книги / Обработка резанием с вибрациями книга

Адгезионный износ связан с температурой более слож­ ными зависимостями: они определяются противополож­ ным влиянием температуры на два составных элемен­ та адгезионного износа — микросхватывание и отрыв. Интенсивность схватывания возрастает с ростом темпе­ ратуры; размеры отрываемых частиц уменьшаются с ростом температуры, т. е. снижением пластичности ма­ териала инструмента. В условиях адгезионного износа основным качеством инструментального материала яв­ ляется его сопротивление микроконтактным разруше­ ниям, вызываемым периодическим действием локальных адгезионных сил, а также адгезионная активность, т. е. слипаемость с обрабатываемым материалом. Вибраци­ онное движение повышает интенсивность адгезионного износа, так как при этом облегчаются микроглубинные вырывания, в большей мере при разрушении прояв­ ляется отрицательное влияние микродефектов поверх­ ностного слоя. Росту интенсификации этого вида износа в определенном диапазоне скоростей резания способст­ вует также меньшая температура в зоне резания.

Для обычного резания установлено, что наименьший относительный износ достигается при работе на скоро­ стях резания, отвечающих переходным видам износа — от адгезионного к диффузионному. Очевидно, что чем менее стоек данный инструментальный материал против диффузионного износа, тем левее смещен этот участок оптимальных скоростей. Так, для .быстрорежущих рез­ цов при обычном резании ,это имеет место рри скоростях резания порядка 50 м1мин, т. е. температуре контакта

порядка 500° С, для твердосплавных резцов— при ско­ ростях выше 100 filMUH, т. .е. при температуре контакта

выше вОСУ3С (101.

При 1данной контактной паре обрабатываемый мате­ риал— инструмент основным средством получения ми­ нимального износа, соответствующего определенной тем­ пературе контактных поверхностей при обычном реза­ нии является .подбор режимов резания. Однако это воз­ можно получить и путем качественного изменения усло­ вий резания, например путем использования подогрева извне [Ю] или вибраций. Вследствие этого влияние ре­ жимов резания на стойкость инструмента коренным об­ разом меняется. Например, при |прерывистом резании с вибрациями следует ожидать достижения оптимальных

условий обработки при работе на более высоких скоро­ стях резания по сравнению с обычным резанием |(см. рис. 44). Однако при отработке оптимальных по износу режимов резания с вибрациями следует учитывать и дру­ гие факторы, прежде всего толщину срезаемого слоя, так как переход от адгезионного к диффузионному изно­ су происходит при определенной температуре и может быть обусловлен различными комбинациями v — 5 0 при

обычном и Вибрационном резании. Так, при обычном то­ чении молибдена [I0J изменение подачи от 0,04 до 0,2 мм/об мало влияло на стойкость, потому что сохра­

няется адгезионный вид износа; увеличение йодачисверх этих значений делает преобладающим диффузионный из­ нос, что резко снижает стойкость. Так как вибрации по­ вышают интенсивность адгезионного износа к (снижают интенсивность диффузионного, то возникновение их при обработке с малыми толщинами среза будет приводить к резкому снижению стойкости; вредное влияние этого фактора при работе с большими подачами снижается.

Следует отметить, что сопротивления быстрорежущих сталей адгезионному износу выше, чем твердосплавных, поэтому на низких скоростях при обычном резании, а также при резании с вибрациями они показывают луч­ шие результаты. Напротив, твердосплавный инструмент успешно эксплуатируется при резании с вибрациями жа­ ропрочных сталей и сплавов, где решающее значение имеет диффузионный износ, несмотря на относительно низкие скорости резания^ между тем как использование его при обычном резании в этих условиях (зачастую по­

вибраций возрастает интенсивность адгезионного харак­ тера износа, наиболее эффективными должны быть СОЖ, обладающие прежде всего смазочными свойства­ ми; в этом случае возникновение на контактных поверх­ ностях достаточно прочных пленок будет препятствовать схватыванию. Напротив, СОЖ, обладающие повышенны­ ми охлаждающими свойствами, будут приводить к росту усталостного износа, увеличивая неравномерность тепло­ вого и динамического воздействия на рабочие поверхно­

сти. Правильность этого далее будет подтверждена экспериментами.

Все приведенные здесь выводы получены для усло­ вии прерывистого резания 'с вибрациями, обеспечиваю­ щими существенное снижение температуры. Между тем обработка резанием с вредными вибрациями зачастую

В этом случае происходит интенсификация диффузион­ ных явлений, приводящая к снижению стойкости быстро­ режущего инструмента, а при высоком уровне вибраций и резании с отрицательными задними углами — к 'вы­ крашиванию твердосплавных инструментов. Правиль­ ность этого подтверждают данные Я. И. Адама 1 сравни­ тельных стойкостных испытаний по продольному и тор­ цевому точению при креплении 'резца в жесткой резцедержавке и в маложесткой расточной оправке сечением 25 X25 мм с большим вылетом. Они показали, что ин­

тенсивные низкочастотные вибрации с 1высотой волны 2Да=0,1-е-0,15 мм, / = 100-7-200 гц практически не влия­

ют на стойкость твердосплавных резцов и существенно снижают стойкость быстрорежущих резцов.

Это может быть объяснено тем, что прирост темпе­ ратуры в зоне резания, обусловленный дополнительным вибрационным движением, оказал решающее влияние на износостойкость быстрорежущих резцов я был малосу­ щественным для твердосплавных. Динамическое воздей­ ствие вибраций было недостаточным и не привело к интен­ сификации износа дыкрашиванием твердосплавного ин­ струмента. Действительно, испытания проводились рез­ цами, оснащенными достаточно прочным твердым спла­ вом ВК8 (ф=60°; <pt= 1СИ-150, у—10°, о=8°, г—1 мм,

/ =0,2^-0,3 мм), й резцами из стали 'Р18, отличавшимися только углом у =20°. Обрабатывались заготовки из не­

ржавеющих и жаропрочных сталей Х18Н9Т, ЭИ867, ЭИ765 (ХН70ВМЮТ), [ЭИ756 (1Х12В2МФ). '

Из рис. (45,а [16] также видно, ;что износ твердо­ сплавных резцов не зависит от |частоты вибраций; на­ против, снижение или устранение низкочастотных вибра­ ций дри точении быстрорежущими резцами приводит к резкому увеличению их стойкости. Влияние высокоча­ стотных вибраций резца, возникающих в процессе реза-

1 «Вестник машиностроения», 1965, Jfe 10.

йий, На стойкость инструмента видно на рис. (45,6. Здесь

также видна (еще более сильная зависимость ртойкости быстрорежущего инструмента от частоты вибраций, при этом она зависит и ,от жесткости детали, что связано, очевидно, с изменением направления и формы колеба­ ний. Высокочастотные вибрации сильно влияют и на

Рис. 45. Влияние низкочастотных и высокочастотных вибраций, обусловленных процессом резания, на стойкость быстрорежущих и твердосплавных резцов (сплошные линии относятся к точению стали 30Х2СА, пунктирные — жаропрочной стали):

стойкость твердосплавного инструмента, так как в этом случае оказывается большим динамическое воздействие вибраций на износ и еще более увеличивается темпера­ турный прирост. Стойкость резцов, оснащенных пластин­ ками твердого сплава Т15К6, в 3—5 раз ниже, чем при работе без вибраций, и тем ниже, чем выше [частота ви­ браций. Стойкость резцов с пластинками из Р 18 по мере повышения частоты колебаний, т. е. снижения 'амплитуд,

как в ’зоне низкочастотных, так и высокочастотных виб­ раций повышается вследствие снижения скорости вибра­ ционного движения и теплойапряженности процесса ре­ зания.

Подобным же образом можно объяснить !и воздейст­ вие вибраций ультразвуковой частоты на износ инстру­ ментов. Увеличение стойкости в 'этих условиях показы­ вают только инструменты из более прочных быстрорежу­ щих сталей, однако и в этом случае задание чрезмерно больших амплитуд также приводит к снижению стойко­ сти. Например, А. В. Воронин и А. И. Марков [4] наи­ большее повышение стойкости быстрорежущих резцов получили при относительно малых амплитудах радиаль­ ных колебаний — 2/4*=0,008 лш; дальнейшее увеличе­ ние амплитуды колебаний, особенно при 2АИ>0,025 мм,

приводит к катастрофическому снижению стойкости. Опытами, выполненными рядом исследователей [22, 23], показано, что использование твердосплавных ин­ струментов при резании с ультразвуковыми колебания­ ми приводит к снижению их стойкости.

Резание с вибрациями создает иериодическое переме­ щение стружки но передней поверхности; это ведет 'к участию р процессе износа большей площади передней поверхности и образованию менее глубокой, но более широкой лунки ,(табл. ИЗ) [3, 39]. В значительной мере этому способствует меньшая защитная роль наростообразовапия. Правильность !этих выводов подтверждают результаты сравнительных испытаний изменения пара­ метров износа на передней и задней поверхностях инст­ румента (см. рис. 43) при точении с осевыми низкоча­ стотными вибрациями и без них. Стойкостные испытания проводились в .МВТУ резцами Т15К6 с нулевой фаской шириной 1 мм В. С. Камаловым при точении стали 45

рациями длина лунки 1Л возрастает на 5— 10%. Между

тем максимальная глубина лунки при резании с вибра­ циями меньше, чем при обычном резании. Кроме яч>го, максимальная глубина лунки находится у рамой режу­ щей кромки, и чем дальше от режущей кромки, тем меньше глубина лунки. Это в какой-то степени харак­ терно и для обычного резания, когда максимальная глу­ бина лунки расположена примерно на */з от режущей кромки, а при виброрезании она расположена еще бли­ же (на */в—Vs) от режущей кромки. -Это можно объяс­ нить тем, что центр максимальных давления и темпера­ туры при точении с вибрациями перемещается н при тонких стружках расположен у самой кромки. В ряде случаев лунка настолько приближалась к режущей кром­ ке, что лунки :в обычном понятии нет, она превращается в ступеньку износа.,

Практика эксплуатации твердосплавных инструмен­ тов в условиях вибраций, особенно при Обработке не­ ржавеющих и жаропрочных сплавов, показывает, .что, кроме рассмотренных выше нормальных видов износа, даже при обычном резании существуют и [другие причи­ ны выхода инструмента из строя. ,К ним относится, в ча­ стности, разрушение, обусловленное недостаточной проч­ ностью прежде всего твердосплавного режущего клина. Непосредственное воздействие вибраций приводит к ци­ клическому нагружению режущего клина; при непрерыв­ ном резании наряду с этим имеет место постоянная со­ ставляющая силы. Это еще более сннжает циклическую прочность кромки. Однако, как показывают расчеты при точении с низкочастотными вибрациями, число циклов нагружения не достигает предела усталости. Так, при резании с частотой вибраций <30 гц при периоде стойко­ сти инструмента ,60 мин число циклов нагружения равно

N=105-10a. При этом периоде стойкости предел устало­ сти будет достигнут при f =300 гц. Поэтому при резании

с высокочастотными вибрациями или при эксплуатации инструментов с ‘повышенными периодами стойкости по­ лучаются напряжения режущего клина, достигающие предела усталости. Правда, усталостные разрушения материала инструмента могут наступить и при меньшем

числе циклов, чем 107. Этому будут отвечать напряжения выше предела усталости, определяющие ограниченный предел усталости и возникающие при достаточно боль­ ших амплитудах колебаний. Усталостному разрушению режущего клина способствует большее .число концентра­ торов напряжений, образующихся в твердосплавной пла­ стинке при пайке ее к державке, последующей заточке и износе в процессе резания, а .также разрушающее дей­ ствие адгезионных сил при выходе режущего клина одз контакта с обрабатываемым материалом. Разрушению режущего клина способствует возникновение тепловых растягивающих напряжений; их величина в отдельных случаях может значительно превосходить напряжения, обусловленные механическими нагрузками. Таким обра­ зом, рост частот и амплитуд колебаний, ухудшение ус­ ловий выхода, когда имеет место резкое снижение на­ грузки ,(£~0,5), ведут к росту износа и снижению дол­ говечности режущего клина.

Подробные экспериментальные исследования износа твердосплавного инструмента "в условиях вынужденных колебаний были проведены на операциях сверления глу­ боких и точных отверстий диаметром 6,8—22 мм в мате­ риалах 50А (НВ 170—217), 40Х (HRC 28—30). Для

испытаний использовались сверла одностороннего реза­ ния, оснащенные твердым сплавом ВК8 (рис. ,46). ;При экспериментах записывались осциллограммы вибраций стебля сверла, действующие осевые усилия и крутящие моменты, снимались кривые износа и определялась стой­ кость сверл. На этих операциях вибрации вызывались процессом резания, т. е. их направление не совпадало ни с одной из координатных осей; они происходили так­ же и в радиальном направлении, поэтому относятся к категории вредных.

Приведем количественные зависимости — графики износа режущей кромки во времени (рис. 47), из кото­ рых видно; что наиболее сильно изнашивается калиб­ рующая вершина сверла. Это объясняется тем, что здесь — наиболее тяжелые условия, обусловленные мак­ симальной скоростью резания. Однако износ ^гвердосплавной режущей кромки определяется не только тем­ пературной нагрузкой. Если бы износ сверла определял­ ся только ею, то досле (калибрующей вершины по вели­ чине износа должна была бы идти основная грань. На

Рис. 46. Сверло одностороннего резания для глубокого сверления, оснащенное пластинками твердого сплава ВК8:

Износ

Рис. 47. Кривые износа твердосплавного сверла по отдельным эле­ ментам:

I — но калибрующей вершине; 2 — по основной вершине; 5 — по основной грани, 4 — по вспомогательной грани

самом деле бсяовная вершина сверла изнашивается сильнее, чем основная грань, хотя последняя распола­ гается ближе к оси вращения, что объясняется худши­ ми прочностными условиями работы этого участка режу­ щей кромки. Установление этого 'факта позволило раз­ работать рекомендации по’улучшению геометрии сверл в производстве за счет увеличения углов ф до 70°.

Приведенные на рис. 47 экспериментальные данные, полученные на большом количестве заготовок в лабо­ раторных условиях и проверенные в заводских условиях, показывают, что снижение интенсивности вредных виб­ раций путем уменьшения их амплитуд путем перехода на зарезонансные условия нагружения системы приводит к снижению износа инструмента и повышению его стой­ кости. Вследствие этого становится возможным приме­ нять более высокие скорости резания, повышая при этом производительность обработки и работоспособность ин­ струмента, т. е. суммарную длину отверстия, проходи­ мую сверлом до наступления принятого критерия затуп­ ления. Например, увеличение числа оборотов с 3500 до 5500 обIмин (скорости резания с 75 до 118 м1мия), т. Je.

повышение производительности обработки в 1,6 раза, дало повышение точности — снижение средней величины увода с 0,59 до 0,47 мм, т. е. в 1,25 раза, при этом стой­ кость сверла снизилась с 180 до 141 мин, т. е. в 1,27 ра­

за, а производительность одного инструмента (выражен­ ная в длине пути, пройденного им до определенного за­ тупления) увеличилась с 13,8 до 17,2 Ш.

Повышение производительности обработки за счет увеличения подачи на оборот S a ведет к росту возму­

щающей силы при неизменной ее частоте, к снижению стойкости инструмента и точности обработки.

Наряду с повышением стойкости и производительно­ сти проведенные исследования вредных вибраций, обус­ ловленных процессом резания при сверлении, показали, что при обработке машиноподелочных сталей в опро­ бованном диапазоне режимов резания и вибраций воз­ действие положительных явлений оказывается недоста­ точным, чтобы уменьшить Ьредное влияние вибраций, обусловленное интенсификацией механического и адге­ зионного износов. Поэтому износ инструмента остается больше или равным износу при обычном резании без вибраций.

Таким образом, снижение стойкости инструмента при возникновении вредных вибраций обусловлено рядом факторов. Направление этих вибраций, как правило, не совпадает ни с одной из координатных осей X, У, Z, при

этом большинство типовых операций имеет недостаточ­ ную жесткость системы по оси У. Поэтому всегда велик

удельный вес радиальных вибраций со !вссми присущими этому виду вибраций отрицательными явлениями — пе­ риодическим затиранием по задней поверхности, обус­ ловливающим высокие динамические нагрузки на рабо­ чие поверхности и появление в режущем клине растяги­ вающих напряжений. Возникновение вредных вибрации всегда связано с низкой жесткостью системы, вследствие чего колебание размеров сечения срезаемого слоя и ра­ бочих углов резания становится недопустимо большим. В большинстве случаев движение резания, обусловлен­ ное воздействием вредных вибраций, является неста­ бильным и характеризуется отдельными пиками, когда динамические и тепловые нагрузки резко возрастают. Это является одной из основных причин их отрицатель­ ного влияния на стойкость инструмента и микрогеомет­ рию поверхности.

Следовательно, снижения интенсивности изпоса при обработке с вибрациями по сравнению с обычным реза­ нием следует добиваться путем задания вибраций в тан­ генциальном или осевом направлении при обеспечении повышенной жесткости системы и стабильности режимов вибраций. Однако и при выполнении этих условий поло­ жительные результаты могут быть получены только при рациональном выборе режимов резания и вибрации. При возникновении вредных вибраций, т. е. вибраций, не пре­ дусмотренных при проектировании операции, естествен­ но, таких условий не создается и получаются отрица­ тельные результаты. Однако имеются отдельные приме­ ры, когда такие условия случайно получаются. Так, в работе [65] установлено, что при обработке одинаковых деталей при режимах t= 4 мм, So=0,5 мм(об, v= =35 м(мин стойкость инструмента на станке с высоким

уровнем колебаний выше, чем на станке с меньшим уровнем. Экспериментальное исследование влияния по­ лезных вибраций, задаваемых специальными вибратора­ ми, на износ инструмента проводилось в МВТУ им. Бау­ мана на операциях точения, сверления, нарезания резьб.