автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Повышение работоспособности твердосплавных торцевых фрез за счет применения твердых смазок

ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи АЛЬ - БАТАЙНЕХ МОХАМАД ОГЛА РАШИД

УДК 621.9

ПОВЫШЕНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ТВЕРДОСПЛАВНЫХ ТОРЦЕВЫХ ФРЕЗ ЗА СЧЕТ ПРИМЕНЕНИЯ ТВЕРДЫХ СМАЗОК

05.03.01 - процессы механической и физико-технической обработки, станки и инструменты

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор В.М. Оробинский Научный консультатнт канд. техн. наук, доцент А.И. Курченко

ВОЛГОГРАД 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 5 Глава 1. АНАЛИЗ ЛИТЕРАТУРНЫХ ДАННЫХ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ 7

1.1 Анализ литературных данных 7

1.2 Постановка задач исследований 16 Глава 2. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ

ИССЛЕДОВАНИЙ 18

2.1 Выбор схемы резания и геометрии инструмента 18

2.2 Применяемое оборудование и оснастка 19

2.3 Инструментальные и обрабатываемые материалы 20

2.3.1 Используемые твердые сплавы и1режупщй инструмент 20

2.3.2 Исследуемые стали 21

2.4 Определение основных характеристик процесса резания 24

2.4.1 Определение длины контактных участков, усадки

стружки и сил резания 24

2.4.2. Оценка температуры резания по термоЭДС методом естественной термопары 26

2.4.3. Получение корней стружек, приготовление микрошлифов 28

2.4.4 Методика исследования микрошлифов, изношенных поверхностей инструмента, поверхностей резания и стружек 34

2.5 Методика проведения стойкостных испытаний 36

2.6 Оценка точности измерений экспериментальных данных 37

2.7 . Виды и характеристика используемых твердых смазок 42

Глава 3 ОСОБЕННОСТИ СТРУЖКООБРАЗОВАНИЯ И КОН-

ТАКТНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПРИ ПРЕРЫВИСТОМ РЕЗАНИИ С ПРИМЕНЕНИЕМ ТВЕРДЫХ СМАЗОК 44

3.1. Общие закономерности контактного пластического

деформирования 44

3.2.Особенности контактного пластического деформирования при прерывистом резании с применением твердых смазок 46

3.3 Влияние твердых смазок на процессы пластического

деформирования в зоне стружкообразования 70

3.4. Влияние твердых смазок на основные характеристики

прерывистого резания 83

3.4.1. Длина контакта по передней поверхности 86

3.4.2. Угол сдвига, усадка стружки и силы резания 88

Выводы 93

Глава 4. ВЛИЯНИЕ ТВЕРДЫХ СМАЗОК НА ИЗНОС И РАБО-ТОСПОСБНОСТЬ ТВЕРДОСПЛАВНОГО ИНСТРУМЕНТА ПРИ ПРЕРЫВИСТОМ РЕЗАНИИ 96

4.1. Температурные особенности прерывистого резания и влияние на них твердых смазок 97

4.2. Влияние твердых смазок на характер и интенсивность износа по передней поверхности 110

4.2.1. Особенности износа передней поверхности при прерывистом резании 110

4.2.2. Механизмы износа по передней поверхности 117

4.3.Влияние твердых смазок на характер и интенсивность износа по задней поверхности 124

4.3.1. Особенности износа задней поверхности при прерывистом резании 124

4.3.2. Особенности износа твердых сплавов с различными характеристиками при использовании твердых смазок 136

4.4. Влияние твердых смазок на износ инструмента при

различных условиях выхода 142

4.5. Влияние твердых смазок на работоспособность инструмента с износостойкими покрытием 148

4.5.1. Особенности износа инструмента с покрытием при прерывистом резании 148

4.5.2. Влияние твердых смазок на работоспособность твердых сплавов с различной толщиной покрытия и типом матрицы 152

4.6. Влияние различных видов твердых смазок на работоспособность твердых сплавов при прерывистом резании 165

Выводы 166

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЫ 170

ЛИТЕРАТУРА 172

ВВЕДЕНИЕ

Во всех отраслях промышленности, связанных с обработкой металлов, повышение производительности и снижение себестоимости в значительный мере определяется повышением эффективности самого процесса механической обработки, т.е. процесса резания металлов.

Сейчас можно считать установленным, что именно процессы контактного взаимодействия инструментального и обрабатываемого материала по передней и задней поверхностям определяют основные фундаментальные характеристики любого процесса механической обработки, а именно: усилия резания, интенсивность износа инструмента и, как следствие, производительность и себя себестоимость обработки.

Причем данное обстоятельство наиболее актуально для процессов прерывистого резания, так как износ инструмента в этом случае значительно выше, а надежность работы значительно ниже, чем износ и надежность инструмента в условиях стационарного непрерывного резания.

В связи с этим, целесообразно детально рассмотреть механизмы контактного взаимодействия при прерывистом резании и переосмыслив имеющиеся факты, предложить кардинальные технологические решения по совершенствованию технологии механической обработки.

Причем, имеет смысл искать наиболее общие принципы и идеи, которые помогли бы понять и научиться управлять процессами контактного взаимодействия при прерывистом резании, с использованием широкого класса обрабатываемых и инструментальных материалов с различными физико-механическими свойствами.

Следует отметить, что хотя некоторые эксперименты и расчеты выполнены для конкретных обрабатываемых и инструментальных материалов при вполне определенных режимах резания, это не снижает общности идей и принципов, разрабатываемых в данной работе.

Поэтому на наш взгляд следует признать, что изучение механизмов контактного взаимодействия при прерывистом резании с целью установления принципиально новых технологических решений по интенсифика-

ции процессов прерывистого резания, является важной научно-технической проблемой.

В связи с этим, общей целью настоящей работы является интенсификация процессов прерывистого резания на основе анализа механизмов контактного взаимодействия и прежде всего, как показал анализ литературных данных, с использованием различного рода смазывающих веществ.

Порядок решения поставленной в диссертации задачи следующий:

Глава I - обзор литературы и постановка задач исследований.

Глава'II - методика проведения экспериментальных исследований.

Глава III - особенности стружкообразования и контактного взаимодействия при прерывистом резании с применением твердых смазок.

Глава 1У - влияние твердых смазок на износ и работоспособность твердосплавного инструмента при прерывистом резании.

1 Анализ литературных данных и постановка задач

исследований.

1.1 Анализ литературных данных.

Общепризнанным является факт повышенного износа твердосплавного инструмента при прерывистом в сравнении с установившимся непрерывным резанием. Различные исследователи видят следующие основные причины этого явления.

¡.Ударный характер нарастания нагрузки на передней поверхности в момент врезания, вызывающий микро- и макросколы режущей кромки в результате возникновения растягивающих напряжений по передней поверхности [2,22,37].В качестве подтверждения приводится наличие на передней поверхности трещин параллельных режущей кромке [ 3 ].

Причиной образования подобных трещин может быть как недостаточная прочность твердого сплава (устраняется заменой менее прочной марки на более прочную), так и вызванная высокой температурой и высокими нормальными давлениями пластическая деформация режущего клина. Это явление характерно для прочных твердых сплавов и для высоких скоростей резания. При точении следствием пластичности режущего клина является формирование контактной площадки на задней поверхности без ее износа [18], а при фрезеровании, когда деформация достигает предельных значений возможен скол режущей кромки [67].

2. Ударный характер нарастания нагрузки по задней поверхности в момент выхода режущего зуба из обрабатываемой заготовки [5,45,46]. При этом удар возникает в связи с резким снятием нагрузки со стороны передней поверхности при разрыве стружки с обрабатываемым материалом. Как и в первом случае, это мнение подтверждается наличием трещин находящихся на площадке износа и параллельных режущей кромке. Кроме того, проведенные расчеты показывают, что величина растягивающих напряжений при этом в 1,3... 1,6 раз выше, чем в момент входа.

3. Трещинообразование, связанное с возникновением растягивающих напряжений, превышающих предел прочности твердого сплава на растя-

жение, во время холостого хода [10,11,12]. Такой уровень растягивающих напряжений может возникать из-за большого температурного перепада во время рабочего и холостого ходов. Особенно ярко это проявляется для сплавов высокой твердости и сплавов с покрытием при высоких скоростях резания и обработке с охлаждением.

4. Микроразрушение контактных поверхностей инструмента и микрообъемов режущей кромки в моменты отделения стружки и ее контактной зоны от инструмента в конце рабочего хода [3,4,5,31]. Интенсивность износа в эти моменты зависит от степени адгезионного взаимодействия обрабатываемого и инструментального материалов и от их прочности. Другим вариантом разрушения, связанным с адгезионными явлениями может быть разрушение, когда стружка остается на передней поверхности инструмента. В этом случая разрушение может происходить по двум механизмам. Во первых при новом врезании в обрабатываемый материал, когда начальный контакт происходит не с передней поверхностью инструмента, а с приваренной к ней стружкой [4,31]. А во-вторых во время холостого хода, когда при быстром остывании, за счет разницы в коэффициентах температурного расширения твердого сплава и обрабатываемого материала возникают большие растягивающие напряжения на передней поверхности твердого сплава, что приводит к его растрескиванию. Такой механизм описан в работе [44].

5. Регулярный износ во время рабочего хода, аналогичный износу при установившемся резании и протекающий в зависимости от конкретных условий обработки по различным механизмам (абразивный, адгезионно -усталостный, диффузионный). Как показывают исследования в течение одного рабочего хода возможно протекание износа по всем этим механизмам по мере нарастания температуры и смены видов контактного взаимодействия [67]. Регулярный износ, проявляющийся в росте площадки износа по задней поверхности, глубины и размеров лунки по передней поверхности, усугубляет действие всех факторов характерных для прерывистого резания: увеличение ударной нагрузки в связи с ростом сил резания; рост степени пластической деформации из-за увеличения температуры резания.

Эти факторы, а также ослабление режущего клина в результате регулярного износа , могут привести и, как правило приводят, к сколу режущей кромки.

Проведенный анализ причин повышенного износа инструмента при прерывистом резания показывает насколько более сложной является работа инструмента в этих условиях. Далее рассмотрим и проанализируем возможные способы, рекомендуемые для повышения работоспособности твердосплавного инструмента при прерывистом резании.

Как показывает анализ литературных данных для повышения стойкости фрезерного и другого инструмента, работающего в условиях прерывистого резания наиболее часто предлагается смещение фрезы относительно обрабатываемой заготовки [27, 36, 45, 53, 55, 59, 89]. При этом, по мнению одних авторов, причиной является изменение условий ударного взаимодействия при входе и выходе инструмента [45, 55, 89]. Другие же считают главной причиной изменение (уменьшение) адгезионного взаимодействия между контактной зоной на стружке и контактными поверхностями инструмента, что имеет место при смещении фрезы, когда толщина срезаемого слоя на выходе стремится к нулю [3, 4, 5, 50]. Соглашаясь с приводимыми авторами в том, что касается эффекта от смещения фрезы, следует отметить, что в реальных производственных условиях реализовать эти рекомендации достаточно сложно, а часто и не возможно.

Другим предложением по снижению адгезионного взаимодействия является идея Г.С.Андреева об установке на выходе из заготовки пластины из хрупкого материала не склонного к адгезионному схватыванию (например чугун), которая способствует безболезненному уносу контактных зон с передней и задней поверхностей инструмента [6]. Данный автор, являясь сторонником адгезионных явлений как основной причины износа и отмечая эффект от применения такой пластины на выходе, в то же время отмечает, что установка чугунной накладки со стороны входа инструмента в заготовку не вызывает изменений в работоспособности инструмента и характере разрушения его режущей части.

Как и в предыдущем случае, следует отметить, что предлагаемый способ в большинстве случаев реализовать в производственных условиях также сложно.

Сторонники главной роли ударных явлений в повышенном износе инструмента также предлагают различные способы повышения работоспособности инструмента . Например, авторы [54] предлагают конструкцию сборной торцевой фрезы с упругими демпфирующими элементами, которые снижают уровень динамических нагрузок путем рассеивания кинетической энергии удара. Использование в качестве упругих демпферов резиновых буферов или пружин сжатия, позволяет резко снизить скорость режущего зуба при входе в обрабатываемый материал (в сравнении со скоростью резания) и избежать ударного нарастания нагрузки. Однако, по поводу этого предложения надо отметить, что предлагаемая конструкция достаточно сложна и поэтому возникают сомнения в ее надежной работе.

Кроме того, есть и другие предложения по повышению работоспособности инструмента в условиях прерывистого резания. Среди них такие как создание наклепанного или термически обработанного слоя на участке выхода инструмента [3], резание предварительно нагретого металла [87], возбуждение высокочастотных вибраций в плоскости передней поверхности инструмента [35], введение в зону резания газообразных или распыленных СОЖ, а также сухих смазок [3,7,77].

Наиболее перспективным по мнению автора является последний способ, т.е. использование различного рода сред, которые попадая в зону контакта тем или иным способом, снижают интенсивность износа. При этом понятие смазок следует рассматривать предельно широко. Это и жидкие СОЖ, которые подаются в зону резания свободным "поливом", под давлением с высокой скоростью, в распыленном виде, подача сжатого воздуха и газов, подача в виде микрокапсул и в сухом виде[24,25]. Сюда также следует отнести попытки микролегирования контактных поверхностей инструмента веществами снижающими или блокирующими адгезионное взаимодействие и снижающими коэффициент трения, например использование для этой цели двуокиси титана (ТЮ2)[108]. Сплавы с покрытием можно

считать одним из результатов таких экспериментов, т. к. в качестве покрытий обычно используют химически инертные не склонные к адгезионному взаимодействию вещества. И наконец, существуют способы микролегирования обрабатываемых материалов с целью улучшения их обрабатываемости. При этом улучшение обрабатываемости может происходить как за счет изменения физико-механических свойств, так и за счет влияния вводимых добавок на протекание контактных процессов [1,9,40,60].

Проведем сравнительный анализ эффективности всех этих способов

1. Применение жидких смазок.

При прерывистом резании применение жидких смазок (как и других видов смазок) с точки зрения их проникновения в контактную зону значительно эффективней чем при установившемся резании. Это, очевидно, связано с самой кинематикой процесса, когда во время холостого хода смазка легко попадает на контактные поверхности инструмента. В отличие от прерывистого резания при установившемся, в диапазоне реально применяемых для твердого сплава скоростей резания, как показано [87] смазка не попадает на большую часть контакта. Об этом свидетельствуют авторадиограммы корней стружек, полученных при резании с СОЖ в составе которой имелись радиоактивные изотопы. Таким образом, при установившемся резании действие СОЖ имеет в основном охлаждающий эффект. При этом по другим представлениям [24] в зонах контакта с наиболее развитой адгезией (в зоне пластического контакта и на участке лунки) имеет место дискретность контакта, за счет чего и имеет место проникновения СОЖ и проявление смазочного эффекта. Данный эффект реализуется за счет образования на контактных поверхностях химических пленок, главным образом окисных пленок.

Однако, как показывают многочисленные исследования применение жидких СОЖ при прерывистом резании ограничено [3, 11, 12, 13, 14]. Прежде всего, этого связано с тем, что интенсивное охлаждение твердых сплавов водными растворами (такие СОЖ имеют наибольшую теплоемкость) вызывает появление растягивающих напряжений в объемах твердого сплава, находящихся непосредственно под контактной поверхностью, что

способствует разрушению режущей части в результате трещинообразова-ния [8]. Применение, да и то лишь ограниченное, находит СОЖ на масляной основе, для которых характерны преобладание смазывающего эффекта и минимальная охлаждающая способность