Об изменении состояния режущих кромок концевых фрез в процессе резания icon

Об изменении состояния режущих кромок концевых фрез в процессе резания




Скачати 166.37 Kb.
НазваОб изменении состояния режущих кромок концевых фрез в процессе резания
Дата28.07.2012
Розмір166.37 Kb.
ТипДокументи

Об изменении состояния режущих кромок

концевых фрез в процессе резания


В А. Залога, д-р техн. наук;

Д.В. Криворучко, канд. техн. наук;
С.С. Некрасов;
Л.В. Голобородько,


Сумский государственный университет, г. Сумы


Експериментально встановлено та теоретично доведено, що на відміну від процесу точіння при фрезеруванні стан різальної кромки безупинно інтенсивно змінюється. Це проявляється у періодичному збільшенні радіуса її округлення в результаті накопичення в ній пошкоджень і руйнуванні шляхом викрашування. Тому ресурс монолітних твердосплавних кінцевих фрез залежить від початкового радіуса округлення їх різальних кромок у значно більшому ступені, ніж інших інструментів.

Ключові слова: кромка, радіус заокругления різальної кромки, кінцеве фрезерування, аустенітна сталь.


Экспериментально установлено и теоретически доказано, что в отличие от процесса точения при фрезеровании состояние режущей кромки непрерывно интенсивно изменяется. Это проявляется в периодическом увеличении радиуса ее округления в результате накопления в ней повреждений и разрушений путем выкрашивания. Поэтому ресурс монолитных твердосплавных концевых фрез зависит от начального радиуса округления их режущих кромок в значительно большей степени, чем других инструментов.

Ключевые слова: кромка, радиус округления режущей кромки, концевое фрезерование, аустенитная сталь.

Введение


Повышение производительности обработки является актуальной задачей для многих машиностроительных предприятий. Это может быть достигнуто за счет применения новых высокопроизводительных инструментов на основе прогрессивных инструментальных материалов (например, мелкозернистых твердых сплавов) и современных износостойких покрытий. Однако для случаев обработки труднообрабатываемых материалов, например нержавеющих сталей, прогрессивные инструменты не всегда обеспечивают требуемую для их эффективного применения стойкость. Относительно плохие экономические показатели инструментов в этом случае существенно ограничивают их внедрение в промышленность.

Характерным случаем является концевое фрезерование пазов в деталях из литейных нержавеющих сталей аустенитного класса, например марки 12Х18М3ТЛ. Производственные испытания цельных твердосплавных концевых фрез из мелкозернистого сплава группы ВК с покрытием TiAlN показали в одинаковых условиях существенное снижение стойкости этих фрез при обработке стали указанной марки по сравнению со сталью 20Х13 при использовании режимов резания, рекомендуемых производителем фрез. Было установлено, что при фрезеровании стали 12Х18М3ТЛ имеет место интенсивное выкрашивание режущих кромок, возрастание радиусов округления режущих кромок и, как следствие, сил резания. В конечном итоге все это приводило к преждевременной поломке фрезы.

Наблюдаемое непрерывное увеличение радиусов округления режущих кромок  в процессе работы фрезы не совпадает с общепринятым представлением о стабилизации значения . В настоящее время считается доказанным, что независимо от качества затачивания инструментов в процессе точения радиус округления режущей кромки изменяется, приближаясь в конце периода приработки к своему установившемуся значению. Для твердых сплавов это значение составляет около 20 мкм
[198 1]. Отмечается, что интенсивность изнашивания режущего инструмента, а также период приработки можно уменьшить путем создания радиуса округления режущей кромки мкм [125110 2]. Механизм адаптации режущей кромки к условиям резания в результате изнашивания исследован в работе Наумова В. А. [266 3].

Поэтому целью настоящей работы является изучение кинетики изменения состояния режущей кромки в процессе фрезерования и выявление основных механизмов, определяющих непрерывное изменение ее состояния.

Режущая кромка на лезвии любого инструмента является результатом пересечения двух поверхностей, в частности передней и задней, и теоретически должна представлять собой линию. Контур этой линии, т.е. форма режущей кромки, определяется взаимным расположением и формами пересекающихся поверхностей. Вместе с тем реальная режущая кромка всегда является не линией, а переходной поверхностью, как правило, неправильной геометрической формы, которую с большей или меньшей ошибкой принято отождествлять с поверхностью, которая в нормальном сечении имеет форму дуги с некоторым радиусом [4].

Примем значение радиуса округления режущей кромки перед началом работы инструмента в качестве начального радиуса округления режущей кромки и обозначим его 0. Величина этого радиуса формируется при заточке лезвия и в определяющей мере зависит от условий проведения заточки. Радиус режущей кромки в некоторый момент времени работы инструмента обозначим .
^

Экспериментальные исследования

Методика эксперимента. Эксперимент проводился на вертикально-фрезерном станке 6Н13Ф3 с системой ЧПУ WL4M (рис. 1). Использовалась фреза GUEHRING 3677 диаметром 16 мм. Материал инструмента DK460UF (однокарбидный твердый сплав, Co 10%, размер зерна карбида 0.5 мкм) Осуществлялась обработка нержавеющей стали аустенитного класса 12Х18Н12М3ТЛ. Режим резания соответствовал режиму, рекомендуемому производителем: скорость резания
V=50.3 м/мин, S
z=0.04 мм/зуб, n=1000 об/мин, Sм=120 мм/мин. С целью исключения вибраций ширина фрезерования была выбрана равной
B=5 мм.


Измерение радиуса округления режущей кромки фрезы проводилось через определенные промежутки времени работы инструмента в зависимости от пройденного пути резания. Измерение проводилось методом сканирования режущей кромки со стороны задней поверхности [5] на растровом электронном микроскопе РЭМ100-УМ. Характерные фотографии режущей кромки показаны на рис. 2. Температура резания оценивалась по цветам побежалости стружки.

Результаты эксперимента. Результаты измерений показывают (рис. 3, точки), что радиус округления режущей кромки непрерывно ступенчато увеличивается. Причем после ступенчатого мгновенного возрастания наблюдается медленное равномерное уменьшение радиуса режущей кромки. Увеличение радиуса округления режущей кромки приводит к непрерывному увеличению температуры резания от 400 до 600 С. В тоже время этот уровень температуры резания еще не сопровождается интенсификацией процесса изнашивания и образованием на задней поверхности существенной фаски износа. Величина фаски износа на задней поверхности после окончания приработки (через 150 мм пути обработки) составила около 0.1 мм и оставалась практически постоянной до 1200 мм пути обработки.




Стол


Рисунок 1 – Наладка станка 6Н13Ф3 в экспериментальных исследованиях

а) б)



Рисунок 2 - Режущая кромка новой фрезы (а)
и изношенной фрезы (через 400 мм пути резания) (б)





Рисунок 3 –Изменение радиуса округления режущих кромок фрезы GUEHRING 3677 диаметром 16 мм в зависимости от пройденного пути обработки при фрезеровании стали 12Х18Н12М3ТЛ: n=1000 об/мин, Sм=120 мм/мин, B=5 мм


На наш взгляд, наблюдаемая картина свидетельствует о следующем. Мелкозернистый твердый сплав имеет высокую износостойкость, что и обеспечивает постоянство фаски износа на задней поверхности после окончания периода приработки в течение длительного времени. Наряду с наблюдаемым изнашиванием происходит изменение радиуса округления режущей кромки, особенно в начальный период ее работы. Такое изменение ρ в первую очередь можно объяснить выкрашиванием режущей кромки. В результате последующего изнашивания лезвия происходит адаптация поверхности режущей кромки к сложившимся условиям резания. Дальнейшее накопление повреждений в поверхности режущей кромки приводит к последующим сколам, дальнейшему увеличению радиуса округления режущей кромки, выведению системы из равновесия и ее постепенной адаптации к новым условиям. Этот процесс повторяется циклически, постепенно ухудшая условия резания, увеличивая температуру резания, силу резания, контактные напряжения и интенсивность изнашивания. Он происходит до тех пор, пока интенсивность изнашивания поверхности режущей кромки не превысит интенсивность ее скалывания. При достижении этого условия формирование состояния режущей кромки будет определяться преимущественно ее изнашиванием, а не разрушением.

Таким образом, изменение режущей кромки в процессе резания происходит в результате действия двух конкурирующих механизмов: выкрашивания из-за накопления материалом режущей кромки предельного количества повреждений (1) и непрерывного изнашивания (2), стремящегося адаптировать режущую кромку под сложившиеся условия резания. Если превалирует первый процесс – происходит ступенчатое изменение режущей кромки, если превалирует второй – происходит адаптация формы режущей кромки под сложившиеся условия и радиус округления режущей кромки поддерживается в процессе резания практически постоянным. Для фрезерования материалов с высокой степенью упрочнения характерен именно первый случай, поскольку высокая амплитуда напряжений в режущей кромке способствует быстрому накоплению в ней предельного количества повреждений и выкрашиванию. Это обстоятельство было доказано путем конечно-элементного моделирования процесса резания.
^

Модельные исследования


Методика моделирования. Моделирование стружкообразования за 1 цикл срезания припуска зубом фрезы реализовано методом конечных элементов в главной секущей плоскости, что соответствует схеме плоской деформации. Общая методология описана в работах [6,7]. Рассматривается термомеханическое деформирование обрабатываемого материала режущим лезвием в условиях больших пластических деформаций с учетом теплового и скоростного факторов.

В работе применен решатель LS-DYNA. Расчет формы стружки, напряженно-деформированного состояния реализован итерационным методом явного интегрирования уравнений движения с параллельным вычислением температурного поля с периодической модификацией свойств материалов.

Модель обрабатываемого материала задавалась моделью пластически деформируемого тела, способного к разрушению, следующими параметрами:

  • теплофизические свойства:

    • предел текучести σ0,2 - 220Мпа;

    • предел прочности при растяжении σв - 450 МПа;

    • относительное удлинение δ5 - 25%;

    • относительное сужение ψ - 30%

    • удельная теплоемкость С - 462 Дж/(кг•0С);

    • теплопроводность λ - 16 Вт/(м•0С);

    • плотность ρ - 8000 кг/м3;

  • упругие константы:

    • модуль Юнга Е – 193 ГПа;

    • коэффициент Пуассона v - 0,25;

  • определяющее уравнение:

,(1)

где – пластическая деформация;

– скорость пластической деформации;

– текущая температура;

  • уравнение пластичности:

(2)

где – предельная величина накопленных пластических деформаций;

;

 – гидростатическое давление;

– эквивалентные напряжения по фон Мизесу.

Модель инструментального материала задавалась в форме модели абсолютно упругого тела параметрами:

  • теплофизические свойства:

    • предел прочности при изгибе σ - 1600 МПа;

    • плотность ρ – 11200 кг/м3;

  • упругие константы:

    • модуль Юнга Е – 580 ГПа;

    • коэффициент Пуассона v - 0,29.

Модель контактного взаимодействия была принята в форме закона
M.C. Shaw, параметры которого были определены из предварительных экспериментов по трению методом вдавливания вращающегося сферического индентора [8]:

Моделирование выполнялось для случая фрезерования цельной твердосплавной фрезой диаметром 16 мм из однокарбидного твердого сплава. Скорость резания м/мин, подача  мм/зуб. Геометрия инструмента задавалась передним углом , задним углом , величиной фаски износа hz и радиусом округления режущей кромки .

Известно, что фрезерование   это процесс резания с переменной толщиной среза. Поэтому расчетная схема в данной работе была модифицирована по сравнению с расчетной схемой для моделирования ортогонального резания с постоянной толщиной среза, представленной в работах [6,7]. Рассматривая худший случай встречного фрезерования с глубиной резания, равной половине диаметра фрезы, срезаемый слой был представлен слоем с непрерывно возрастающей толщиной от 0 до , максимальная величина которой в конце цикла была принята равной подаче (рис. 4).

Эта расчетная схема была реализована граничными условиями, которые представлены жестким закреплением основания изначально прямоугольной заготовки (рис. 5). Нагрузки прикладывались к инструменту его перемещением со скоростью резания в направлении -Z и перемещением, равным величине подачи на зуб фрезы на длине пути резания L в направлении -Y. Тепловые граничные условия определяли процесс сухого резания [6].




^ Рисунок 4 - Расчетная схема



Рисунок 5 – Граничные условия


Параметры решателя задавались в соответствии с рекомендациями работы [7]. Минимальный размер ребра конечных элементов заготовки был принят 2 мкм, минимальный размер ребра конечных элементов инструмента был принят 0,7 мкм. Столь малый размер конечных элементов инструмента необходим для получения достоверного поля напряжений в области режущей кромки. Однако решение в этом случае требует значительного времени (сотни часов). Для сокращения времени расчета был использован прием, суть которого заключается в следующем: первоначально инструмент определяется как абсолютно жесткое тело. Размер ребер КЭ сетки заготовки задается в 2-3 раза большим, чем необходимо. Выполняется расчет на всей длине резания зуба за один цикл и определяется температурное поле и общие контуры стружки. При таком подходе время расчета сокращается в 10-20 раз. Далее выбираются 4-5 расчетных точек (см. рис. 4), в которых полученное укрупненное решение, которое уточняется на относительно небольшой длине пути резания (примерно 1-2%L) путем выполнения расчета с требуемым размером КЭ сетки и принятием в качестве начальных условий данных, полученных из укрупненного решения. Усредняя данные за последние 10 итераций, определяются поля напряжений и температур. Общее время решения задачи сокращается в 4-5 раз.
^

АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ


Величина радиуса округления режущей кромки в заданный момент времени определялась аппроксимацией предполагаемой границы разрушения лезвия цилиндром. Будем считать, что лезвие находится в состоянии изгиба с преобладающим объемом сжимаемых слоев. Расчеты показывают, что в цикле резания амплитуда напряжений превышает предельные величины именно в сжимающихся слоях, что способствует накоплению в них достаточных для разрушения повреждений. Поэтому будем считать, что наиболее вероятной границей разрушения лезвия является граница наибольших значений минимальных главных напряжений 3. Наиболее вероятную границу минимальных главных напряжений определим изолинией с величиной напряжений, равной 95% от максимальных, допуская при этом 5% неопределенность величины этих напряжений. Такая аппроксимация для лезвий с четырьмя начальными радиусами показана на рисунке 6.

Амплитудные значения напряжений 3 экстремально зависят от радиуса округления режущей кромки с минимумом в рассматриваемом случае около 20 мкм (рис. 7). Это объясняется благоприятным сочетанием величины силы резания, длины контакта стружки на передней поверхности и формы сечения режущего лезвия, что в совокупности обеспечивает наименьшие напряжения.

Обработка результатов моделирования показывает, что формируемая после разрушения лезвия поверхность режущей кромки будет иметь радиус округления кон, больше начального радиуса режущей кромки 0 (рис. 8). Для данного твердого сплава кон/ в среднем находится в пределах 3-4. Этот эффект наблюдается для лезвий с начальным радиусом округления больше 10 мкм. При меньших начальных радиусах величина кон практически не зависит от .





Область 5%неопределенности максимальных главных напряжений

Рисунок 6 – Поля максимальных главных напряжений в главной секущей плоскости при максимальной толщине среза для лезвий с четырьмя начальными радиусами и определение нового радиуса округления лезвия аппроксимацией поверхности разрушения цилиндром




^ Рисунок 7 – Влияние начального радиуса округления режущей кромки  на амплитуду минимальных главных напряжений 3 в цикле резания



Рисунок 8 – Влияние величины начального радиуса округления режущей кромки  на величину радиуса округления режущей кон кромки после разрушения лезвия в заданных условиях

Интерес представляет количество циклов резания до разрушения лезвия при заданном начальном радиусе округления режущей кромки. Эту задачу можно решить, основываясь на теории накопления повреждений и экспериментальной зависимости количества циклов до разрушения от амплитуды сжимающих напряжений в ассиметричном цикле нагружения для однокарбидного твердого сплава, представленных в работе [9]. Определенные по графику кривых усталости инструментальных материалов работы [9] количества циклов до разрушения при различных начальных радиусах округления режущей кромки представлены в таблице 1. Видно, что с увеличением  количество циклов до разрушения увеличивается, что свидетельствует об увеличении стойкости инструмента при прочих равных условиях.


Таблица 1 – Количество циклов до разрушения N и величина конечного радиуса округления  в зависимости от начального радиуса округления режущей кромки кон

ρ, мкм

σ3, ГПа

N

ρкон, мкм

5

2.8

800

5

10

2.6

1500

45

20

2.2

8000

75

40

2.5

1100

120

Вместе с тем более чем трехкратное увеличение радиуса округления после разрушения лезвия приводит к существенному увеличению силы резания. В случае фрезерования чрезмерная величина силы резания вызывает относительно большие напряжения в рабочей части и, следовательно, поломку фрезы. В результате наибольший ресурс будет иметь фреза с таким начальным радиусом округления, который обеспечит наибольшее количество циклов резания до достижения предельного значения радиуса округления режущего лезвия. Это положение принято в данном исследовании как критерий отказа.

Таким образом, на основании представленных в данной работе экспериментальных исследованиях можно принять положение о том, что изменение радиуса округления при фрезеровании в условиях высокой износостойкости твердого сплава происходит ступенчато. Когда лезвие с заданным начальным радиусом округления выработало свой ресурс, происходит его разрушение и формируется поверхность округления с новым радиусом, имеющим большую величину (рис. 8). Новое лезвие продолжает работу и, мало изнашиваясь, сохраняет сформированный радиус округления в течение относительно большого времени работы инструмента. Через определенное количество циклов резания режущая кромка снова начинает разрушаться с увеличением радиуса ее округления. Так продолжается до тех пор, пока не будет достигнуто предельное значение радиуса округления режущей кромки, приводящее к поломке рабочей части фрезы.

Основываясь на этом представлении о работе режущих лезвий фрез и принятом критерии отказа, были рассчитаны суммарные количества циклов резания до достижения предельного радиуса округления режущей кромки для лезвий с различным начальным радиусом округления режущей кромки (рис. 9). Анализ полученных результатов позволяет сделать вывод о том, что для описанных условий наибольший ресурс (количество циклов резания) обеспечивает начальный радиус округления режущей кромки, равный 20 мкм. Как меньшие, так и большие радиусы округления обеспечивают почти в два раза меньший ресурс лезвий.




Рисунок 9 – Изменение радиуса округления режущей кромки в зависимости от начальной величины радиуса округления лезвия и количества циклов резания в заданных условиях

ВЫВОДЫ


Таким образом, в результате экспериментальных и модельных исследований установлено, что в отличие от процесса точения при фрезеровании состояние режущей кромки непрерывно интенсивно изменяется, что проявляется в периодическом увеличении радиуса ее округления в результате накопления в ней повреждений и разрушении путем выкрашивания. Это было подтверждено экспериментально при фрезеровании стали 12Х18Н12М3ТЛ. Такой процесс изменения состояния лезвия определяет зависимость ресурса режущего инструмента от радиуса округления режущей кромки, полученного после заточки инструмента. Теоретически показано, что для случая концевого фрезерования монолитной твердосплавной концевой фрезой из однокарбидного твердого сплава стали 12Х18Н12М3ТЛ наибольший ресурс инструмента достигается при радиусе округления после заточки инструмента, близком к 20 мкм.


SUMMARY


^ EDGE STATE MODIFICATION OF END MILLS DURING MACHINING OPERATION


V. Zaloga, D. Krivoruchko, S. Nekrasov, L. Holoborodko,

Sumy State University


The authors established experimentally and theoretically proved that, in contrast to turning, the state of cutting edge intensity varies continuously during the milling operation. This results in a periodic increase in the tool edge radius due to accumulation of damages and chipping. Therefore, resource of solid carbide end mills depends on the initial edge radius to a greater extent than of the other tools.

Key words: edge, cutting edge radius, end milling, alloy steel.


^ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

  1. Мазур Н.П. Разработка теоретических основ и практическое использование термомеханической модели обработки пластических материалов: дисс.... д-ра. техн. наук: 05.03.01 / Н.П. Мазур.   К., 1999. -309 c.

  2. Талантов Н.В. Физические основы процесса резания изнашивания и разрушения инструмента / Н.В. Талантов.   М.: Машиностроение, 1992. -240 c.

  3. Наумов В.А. Роль радиуса округления режущей кромки в процессе резания /
    В.А. Наумов // Вопросы автоматизации контроля и технологии машиностроения.   Омск, 1970.   C. 93- 97.

  4. Криворучко Д.В. Повышение эффективности процессов чистовой обработки на основе аналитеческого моделирования силового взаимодействия лезвия с заготовкой: дис.… канд. техн. наук:05.03.01 / Д.В. Криворучко. – К., 2003. -205 с.

  5. Пат. 45759А UA, МКИ G 01 B 11/24. Спосіб вимірювання малого радіуса сполучення площин об'єкта/ Д. В. Криворучко, В. А. Залога(UA). -№2001064433; Заявлено 25.06.2001; Опубл. 15.04.2002, Бюл. №4. -5 c.

  6. Залога В.А. Имитационная модель прямоугольного свободного резания / В.А. Залога, Д.В. Криворучко, С.Н. Хвостик // Вестник СумГУ. -2005. -№ 11. -C. 113- 122.

  7. Криворучко Д.В. Основи 3D-моделювання процесів механічної обробки методом скінчених елементів: навчальний посібник / Д.В. Криворучко, В.А. Залога, В.Г. Корбач.   Суми: Вид-во СумДУ, 2010.   208 c.

  8. Залога В.О. Методология экспериментального определения деформационной и адгезионной составляющих среднего коэффициента трения при резании / Д.В. Криворучко, О.А. Залога, С.С. Некрасов // Вісник Кременчуцького державного університету ім. Михайла Остроградського. – Кременчук, КДУ, 2010. -Вип. 6(65). – Ч. 1.   .63-70.

  9. Остафьев В.А. Расчет динамической прочности режущего инструмента / В.А. Остафьев.   М.: Машиностроение, 1979.   168 c.

Схожі:

Об изменении состояния режущих кромок концевых фрез в процессе резания iconМониторинг технического состояния воздушных судов ил-76 в процессе эксплуатации
Рассмотрены основные задачи мониторинга технического состояния воздушных судов в рамках системы управления качеством для поддержания...
Об изменении состояния режущих кромок концевых фрез в процессе резания iconМониторинг технического состояния воздушных судов Ил-76 в процессе эксплуатации/ В. Б. Горбановский, А. Г. Кучер, Низар Хаммуд
Рассмотрены основные задачи мониторинга технического состояния воздушных судов в рамках системы управления качеством для поддержания...
Об изменении состояния режущих кромок концевых фрез в процессе резания iconОсновы надежности ла модели формирования параметрических отказов изделий ат
Для исследования динамики изменения состояния объекта в процессе испытаний используют модели, которые устанавливают связь между вероятностными...
Об изменении состояния режущих кромок концевых фрез в процессе резания iconДокументи
1. /Барановский Ю.В. (1972) Режимы резания металлов/Режимы резания металлов.djvu
Об изменении состояния режущих кромок концевых фрез в процессе резания iconДокументи
1. /Барановский Ю.В. (1972) Режимы резания металлов/Режимы резания металлов.djvu
Об изменении состояния режущих кромок концевых фрез в процессе резания iconПо курсу “Теория резания“
Текст лекций для самостоятельной работы по курсу “Теория резания“ Тема 2 Инструментальные материалы для студентов специальностей:...
Об изменении состояния режущих кромок концевых фрез в процессе резания iconАнализ состояния преподавания русского языка и литературы в общеобразовательных учебных заведениях г. Севастополя в 2013-2014 учебном год
Особую роль в процессе самосовершенствования педагога играет инновационная деятельность, которой он может заниматься как индивидуально,...
Об изменении состояния режущих кромок концевых фрез в процессе резания iconОпыт применения наблюдателей состояния для выделения статического тока в электроприводе обжимного стана
Описывается опыт практического использования наблюдателей состояния для выделения неизмеряемого непосредственно параметра статического...
Об изменении состояния режущих кромок концевых фрез в процессе резания iconУдк 621. 914. 02 Влияние механических свойств сталей на силы резания при термофрикционной обработке
Влияние механических свойств сталей на силы резания при термофрикционной обработке
Об изменении состояния режущих кромок концевых фрез в процессе резания iconОценка состояния десен Оценка зубо-десневого соединения Оценка состояния уздечек Подвижность зубов

Додайте кнопку на своєму сайті:
Документи


База даних захищена авторським правом ©zavantag.com 2000-2013
При копіюванні матеріалу обов'язкове зазначення активного посилання відкритою для індексації.
звернутися до адміністрації
Документи