УДК 621.9.029 Л.А. МУТАФЯН ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ РЕЗАНИЯ НА СТОЙКОСТЬ

ВЕСТНИК ГИУА. СЕРИЯ “МЕХАНИКА, МАШИНОВЕДЕНИЕ, МАШИНОСТРОЕНИЕ”. 2012. Вып. 15, №1
УДК 621.9.029
Л.А. МУТАФЯН
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ РЕЗАНИЯ НА СТОЙКОСТЬ
РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА И СПОСОБЫ ЕЕ ПОВЫШЕНИЯ ПРИ
ПРЕРЫВИСТОМ РЕЗАНИИ МЕТАЛЛОВ
Изучены основные вопросы влияния температуры резания на стойкость режущего
инструмента в процессе прерывистого резания металлов. Даны некоторые предложения,
способствующие значительному повышению стойкости инструмента и увеличению
качества обработанной поверхности.
Ключевые слова: температура, износ, стойкость инструмента, деформация,
охлаждающая жидкость.
Введение. Одним из основных показателей процесса резания являются
тепловыделения,
образующиеся
вследствие
механической
работы,
затрачиваемой на пластическую деформацию, и разрушения металла в процессе
стружкообразования. Величина выделяемой теплоты определяет температуру в
области резания, которая оказывает прямое воздействие на характер
образования стружки, силы резания, микроструктуру поверхностного слоя
обработанной поверхности, а следовательно, на стойкость инструмента и
производительность обработки. Она зависит от вида операции, материалов
обрабатываемой заготовки и инструмента, режимов резания, геометрии
режущего инструмента и влияния внешней среды.
Источниками тепловыделения являются пластическая деформация и трение
в зонах контакта стружки с передней поверхностью инструмента с одной
стороны и обработанной поверхности с его задней поверхностью – с другой. На
общий баланс тепловыделений оказывают влияние также упругие деформации и
диспергирование, которыми часто пренебрегают из-за их малой величины.
Непрерывное и интенсивное тепловое воздействие на рабочие поверхности
инструмента
способствует
интенсификации
процессов
изнашивания
инструмента. Нагрев заготовки и связанных с ней узлов станка и
приспособлений приводит к температурным деформациям, снижающим
точность обработки. Поэтому этим фактором необходимо управлять так, чтобы
выделяющееся тепло в меньшей степени влияло на снижение стойкости
инструмента и точность обработки.
В зависимости от условий резания значительное количество тепла может
концентрироваться в отдельных зонах, тем самым сильно повышая их
температуру. Поэтому важно знание закономерностей распределения тепла в
81
зоне резания, что возможно выявить как теоретическими, так и
экспериментальными исследованиями процесса тепловыделения.
Согласно экспериментальным данным [1-3], основное количество тепла,
образующегося в результате резания, остается в стружке. Это объясняется тем,
что в зоне контакта стружки с передней поверхностью инструмента
концентрируется наибольшее количество тепла, образующегося в результате
деформации стружки и ее трения по передней поверхности инструмента. Этому
способствует также то, что стружка в зоне резания формируется быстро и так же
быстро проходит зону контакта с резцом. Теплоту, образующуюся в результате
трения по задним граням инструмента, поглощают заготовка и резец, причем в
резец теплота отводится в большей степени, особенно при резании металлов с
низкой теплопроводностью, чем в инструмент. Хотя в настоящее время имеются
большие возможности для использовании аналитических методов при
исследовании тепловых явлений в зоне деформации и на контактных
поверхностях инструмента, тем не менее экспериментальные методы, благодаря
их простоте и надежности, являются более практичными.
При исследовании тепловых явлений в случаях, когда не ставится задача
изучения законов распределения температур, пользуются средней температурой
по всей поверхности контакта рабочих граней инструмента с обрабатываемой
заготовкой - температурой резания. Она в основном определяется
экспериментально методом естественной термопары.
Исходя из вышеизложенного, целью настоящей работы является изучение
влияния некоторых основных факторов на тепловыделение в процессе
прерывистого резания конструкционных сталей и сплавов и определение
возможностей для уменьшения этого явления. К числу таких факторов
относятся скорость резания, толщина и ширина среза, геометрия режущего
инструмента, влияние внешней среды.
Методика исследования. Эксперименты проводились при обработке
углеродистых конструкционных сталей 45; 40Х; У8. При выборе материалов
учитывались их различные физико-механические свойства, состав и
обрабатываемость.
Резание
производилось
торцовыми
фрезами
с
металлокерамическими державками из материала Т15К6 и цилиндрическими из
быстрорежущей стали марки Р18. Пределы режимов резания представлены на
графиках зависимостей (рис. 1-3).
Обсуждение результатов. Зависимости температуры резания и износа
инструмента от скорости резания, подачи и глубины резания соответственно
представлены на рис. 1-3. Как видно из рис. 1, с увеличением скорости резания
средняя температура области резания повышается, но менее интенсивно, чем
сама скорость. Это объясняется тем, что по мере увеличения скорости резания
режущий клин все быстрее пересекает тепловой поток, наибольшее количество
82
которого сконцентрировано в зоне контакта стружки с передней поверхностью
инструмента. Вследствие этого интенсивность перехода тепла от стружки в
резец и деталь уменьшается, а большее количество теплоты остается в стружке и
выводится из области резания вместе с ней.
Рис.1. Зависимость температуры резания и износа зуба фрезы от скорости резания
(Sz=0,2 мм/зуб, t=1,5 мм, T15K6)
С дальнейшим увеличением скорости резания, по мере затупления ножа,
увеличиваются работа и силы трения по задней поверхности зуба, а
следовательно, повышается и проявление температуры трения. Последнее
приводит к повышению доли распределения тепла в заготовку. Необходимо
также отметить, что увеличение скорости резания вызывает уменьшение длины
контакта стружки с передней поверхностью зуба, что способствует уменьшению
доли тепла, уходящего в инструмент, а следовательно, и средней температуры.
С увеличением подачи (рис. 2) температура резания повышается в меньшей
степени, чем при повышении скорости резания. Увеличение подачи приводит к
возрастанию давления стружки на зуб. При этом уменьшаются усадка стружки,
а следовательно, и работа деформации, приходящаяся на единицу объема
срезаемого слоя. С другой стороны, с увеличением подачи трение на задние
поверхности зуба остается почти неизменным, а отвод тепла улучшается в связи
с утолщением стружки. Кроме того, при определенной длине обработки
сокращается относительный путь резания, следовательно, уменьшается и работа
силы резания. Поэтому с увеличением подачи температура резания также
повышается, но в меньшей степени в сравнении с увеличением подачи. Глубина
резания на температуру влияет еще в меньшей степени (рис. 3). Это объясняется
тем, что нагрузка на единицу длины режущей кромки не меняется. С
83
увеличением глубины резания пропорционально увеличивается длина
действующей режущей кромки, следовательно, в той же степени увеличивается
и теплоотвод от нее. Отсюда нетрудно заметить, что условия теплоотвода с
увеличением ширины срезаемого слоя более благоприятны, так как при этом
источник тепловыделения удаляется от вершины зуба. Кроме того, известно, что
при увеличении отношения длины полосового потока источника тепла к его
ширине, в пределах данной площади контакта, средняя температура трения
уменьшается.
Рис. 2. Зависимость температуры резания и износа зуба фрезы от подачи
(V=157 м/мин, t=1,5 мм, T15K6)
Рис. 3. Зависимость температуры резания и износа зуба фрезы от
глубины резания (V=157 м/мин, S=0,2 мм/зуб, T15K6)
Из сказанного можно заключить, что одним из методов снижения
температуры резания является резание со сравнительно большим отношением
ширины к толщине срезаемого слоя при его заданной площади сечения; это
84
означает, что нужно работать с широкими и тонкими стружками, т.е. со
сравнительно большим отношением глубины резания к подаче (t/s).
При заданной глубине резания и подаче температуру резания можно
снизить также путем уменьшения главного угла в плане (  ), что приводит к
увеличению ширины срезаемого слоя. С уменьшением главного угла, хотя
увеличивается нагрузка на резец, но удлиняется режущая кромка (при той же
глубине резания), увеличивается угол при вершине (  ) и, как следствие,
значительно улучшается теплоотвод (рис. 4).
Рис.4. Зависимость температуры резания от главного угла в плане
(V=157 м/мин, S=0,2 мм/зуб, t=1,5 мм )
С учетом вышесказанного нами была поставлена задача использовать
многогранные неперетачиваемые пластинки, которые с изменением их
установки на державках дают возможность обеспечения минимального угла в
плане (  ) со сравнительно большим углом резания (  ). С этой целью
использована пластинка ромбической формы - ТУ560-62 ВНИИ (рис. 5б).
Конструкция ножа представлена на рис. 5а. При этом резание производилось
промежуточными режущими кромками пластины. При указанной установке
величины углов составляли: главный угол в плане -    2945 , угол резания    12030 вместо предназначенной для данной формы пластины с углами
соответственно:   757 и   5930 . При этом параметры углов изменялись
почти в два раза.
Согласно результатам исследования, предлагаемый метод, помимо
снижения температуры резания (рис. 4), обеспечивает высокую чистоту
обработанной поверхности, одновременно вдвое повышая ресурс использования
пластины. Поэтому его целесообразно применять при чистовых операциях
обработки. Температуру резания можно понизить также повышением отвода
тепла путем интенсивного охлаждения детали, стружки и инструмента.
Как известно, в последние годы проводятся многочисленные исследования
по созданию новых эффективных смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ),
85
имеющих, по возможности, низкую себестоимость. Аналогичная работа
проводится и на кафедре АиКММ ГИУА под руководством проф. Б. Баласаняна
и С. Христафоряна для получения эмульсий эмульгированием на
ультразвуковой установке [4]. На основе результатов исследования нами
изготовлена 5%-я эмульсия, полученная из отработанного машинного масла
марки SAE15W40, которая подвергалась электромашинной фильтрации.
а)
б)
Рис. 5. Конструкция ножа (а) с ромбической неперетачиваемой пластиной (б)
Обрабатывались заготовки из стали 45 с применением жидкостей: водный
раствор кальцинированной соды (с высокой охлаждающей, но низкой смазочной способностью) - жид. №1; 5%-я эмульсия на основе асидола - жид. №2 и
исследуемая жидкость - жид. №3. Опыты проводились фрезерованием с ножами,
оснащенными пластинками Р18, с режимами резания: Sz =0,3 мм/зуб; t=2,0 мм.
Рис.6. Влияние СОЖ на износ зуба в зависимости от скорости резания
Как видно из рис. 6, все применяемые жидкости приводят к уменьшению
износа инструмента, причем более интенсивно жид. №1, что объясняется ее
высокой проникающей и охлаждающей способностью. Сравнительно меньшая
степень влияния остальных жидкостей связана с тем, что адсорбированные на
86
поверхности пленки вследствие сравнительно большей их вязкости не успевают
полностью возобновиться и оказываются недостаточными для полного
снижения сил трения, несмотря на их смазывающие способности.
Заключение. Влияние предложенной жидкости на повышение стойкости
инструмента не уступает традиционно используемой эмульсии на основе
асидола. На основе полученных экспериментальных данных можно утверждать,
что эмульсии, полученные указанным методом, являются перспективными и
могут заменить применяемые в металлообработке дорогостоящие эмульсии.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Резников А.М. Теплофизика процессов механической обработки материалов. - М.:
Машиностроение, 1981. - 178 с.
2. Бобров В.Ф. Основы теории резания металлов. - М.: Машиностроение, 1995. - 138 с.
3. Ташлицкий Н.И. Особенности изнашивания твердосплавного инструмента при
прерывистом резании //Вестник машиностроения. - 2005. -№7. - С. 55 - 56.
4. Баласанян А.Б. Некоторые особенности процесса ультразвукового эмульгирования
// Вестник Инженерной академии Армении. - 2006. - Т.3, №1. - С. 130 - 133.
L.H. MUTAFYAN
STUDY OF CUTTING TEMPERATURE INFLUENCE ON THE TOOL LIFE
AND METHODS OF ITS INCREASE AT INTERMITTENT METAL CUTTING
The basic problems of cutting temperature influence on the tool life during the process of
intermittent metals cutting are investigated. Some suggestions which contribute to a significant
increase in tool life and increasing the quality of the machined surface are given.
Keywords: temperature, wear, tool life, deformation, cooling liquid.
87