Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.
Основными тенденциями развития режущего инструмента, в том числе и на предприятиях-производителях изделий ракетно-космической техники, является увеличение количества сборных инструментов со сменными многогранными пластинами (СМП), а также нанесение износостойких покрытий для повышения производительности обработки и стойкости инструмента. Это делает актуальным разработку расчетной методики для определения параметров изнашивания сборных твердосплавных резцов с современными износостойкими покрытиями.
Результаты исследований, направленных на разработку, исследование и применение режущих твердосплавных инструментов с износостойкими покрытиями, приведены в большом количестве научных и учено-методических источниках, среди которых, например, [1–3]. Освещены вопросы по выбору твердосплавной основы, составу, количеству и толщине слоев, свойствам, областям и режимам применения, методам нанесения покрытий на контактные поверхности инструментов и др. В частности, отмечено, что износостойкое покрытие можно рассматривать как некоторую промежуточную технологическую среду между инструментальным и обрабатываемыми материалами. Обоснована концепция применения многослойно–композиционных покрытий, у которых: наружный слой выполняет основную функцию повышения износостойкости; промежуточный (переходный) слой служит барьером тепловым потокам и диффузии, и нивелирует разницу в свойствах наружного и адгезионного слоев; адгезионный слой (подслой) обеспечивает необходимую прочность сцепления покрытия с инструментальным материалом.
Вместе с тем, механизм и количественные соотношения процесса изнашивания твердосплавных инструментов с износостойкими покрытиями изучен в основном экспериментально. Расчетные зависимости не доведены до уровня, который позволяет оценить изменение показателей износа во времени для заданных условий и режимных параметров обработки.
В работах автора [4–6] предложено использовать автоматизированный расчет скорости изнашивания, величины износа, стойкости инструмента. В основу автоматизированного расчета взята модель стружкообразования с «условной плоскостью сдвига», положение которой по отношению к направлению скорости резания задано углом сдвига. Использована зависимость для расчета среднего значения угла сдвига, учитывающая влияние параметров срезаемого слоя и упругих свойств обрабатываемого и инструментального материалов.
Контактные давления найдены через силы резания и площади контакта на поверхностях лезвия с учетом общепринятых эпюр их распределения. Силы, действующие на задней поверхности, определены через контактные давления и средний коэффициент трения. Суммарные составляющие силы резания учитывают действие сил со стороны передней и задней поверхностей.
В расчетах непосредственное влияние износостойкого покрытия учтено через поправочные коэффициенты на коэффициент укорочения (утолщения) стружки и коэффициент трения на задней поверхности инструмента.
Разупрочнение под действием температуры для различных марок обрабатываемых материалов учтено по результатам испытаний, приведенным в справочной литературе. Для каждой марки обрабатываемого материала было подобрано свое уравнение, аппроксимирующее влияние температуры. Разупрочнение инструментальных материалов также учтено при моделировании процесса.
Для теплофизического расчета рассмотрены источники теплоты: деформации в зоне стружкообразования, трения на передней и задней контактных площадках. Определены интенсивности итоговых тепловых потоков по передней и по задней поверхностям, и температуры деформации (на поверхности сдвига), на передней поверхности, на задней поверхности. Температура резания отражает усредненный вклад температур контактных площадок.
Изменение температуры на контактной площадке пропорционально тепловому потоку и толщине покрытия. Учитывая, что толщина покрытия на несколько порядков меньше толщины СМП, в расчетах в качестве теплофизического параметра использован коэффициент теплопроводности твердого сплава – основного инструментального материала.
Для выбранной пары «инструментальный — обрабатываемый материал» влияние режимных параметров сказывается через изменение температуры резания и связанное с ней изменение физических параметров материалов.
Установленные количественные связи и внутренние аппроксимации физической модели позволяют дать характеристику процесса изнашивания задней поверхности инструмента с использованием показателя: скорость изнашивания в направлении вектора скорости резания (тангенциальная) Int, мм/мин. Для расчета скорости изнашивания и величины износа инструмента использован обобщенный параметр, справедливость применения которого подтверждена для различных групп обрабатываемых материалов в монографии [4]. В качестве обобщенного параметра предложено отношение скорости резания к твердости изнашиваемой поверхности инструмента как функции температуры резания: x = v/HV(Tp), где v — скорость, м/с, HV— твердость по Виккерсу как функция температуры, МПа. Функционально скорость изнашивания связана с обобщенным параметром Int = f(x) в виде степенных уравнений для отдельных групп обрабатываемых материалов.
Накопленная база аппроксимирующих уравнений твердости от температуры может быть расширена для новых экспериментальных данных по твердым сплавам и износостойким покрытиям. В частности, в статье [7] приведены экспериментально полученные зависимости «твердость износостойкого покрытия — температура» для некоторых используемых на практике износостойких покрытий. Температурные зависимости твердости, МПа, аппроксимированы полиномиальным уравнением.
Экспериментальные зависимости по точению твердосплавными резцами с износостойкими покрытиями заготовок из конструкционных сталей показывают, что с увеличением износа до значений мм отмечается резкое увеличение интенсивности износа [7]. Таким образом, в качестве максимально допустимой величины износа по задней поверхности инструмента следует принять значение 0,1 мм.
Проведен анализ для условий точения заготовок канавочными сборными твердосплавными резцами по расчетной схеме свободного прямоугольного резания с базовыми условиями: заготовка из коррозионностойкой стали марки 12Х18Н10Т, передний угол резца 10 град, задний угол 8 град, радиус округления кромки 0,01 мм, ширина канавки 2 мм, подача 0,2 мм. В качестве основного инструментального материала принят твердый сплав марки ВК6, базовым принято покрытие AlCrN. Рассмотренная схема актуальна, в частности, для целого ряда деталей ракетно-космической техники, на поверхностях которых имеются радиальные или торцевые канавки различных типов и конфигурации.
По результатам проведенного анализа подтверждены известные экспериментальные данные по существенному влиянию температуры резания на стойкость твердосплавного инструмента с износостойкими покрытиями. Для каждого покрытия существует своя предельная температура, непосредственно связанная со скоростью резания.
В таблице даны значения температуры резания, при которой стойкость твердосплавных канавочных резцов с износостойкими покрытиями составляет 10 мин. Отмеченные температуры являются предельными для соответствующих покрытий. Повышение скорости резания приводит к росту температуры выше указанных в таблице значений и существенному падению стойкости инструмента.
Скорость и температура резания для 10-минутной стойкости инструмента
Покрытие | Скорость резания v, м/мин | Температура резания Tp, оС |
AlCrN | 255,0 | 1135 |
TiALN | 152,3 | 935,8 |
AlTiN | 165,2 | 964,7 |
TiCN | 102,8 | 809,6 |
Имея расчетные значения стойкости твердосплавных резцов с износостойкими покрытиями, можно планировать и проводить трудоемкие стойкостные эксперименты только как проверочные и уточняющие.
Скорость резания для твердосплавных резцов с современными многослойными износостойкими покрытиями может быть повышена в 2–3 раза по сравнению с резцами без покрытий. Рассмотренная расчетная методика позволяет количественно определить рациональные режимные параметры для твердосплавных инструментов с износостойкими покрытиями, в частности, при обработке деталей из коррозионностойких сталей и сплавов.
