Файл: Бетанели, А. И. Прочность и надежность режущего инструмента.pdf

ростей резания и=0,25-н0,333 м/сек (15-Т-20 м/мин). Выше этой скорости режущая кромка инструмента быстро притупляется и осуществить нормальный процесс резания невозможно. Это же наблюдается на быстрорежущих резцах при скоростях резания ц=1,ЗЗЗч-2,0 м/сек (80—120 м/мин) и твердосплавных резцах при скоростях резания а=10-т-16,7 м/сек (600-нІССЮ м/мин). При реза­ нии жаропрочных сплавов на никелевой основе эти скорости рез­ ко снижаются. Если же обрабатываемым материалом является дюралюминий, то для резца из стали У8 скорость будет порядка ѵ = 1,667 м/сек (100 м/мин), а для быстрорежущих и твердосплавных резцов скорости резания неограничены.

Причиной отмеченного выше явления быстрого притупления и среза режущей кромки является потеря формоустойчивости вслед­ ствие пластического разрушения режущей части инструмента [81, 86]. Скорость резания, при которой происходит пластическое раз­ рушение режущей части инструмента, будем называть предельной скоростью и обозначать ѵпѵ [86].

Пластическое разрушение режущей части встречается весьма часто, и поэтому исследование этого вопроса является актуальной задачей. Однако в этой области были известны только эмпиричес­ кие данные Е . Герберта [81], который считал, что для предотвра­ щения пластического разрушения твердость инструмента должна превышать твердость обрабатываемого материала в определенном минимальном отношении (при резании стали в 1,38 раза).

Т. Н . Лоладзе [81, 86] разработал вопросы определения пласти­ ческой прочности (формоустойчивости) режущей части инструмен­ та на основе теории пластичности1.

На рис. 1.86 видно течение контактных слоев инструмента вдоль задней поверхности. По образованной текстуре можно су­ дить, что толщина текущего по задней поверхности слоя инстру­ ментального материала равна 0,04-?-0,05 • 10~3м. В данном слу­ чае температура на контактных поверхностях порядка 1073°К (800°С). При. такой температуре, очевидно, произошло настолько сильное размягчение контактных слоев быстрорежущего резца, что

1 Т. Н. Лоладзе [81] первоначально ввел понятия формоустойчнвости и критерия формоустойчивости режущей части инструмента. В [86] было сочте­ но, что формоустойчивость проще называть пластической прочностью, а кри­ терий формоустойчивости — коэффициентом запаса пластической прочности.

87

их сопротивление пластическому сдвигу стало меньше контакт­ ных касательных напряжений и наступил процесс пластического течения и разрушения задней поверхности резца.

Рис. 1.86. Момент пластическо­ го разрушения режущей части инструмента. Наблюдается плас­ тическая деформация задней по­ верхности (хЗО). Р18—сталь 10.

Ѵ=0°; <р=48°; ф1=42°; в=2,77

м/сек (166 м/мшО; /=1,5>10-Зм;

s= 0 ,4 • 10-3 м/об.

На рис. 1.87 представлен случай пластического разрушения твердосплавного резца. Как следует из рис. 1.87, срезу контакт­ ных слоев инструмента по задней поверхности предшествует плас-

Рис. 1.87. Пластическое разрушение режущей части твердосплавного резца ВК8 при резании титана с подогревом (Ѳ под=1573°К) (х70)

г=0,0003 м/сек (0,018 м/мин);

*= 2,5 • IО-з.ч; а= 0,25 ■10_3м.

88

тическая деформация. При этом температура на контактной по­ верхности достигла 1523°К (1250°С) и твердый сплав ВК8 настоль­ ко сильно размягчился, что контактные напряжения вызвали пластическую деформацию, а затем пластическое разрушение. При работе твердосплавным инструментом с высокими скоростями ре­ зания и большими сечениями среза часто наблюдается пластичес­

Исследования показали, что в определенных условиях пласти­ ческому разрушению подвергаются также зубья фрезы, и даже абразивные зерна шлифовальных кругов. Отличие состоит в том, что в процессах прерывистого резания из-за малого времени кон­ такта инструмента с изделием нагреву и пластической деформации подвергаются очень тонкие контактные слои [81,86].

При очень больших скоростях резания наблюдаются случаи, когда пластически деформируется только инструментальный ма­ териал, а стружкообразование вообще не происходит.

На первый взгляд может показаться странным наличие пласти­ ческого разрушения в таких хрупких материалах, как твердые сплавы, абразивные зерна шлифовальных кругов и т. д. Однако следует учесть, что понятия хрупкость и пластичность относи­ тельные и, как было отмечено в главе I, зависят от условий наг­ ружения .

Хрупкое тело можно привести в пластическое состояние (на­ пример, созданием схемы трехосного равного сжатия), а любое пластическое тело — в хрупкое (например, созданием схемы трех­ осного равного растяжения).

Исследования ([34, 117] и др.]) показывают, что такие хруп­ кие тела, как мрамор, чугун, корунд, твердый сплав и др. при испытаниях в условиях гидростатического давления проявляют пластические свойства и становятся прочнее. В процессе резания режущая кромка находится в условиях двухосного сжатия. Это увеличивает пластичность инструментального материала. В связи с этими обстоятельствами контактные слои относительно хрупких материалов, таких как твердые сплавы, в условиях резания под­ вергаются пластической деформации и пластическому разруше­ нию. При этом инструмент очень быстро выходит из строя и ог­ раничивается применение высоких режимов резания.

89

ПРЕДПОСЫЛКИ к РАСЧЕТУ ПРОЧНОСТИ РЕЖУЩЕЙ

ЧАСТИ ИНСТРУМЕНТА

Выше нами отмечалось различие между выкрашиванием и ска­ лыванием. Процесс выкрашивания в значительной мере являет­ ся процессом вероятностным, расчет сопротивления выкрашиванию должен базироваться на статистической теории прочности и пред­ ставляет собой самостоятельную задачу [24, 84]. Ограничить вык­ рашивание в значительной мере возможно поверхностной обработ­ кой (тщательной чистовой заточкой, доводкой и т. д.). Как пока­ зано в главе I, при данных Тф обрабатываемого материала, о* инс­ трументального материала и форме режущей части, определяемой углами ß и у, скалывание неизбежно наступает при соответству­ ющих предельных толщинах среза. При этом сколы происходят

ввиде отделения относительно больших объемов режущей части инструмента, превышающих объем контактной зоны.

Целью расчета хрупкой прочности является определение соп­ ротивления скалыванию. Для этого достаточно основываться на модели сплошной однородной изотропной среды, как это принято

всопротивлении материалов и теории упругости. При этом допус­ кается, что в пределах размеров скалываемых объемов неодно­

родность и анизотропия не играют существенной роли.

В работе использован метод расчета по допускаемым напряже­ ниям первого рода, наиболее широко применяемый для расчета деталей машин и элементов сооружений на прочность.

Суть метода расчета по допускаемым напряжениям состоит в следующем. По действующим нагрузкам определяются главные на­ пряжения 0^, сг2, о,3(ст1^ а 2^сГз). Далее по соответствующей теории предельных напряженных состояний определяются эквивалент­ ные напряжения аэкв, т. е. одноосные растягивающие напряже-

91

ния, равноопасные заданному сложному напряженному состоя­ нию; точка, в которой сгэ,.в максимально, называется опасной. Максимальное эквивалентное напряжение сопоставляется с до­ пускаемым напряжением [о]

определяются как сумма напряжений, возникающих под действием сил резания и температурного поля, и остаточных — возникаю­ щих при изготовлении инструментального материала, напайке и заточке [74].

Во многих случаях действием остаточных напряжений первого рода в целях упрощения можно пренебречь, исходя из того, что в твердых сплавах в состоянии поставки они весьма малы [74]. Тщательной напайкой остаточные напряжения могут быть значи­ тельно снижены или при механическом креплении вообще исклю­ чены, а доводкой удаляется дефектный слой, возникающий при заточке.

Анализ экспериментальных данных приводит к заключению, что в большинстве случаев хрупкое разрушение возникает под действием силовой нагрузки.

Вотдельных случаях термические напряжения могут также оказывать влияние на хрупкое разрушение, особенно в условиях прерывистого резания. Рассмотрим это влияние на примере фре­ зерования.

Впериод резания на контактных поверхностях возникают сжи­ мающие термические напряжения. Во время холостого пробега,

92

при охлаждении воздухом пли эмульсией, поверхностные елои-тіо равнению о телом имеют уже меньшую температуру. Н . Н . ‘Зорев и Н . П . Вирко (см. [56] и др.) показали, что -при вступлении зуба в контакт с заготовкой средняя температура контакта стаби­ лизируется в течение 0,002—0,003 сек. (Такие же результаты по­ лучены Г. И; Размадзе). На выходе, в силу теплопередачи и вен­ тиляционного эффекта, температура режущей части с такой Же' скоростью снижается примерно до 1/3 величины, возникающей при резании. При дальнейшем движении зуба по воздуху, до пов­ торного вступления в резание, температура режущей части сни­ жается до 373—423°К (100— 150°С). Наблюдаемое резкое снижение температуры возможно благодаря малой теплоемкости твердых сплавов. Вследствие этого во время холостого пробега на перед­ ней поверхности возникают растягивающие термические напря­ жения. Перемена знака напряжений имеет циклический характер и повторяется с каждым оборотом фрезы. Эти напряжения малые по величине, но после определенного числа циклов врезаний и выходов могут вызвать появление усталостных трещин на перед­ ней поверхности, примерно перпендикулярных режущей кромке и переходящих на заднюю поверхность. Наряду с этим на задней

Установлено, что продольные трещины не возникают при ско­ ростях резания, меньших критической для данных условий, а выше критической быстрота появления трещин и их число возрас­ тают с увеличением скорости резания.

Как отмечает Н . Н . Зорев [57], повышение температуры по­ верхностных слоев пластинки твердого сплава увеличивает амп­ литуду изменения температуры этих слоев при прерывистом ре­ зании. Соответственно увеличиваются циклически действующиенапряжения. В результате трещины возникают при меньшем чис­ ле термических циклов. Если при более низкой температуре раз­ рушающее количество циклов не достигается до наступления нор­ мального износа, то при более высокой температуре лимитирую­

щим фактором становится не износ, а хрупкое разрушение режу­ щей части инструмента.

Увеличение глубины резания и подачи повышает вероятность трещинообразовання и, соответственно, уменьшает критическую

93