Тогда силы стружкообразования на прямолинейной и радиусной части главной режущей кромки составят:

;

(2)

,

где , - толщина и ширина среза по прямолинейной части режущей кромки; , - толщина и ширина среза на элементарном участке радиусной части режущей кромки; k – число участков на радиусной части, m – пропорциональное число участков на прямолинейной части режущей кромки; - углы между силой стружкообразования и скоростью резания (углы действия); - среднее касательное напряжение на поверхности сдвига. Раскладывая силы стружкообразования по соответствующим направлениям и суммируя, определены суммарные составляющие силы резания, действующие вдоль осей координат.

Распределение контактных давлений на поверхностях лезвия изучено рядом авторов при проведении экспериментальных и теоретических исследований. Анализ показывает, что для различного вида эпюр контактных давлений их средние значения близки по величине. Основываясь на работах М.Ф. Полетики, А.И. Бетанели, распределение нормальных контактных давлений на передней поверхности в сечении по направлению схода стружки задано выражением

, (3)

где s_m – максимальное значение контактного давления на режущей кромке; n – показатель степени, определяющий форму эпюры нормального контактного давления; m – относительное расстояние от режущей кромки.

Выполнен анализ разработанной физической модели процесса косоугольного несвободного резания, раскрывающий отдельные внутренние связи и значения параметров, на примере обработки заготовок из типовых материалов - представителей различных групп по обрабатываемости. К таким материалам отнесены: алюминиевый сплав, конструкционные и легированные стали, коррозионностойкая сталь, жаропрочный сплав на никелевой основе, титановый сплав, подшипниковая сталь в состоянии закалки. Характеристики прочности и твердости обрабатываемых материалов приняты в расчетах как функции температуры резания.

Для теплофизического расчета рассмотрены источники теплоты: теплота деформации в зоне стружкообразования, теплота трения на передней и задней контактных площадках и соответствующие интенсивности тепловых потоков: . Рассчитаны интенсивности итоговых тепловых потоков по передней q₁ и по задней q₂ поверхностям и температуры: деформации (на поверхности сдвига) T_d , на передней поверхности Т₁ , на задней поверхности Т₂ . Температура резания отражает усредненный вклад температур контактных площадок.

В качестве примера в таблице 1 приведены расчетные значения теплофизических параметров, характеризующих процесс резания при использовании сборных твердосплавных резцов и обработке заготовок из различных материалов: интенсивности тепловых потоков, температуры контактных площадок.

Таблица 1

Теплофизические параметры обработки различных материалов

Обрабатываемый материал	, кал/(см^2с)	, кал/(см^2с)	, кал/(см^2с)	, кал/(см^2с)	, кал/(см^2с)	, ^оС	,^оС
АМг6	7523	1959	5735	300	180	273	209
45		5113	9497	752	298	677	455
60		4479	7332	677	231	652	429
40Х		5704	8925	835	281	735	518
12Х18Н10Т		3698	7050	590	221	848	578
30ХГСА		6217	9357	920	294	711	564
ВТ3-1		4546	7448	935	234	691	793
ХН77ТЮР		7534	4758	1165	150	1502	755

Примечание: твердый сплав марки Т15К6, глубина резания 2 мм, подача 0,3 мм/об, скорость резания для всех материалов 80 м/мин, для сплава ХН77ТЮР скорость резания 40 м/мин.

Основным механизмом изнашивания инструментов из твердого сплава и нитрида бора принят механизм адгезионно-усталостного изнашивания, вызванный адгезионным взаимодействием между инструментальным и обрабатываемым материалами. Основываясь на молекулярно-механической теории трения, коэффициент трения был принят состоящим из молекулярной (адгезионной) f_m и деформационной (механической) f_d составляющих:

, (4)

где t₀ определяет прочность адгезионного шва при отсутствии сжимающих напряжений, p_c – среднее нормальное давление на контактной поверхности, b₀ – коэффициент упрочнения адгезионных связей. Предложены аппроксимации параметров от температуры контакта [1].

Проводя аналогию с моделью изнашивания А.С. Проникова, отражающую в качестве основных факторов контактное давление, скорость трения и твердость изнашиваемого материала, и учитывая установленную связь скорости резания с уровнем контактных давлений и температурой, предложено использовать связь скорости изнашивания задней поверхности инструмента с обобщенным параметром, характеризующим процесс резания. В качестве обобщенного параметра принято отношение скорости резания (трения) к твердости изнашиваемой поверхности как функции температуры: , где v – скорость, м/с, HV – твердость или микротвердость по Виккерсу, МПа.

Для варианта лезвийной обработки – точения резцами из современных марок инструментальных материалов заготовок из различных обрабатываемых материалов - установлена связь скорости изнашивания задней поверхности , мм/мин, и обобщенного параметра, в общем виде:

, (5)

где постоянная и показатель степени определены для вариантов обработки: твердосплавными резцами заготовок из конструкционных сталей и сплавов; твердосплавными резцами заготовок из титановых сплавов; резцами из композита на основе нитрида бора заготовок из закаленной стали.

Значения скорости изнашивания использованы для расчета величины износа и стойкости инструмента путем численного интегрирования. На этой основе разработана расчетная методика, которая позволяет выполнить оперативный автоматизированный анализ процесса изнашивания, стойкости резцов и обрабатываемости конструкционных сталей и сплавов применительно к условиям конкретных операций, и исключает проведение обширных экспериментальных исследований. Примеры расчетных кривых иллюстрируют эффективность разработанной методики: - графики величины износа по задней поверхности как функции времени обработки для различной скорости резания на рис. 1, резец с СМП формы WNUM-100412 из сплава марки Т15К6, заготовка из стали марки 60, глубина резания 2 мм, подача 0,3 мм/об.

Анализ расчетных зависимостей показывает их полное соответствие по качественным и количественным показателям экспериментальным данным по влиянию режимных параметров, геометрических параметров инструмента, марки твердого сплава, марки обрабатываемого материала на процесс изнашивания твердосплавных резцов и обрабатываемость сталей и сплавов.

Расчетная методика является основой для анализа процесса резания и разработки уравнений, характеризующих показатели этого процесса.

Используя расчетные значения величины износа, стойкости инструмента, силы резания можно получить степенные и полиномиальные уравнения, характеризующие заданные условия обработки. В свою очередь, полученные таким образом уравнения служат основой оптимизации режимных параметров с использованием различных методов [2].

Литература:

1. Грубый С.В. Моделирование процесса резания твердосплавными и алмазными резцами: Учебное пособие. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010. -108 с.

2. Грубый С.В. Методы оптимизации режимных параметров лезвийной обработки: Учебное пособие. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. -96 с.