Влияние механических свойств сталей на силы резания при термофрикционной обработке - polpoz.ru o_O
Главная
Поиск по ключевым словам:
страница 1
Похожие работы
Название работы Кол-во страниц Размер
Моделирование физико-механических свойств древесины при конечно-элементном... 1 93.71kb.
Механизмы речевого воздействия и перспективы их описания в когнитивной... 1 45.23kb.
Маркировка сталей по химическому составу 1 174.9kb.
Конструкционные материалы классификация углеродистых сталей 1 304.01kb.
1. Задачи механики. Способы описания движения материальной точки. 1 77.23kb.
Работа 21. Изучение электродвигателя постоянного тока (11 класс) 1 66.26kb.
От механических мастерских – к упц 1 35.02kb.
Задачи для самостоятельного решения 3 826.48kb.
В работе исследуется механическое проявление действия магнитных полей... 1 140.67kb.
Vii. Базовое уравнение связи модуля упруго­сти с пределом прочности... 5 512.25kb.
Технологическими требованиями к процессу 1 155.88kb.
Интервью по компетенциям при подборе персонала. Усовершенствовать... 1 47.3kb.
1. На доске выписаны n последовательных натуральных чисел 1 46.11kb.

Влияние механических свойств сталей на силы резания при термофрикционной обработке - страница №1/1


нові технології в машинобудуванні



УДК 621.914.02

Влияние механических свойств сталей на силы резания при термофрикционной обработке

Покинтелица Н.И.

Восточноукраинский национальный университет им. В. Даля


Введение. В научных и практических исследованиях процессов резания металлов довольно часто ставится задача определения силовых параметров. Определение направления действия составляющих силы резания, а также факторов, влияющих на их величину, является важным и необходимым этапом для изучения особенностей процесса обработки, т. к. от их значения зависит не только мощность, необходимая для осуществления резания, но и температура резания, стойкость режущего инструмента, точность обработки и производительность. Они оказывают влияние на износ инструмента и вибрации, а значит, и на качество обработанной поверхности. Силы резания являются исходными данными при расчетах на прочность и жесткость инструмента, элементов оснастки, деталей узлов металлорежущих станков и установок, используемых для осуществления процесса обработки.

Решение проблемы определения сил, действующих на инструмент при термофрикционной обработке (ТФО) сталей, отражено в работах ряда авторов [1, 2], где рассмотрены системы действующих сил, специфика пластической деформации и геометрическая форма зоны стружкообразования. Однако, опубликованные в литературных источниках данные о влиянии свойств обрабатываемого материала на составляющие силы резания при ТФО противоречивы, что вызывает необходимость проведения дополнительных исследований.



Цель работы. определение влияния механических свойств обрабатываемых марок сталей на величину составляющих силы резания при изменении параметров режима ТФО плоских поверхностей заготовок.

Материал и результаты исследований. При использовании для механической обработки металлов известных конструкций традиционных лезвийных инструментов во многих случаях достигнуты максимальные скорости резания и величины подач, ограниченные физико-механическими свойствами инструментальных материалов. Эти ограничения особенно проявляются при обработке материалов с повышенными механическими характеристиками, все чаще применяемых в машиностроении, и производительность резания которых (например, жаропрочных сплавов на никелевой основе), зачастую в несколько раз ниже, чем при обработке конструкционных сталей.

К существенному недостатку известных и активно используемых в настоящее время способов лезвийной обработки материалов, можно отнести наличие постоянного контакта трущихся рабочих поверхностей инструмента с обрабатываемым материалом. Это явление приводит к локализации тепловых и силовых нагрузок в ограниченном объеме режущей части инструмента, что отрицательно влияет на его способность сохранять свои режущие свойства и не позволяет интенсифицировать режимы резания при применении современных металлообрабатывающих систем.

Таким образом, необходима разработка принципиально новых способов и технологий, свободных от указанного недостатка. Одним из решений этой задачи является ротационное резание, принцип работы которого основан на непрерывной замене рабочих участков лезвия инструмента.

Для повышения производительности механической обработки материалов изыскиваются также различные методы, ряд которых основан на искусственном подогреве обрабатываемой заготовки. Однако недостатком этих методов все еще остается большой и нерациональный расход тепла.

Принципиальным отличием способа ТФО является нагрев зоны стружкообразования силами трения, что способствует, наряду с конструкционными особенностями применяемого инструмента, концентрации тепла в небольшом объеме металла, который затем удаляется с поверхности заготовки.

При использовании способа обработка ведется металлическими дисками, изготовленными из конструкционной стали и имеющими различные геометрические параметры. В процессе контакта заготовки с быстровращающимся режущим диском (Vд=40...80 м/с) происходит разогрев металла в контактной зоне до высокопластичного состояния и его деформация, сопровождаемая образованием сливной волнистой стружки.

Процесс деформирования твердого тела начинается с упругой деформации, которая предшествует пластической деформации и разрушению твердого тела.

Исследованиями В.А.Кривоухова [3] установлено, что при резании металлов абсолютная работа упругой деформации является очень незначительной, и поэтому этой работой практически вполне можно пренебречь. Работа пластической деформации при резании металлов всегда бывает значительной, особенно, если производится резание пластичных металлов с большими сечениями стружки.

Работа пластической деформации в срезаемом слое всегда во много раз больше работы пластической деформации в заготовке под режущим диском.

В настоящее время доказано, что при резании даже хрупких металлов работа, затрачиваемая на диспергирование, т.е., главным образом на срезание стружки, незначительна, и в практических расчетах величиной этой работы можно пренебречь [4].

Работа, затрачиваемая на преодоление сил трения, возникающих в процессе резания, всегда является значительной. Процентное удельное значение работы трения особенно возрастает при снятии весьма тонких стружек, имеющих место при термофрикционном резании.

Таким образом, работа резания затрачивается, главным образом, на пластическое деформирование металла и преодоление сил трения, возникающих в процессе резания. Соотношение между величинами этих работ зависит от толщины срезаемого слоя и механических свойств обрабатываемого металла.

Удельная работа резания зависит от многих факторов, важнейшими из которых являются: скорость подачи, износ режущего диска, температура и величина припуска на обработку, что определяет использование её значений при определении режимов резания, проектировании станков для ТФО и конструкций применяемого инструмента.

При прочих равных условиях уменьшению толщины срезаемого слоя соответствует уменьшение работы пластического сжатия и повышение работы трения.

Толщина срезаемого слоя оказывает важнейшее влияние на процесс термофрикционной обработки, прежде всего, на стойкость диска и силу резания. Чем больше толщина среза, тем больше нагрузка на режущий диск и тем интенсивнее его износ. Влияние толщины срезаемого слоя на процесс термофрикционной обработки исключительно велико, причем при изменении толщины среза резко изменяется режим работы инструмента, сила резания, стойкость диска, качество обработанной поверхности и тепловые явления процесса обработки. Указанное важнейшее влияние толщины срезаемого слоя отражает все эмпирические правила рационального терморезания.

При проведении исследований обработке подвергались заготовки из углеродистой качественной конструкционной стали 45, коррозионностойкой стали 12Х13, жаростойкой и жаропрочной стали 12Х18Н12Т, хромомарганцевоникелевой стали 38ХГН и жаропрочного сплава ЭИ904 (09Х15Н8Ю). Механические свойства вышеуказанных сталей приведены в таблице 1.


Таблица 1 –

Механические свойства обрабатываемых сталей


Марка стали

В, МПа

Т, МПа

, %

Сталь 45

598

360

16

12Х13

600

420

20

12Х18Н12Т

550

200

40

38ХГН

800

700

12

Сплав ЭИ904

(09Х15Н8Ю)



1100

850

20

Процесс образования стружки при термофрикционной обработке плоскостей аналогичен процессу строгания при свободном резании. Схема сил, действующих на режущий диск при обработке плоскостей, приведена на рис. 1. Равнодействующая сила деформации и трения при обработке плоскостей проецируется на оси координат XX, YY, ZZ, вследствие чего возникает горизонтальная сила PZ, направленная параллельно главному движению, горизонтальная сила P (сила трения), направленная по касательной к режущему лезвию диска, и вертикальная сила P, перпендикулярная к направлению главного движения.



Рисунок 1 – Схема сил резания при термофрикционной обработке поверхностей заготовок


Исследования проводились в диапазоне изменения толщины среза а = 0,5...2,5 мм, ширины обработки В = 20...70 мм, скорости перемещения заготовки VЗ = 50...400 мм/мин, окружной скорости диска Vд = 40...80 м/с.

В справочной литературе [5] в формулах для расчета составляющих силы резания рекомендуют применять поправку на механические свойства сталей в виде коэффициента КМР, прямопропорционально зависящего от величины В – временного сопротивления стали на разрыв, характеризующего прочностные свойства сталей. Из расчетной формулы следует, что увеличение В ведет к увеличению всех составляющих силы резания.

Необходимо отметить, что данная зависимость характерна и для изменения составляющих силы резания и при ТФО плоских поверхностей заготовок.

На рис. 2...3 показано влияние элементов режима резания VЗ, Vд на главную составляющую силы резания РZ.

Установлено, что значительное влияние на увеличение главной составляющей силы резания оказывает скорость перемещения заготовки (рис. 2).

При ее возрастании от 50 до 315 мм/мин значение силы РZ возрастает в 2-2,5 раза, что можно объяснить тем, что скорость распространения теплоты в зоне резания отстает от скорости перемещения диска и его режущая кромка находится под воздействием малонагретого металла.

К тому же, с увеличением скорости перемещения заготовки одновременно наблюдается прогресс двух процессов: упрочнения  вследствие увеличения скорости деформирования металла снимаемого слоя, и разупрочнения  из-за воздействия высокой температуры в зоне обработки.

С увеличением окружной скорости диска от 40 до 60 м/с, составляющие силы резания уменьшаются на 25-30 % (рис. 3).


Рисунок 2 – Влияние скорости перемещения заготовки на составляющую силы резания PZ:



Vд =52 м/с; а=1,5 мм; В=70 мм

Рисунок 3 – Влияние окружной скорости диска

на составляющую силы резания PZ:

VЗ =80 мм/мин; а=2 мм; В=70 мм
Столь сильное снижение, очевидно, вызвано значительным уменьшением работы пластической деформации нагретого до высокой температуры металла и снижением силы трения между диском, стружкой и поверхностями резания.

Как показали экспериментальные исследования, дальнейшее увеличение скорости вращения диска приводит к значительному снижению усилий резания и их выравниванию для различных марок сталей.

У большинства обрабатываемых материалов наибольшее снижение механических характеристик происходит в диапазоне 800…1200 К, т.е соответствует температурам, получаемым при нагреве быстровращающимся диском зоны обработки на скорости Vд свыше 70 м/с, и близким по своему значению к температурам рекристаллизации, при которых наблюдается интенсивное разупрочнение металлов.

Результаты экспериментальных исследований показали также большее влияние ширины обработки В на главную составляющую силы резания, чем толщины среза a, т. к. при одной и той же площади среза, но при большей ширине обработки, величина силы контакта больше.

Таким образом, установлено, что прочностные показатели сталей, элементы режима резания VЗ, Vд, В, а оказывают существенное влияние на составляющие силы резания.

Выводы. 1. Увеличение прочностных характеристик обрабатываемых материалов, скорости подачи, ширины и толщины среза приводит к увеличению составляющих силы резания.

2. С увеличением скорости вращения режущего диска составляющие силы резания уменьшаются, что объясняется возрастанием температуры резания.

3. Полученные результаты позволяют оценить влияние силовых параметров процесса ТФО на режущий диск и определить оптимальную геометрию инструмента, необходимую мощность резания и, как следствие, технические требования на изготовление оборудования для ТФО.
ЛИТЕРАТУРА

1. Зарубицкий Е.У. Обработка деталей диском трения // Физические процессы при резании металлов. –Волгоград: ВолгПИ,1984.– С. 131–134.

2. Талантов Н.В., Кисилев В.Н., Покинтелица Н.И. Расчет сил при обработке режущим диском // Конструирование и производство транспортных машин.– К.: ІСДО, 1994.– С. 108–110.

3. Кривоухов В.А., Егоров Н.А. Обрабатываемость резанием жаропрочных и титановых сплавов. –М.:Машгиз, 1961.– 655 с.

4. Кузнецов В.Д. Наросты при резании и трении. – М.: Гостехиздат, 1956.–284 с.

5. Справочник технолога-машиностроителя. В 2-х т. / Под. ред. А.Г.Косиловой и Р.К.Мещерякова. –М.: Машиностроение, 1986. –Т.1.­­– 496 с.–Т.2.– 656 с.


Статья поступила 26.10.2006 г.

Рекомендовано к печати д.т.н., проф.

Витренко В.А.



Вісник КДПУ. Випуск 6/2006 (41). Частина 1