Анализ существующих исследований в области взаимосвязи технологических условий обработки с пределом выносливости деталей

Целесообразно поставить задачу непосредственно обеспечивать в процессе обработки на основе назначения режима обработки эксплуатационные свойства, в частности усталостную прочность. В этом случае следует найти зависимость между пределом выносливости обрабатываемой детали и режимами обработки, а, следовательно, и параметрами качества поверхностного слоя, через энергетический критерий процесса резания А, характеризующий работу, затрачиваемую на снятие припуска. В качестве характеристик сопротивления усталости используется предел выносливости и критерии степени поврежденности металла. Предел выносливости определяется в процессе усталостных испытаний, проведение которых требует значительных временных и материальных затрат. В этом смысле выгодно отличается от предела выносливости определение критерия поврежденности материала по изменению модуля упругости Е _обр/ Е _исх. При повреждении детали происходит изменение характеристик материала: микротвердости, модуля нормальной упругости и других величин. Для определения предела выносливости детали после обработки можно воспользоваться следующим соотношением [7]:

, (5.1)

где s_-1 и s_-1исх - предел выносливости детали после обработки и в исходном состоянии (до обработки); Е _обр и Е _исх - модули упругости материала поверхностного слоя детали после обработки и в исходном состоянии.

Установлено, что отношение модулей упругости в исходном состоянии и после обработки примет вид

.

Тогда можно принять с учетом (1)

, (5.2)

где C и K – величины, зависящие от вида обрабатываемого материала; A – значение энергетического критерия процесса резания до выполнения обработки, рассчитываемое по уравнению проф. С. С. Силина:

, (5.3)

где - критерий процесса резания, характеризующий степень влияния режимных условий процесса резания по сравнению с влиянием теплофизических свойств обрабатываемого материала; а ₁ и b ₁ – толщина и ширина среза; – безразмерный комплекс, характеризующий сечение среза; – безразмерный комплекс, отражающий влияние геометрии инструмента и отношения теплопроводностей инструментального и обрабатываемого материалов; l и l _p – коэффициенты теплопроводности обрабатываемого и инструментального материалов; b и e – угол заострения и угол при вершине резца в плане; a – задний угол при вершине резца в плане, град; – критерий, характеризующий влияние на процесс резания геометрической формы режущей кромки инструмента, где ρ ₁ – радиус округления режущей кромки инструмента.

Таблица 5.2 – Физико-механические характеристики обрабатываемых материалов

Сделав необходимые преобразования, используя зависимости (5.2) и (5.3) получается следующее выражение для расчетного определения предела выносливости

(5.4)

Физико-механические характеристики обрабатываемых материалов и значения коэффициентов теплопроводности инструментальных материалов показаны в табл. 5.2 и 5.3.

Таблица 5.3 – Значения коэффициентов теплопроводности инструментальных материалов

Инструментальный материал	l p,	Инструментальный материал	l p
Р18 и Р9К10Ф	18, 0	Т14К8	33, 94
ВК6 и ВК6ОМ	60, 8	Т30К4	23, 88
ВК8	54, 47	алмаз	146, 65
Т15К10	38, 55	карбид бора	159, 22

Таким образом, задавая значения технологических условий обработки (n, S, t), геометрические характеристики инструмента (a, j, j₁, g, r и др.), a также используя справочные данные по обрабатываемому и инструментальному материалам (l _g и l _p, (с r) _g, a_g и а_p, (НВ) _g и (НВ) _p, s _Т s _В, Е _исх, s_-1исх и др.), можно расчетным путем определить предел выносливости детали после обработки точением.

Предлагается следующая последовательность расчета технологических условий обработки с целью обеспечения требуемых значений предела выносливости (рис. 5.2) [7].

Для нахождения критерия Б, показанного в формуле (5.4) необходимо назначение скорости резания, которая должна обеспечивать совместно с другими режимами обработки оптимальные и стабильные значения предела выносливости.

Рис. 5.2. Блок-схема расчета технологических условий обработки

Целесообразность назначения оптимальных режимов резания обусловлена тем, сто они обеспечивают наиболее благоприятные показатели качества поверхностного слоя. При обработке на оптимальной скорости резания получается минимальное или минимально стабилизированное значение высоты микронеровностей обработанной поверхности, минимальная глубина и степень наклепа и др.

Исследованиями [5] установлено, что при оптимальных режимах резания обеспечивается максимальная стабильность показателей качества поверхностного слоя при обработке торцовых поверхностей дисков ГТД, изготавливаемых из жаропрочного сплава ЭИ698ВД: наблюдалось минимальное изменение по полотну диска шероховатости обработанной поверхности и минимальное значение (а также разброс) остаточных напряжений по глубине поверхностного слоя.

В. Ф. Безъязычным, Т. Д. Кожиной установлено, что оптимальная скорость резания обеспечивает лучшие показатели предела выносливости, прочности на разрыв и контактной жесткости деталей из различных материалов [5].

Оптимальная скорость резания (оптимальная температура) характерна для каждого сочетания обрабатываемый – инструментальный материал, что показано в табл. 5.4.

Покрытие режущего инструмента, уменьшая степень адгезионного слипания инструментального материала с обрабатываемым, существенно изменяет термосиловые характеристики процесса резания. Благодаря покрытию уменьшается сила резания, температура в зоне резания, длина упругого и упругопластического контакта стружки с передней поверхностью инструмента, что открывает возможность оптимизации процесса резания с целью повышения производительности обработки и уменьшения себестоимости операции. Использование инструмента с покрытием позволяет увеличить производительность обработки на несколько десятков процентов по сравнению с инструментом без покрытия.

С учетом того обстоятельства, что покрытие инструмента влияет на температуру и силу резания можно предположить изменение и предела выносливости при обработке таким инструментом. Поэтому для учета влияния покрытия на оптимальную температуру резания (оптимальную скорость резания) были произведены экспериментальные исследования по определению оптимальной скорости резания при работе инструментом с нанопокрытием при резании различных материалов, применяемых в двигателях ГТД.

Таблица 5.4 – Оптимальная температура резания

Для определения оптимальных режимов резания используется графо-аналитический и расчетный методы.

Графоаналитический метод основан на установлении уравнения обрабатываемости по методу профессора Силина С. С. [6]:

, (5.5)

где a ₁ – толщина среза, м; t, S – соответственно глубина резания и подача, м; а – температуропроводность обрабатываемого материала, м²/с;
сρ – удельная объемная теплоемкость обрабатываемого материала,
Дж/(м³ · с · град.); θ – температура в зоне резания, °С; n, C_o – коэффициенты, зависящие от свойств обрабатываемого материала; Pz _min – минимальная стабилизированная сила в зоне резания, Н.

Для получения уравнений обрабатываемости необходимо:

1. Построить графические зависимости тангенциальной составляющей силы резания Pz от скорости резания v вида: Pz = f(v), зависимости температуры резания θ от скорости резания v: θ = f(v).

2. Определить оптимальную температуру резания θ _ОПТ и зависимости вида .

3. Для всех проведенных экспериментов определить зависимость вида , где – энергетический критерий, характеризующий собой отношение количества тепла, уходящего при резании в стружку, к общему выделившемуся при резании количеству тепла.

4. Подставить найденные значения коэффициента С _О и показатель степени n в уравнение (5.5).

Пример экспериментальной зависимости тангенциальной составляющей силы резания Pz и температуры резания θ от режимов резания показан на рис. 5.3. На основе анализа экспериментальных данных по моменту стабилизации силы резания можно определить значение оптимальных скоростей резания и температуры резания. Как видно из графика, для данного сочетания обрабатываемого и инструментального материалов оптимальная температура резания составляет θ _ОПТ = 840 °С.

Для всех сочетаний глубины резания и подачи определяется минимально стабилизированное значение силы резания Pz_min.

Таким образом, на основании полученных зависимостей было получено уравнение обрабатываемости и рассчитана оптимальная скорость резания для различных сочетаний инструментальный материал – обрабатываемый материал – износостойкое покрытие. В табл. 5.5 приведены полученные уравнения обрабатываемости для различных сочетаний инструментальный материал – обрабатываемый материала – нанопокрытие.

По представленным в табл. 6 уравнениям, были получены значения оптимальных скоростей для инструментов с покрытиями и без покрытий (табл. 5.6).

Таблица 5.5 – Уравнения обрабатываемости

Материалы	ТТ7К12–ЭК26	ТТ7К12–ЭК26–Ta2O5
Уравнение
Материалы	ТТ7К12–ЭК26–ZrB2	ВК6Р–ЭК26
Уравнение
Материалы	ВК6Р–ЭК26–Al2O3	ВК6Р–ЭК26–(Ti, Si)N
Уравнение
Материалы	ВК6Р–ЭК26–TiB2	ВК6Р–ЭК26–(Ti, Si, Al)N
Уравнение
Материалы	ВК6Р–ОТ4	ВК6Р–ОТ4–(Ti, Si, Zr)CN
Уравнение
Материалы	ВК6Р–ОТ4– ZrB2	ВК6Р–ОТ4–(Ti, Si)N
Уравнение
Материалы	ВК6Р–ОТ4– Al2O3	ВК6Р–ЭИ437Б
Уравнение
Материалы	ВК6Р–ЭИ437Б–TiB2	ВК6Р–ЭИ437Б–(Ti, Si, Al)N
Уравнение
Материалы	ВК6Р–ЭИ437Б–Al2O3	ВК6Р–ЭИ437Б–(Ti, Si)N
Уравнение

Рис. 5.3. Зависимость тангенциальной составляющей силы резания P z и температуры θ от скорости резания v, обрабатываемый материал – нержавеющая сталь

аустенитного класса ЭК26 (05Х12Н2К3М2АФ), материал инструмента – ВК6Р;
глубина резания t = 0, 5 мм; подача: S = 0, 07 мм/об; S = 0, 14 мм/об;
S = 0, 2 мм/об; S = 0, 32 мм/об

Таблица 6 – Оптимальная скорость резания v₀

Материалы	ВК6Р–ЭК26	ВК6Р–ЭК26–(Ti, Si)N
, м/мин
Материалы	ВК6Р–ЭК26–(Ti, Si, Al)N	ВК6Р–ЭК26–TiB2
, м/мин
Материалы	ВК6Р–ЭК26–Al2O3	ТТ7К12–ЭК26
Материалы	ТТ7К12–ЭК26–ZrB2	ТТ7К12–ЭК26–Ta2O5
, м/мин
Материалы	ВК6Р–ОТ4	ВК6Р–ОТ4–(Ti, Si, Zr)CN
, м/мин	42, 5	41, 5
Материалы	ВК6Р–ОТ4– ZrB2	ВК6Р–ОТ4–(Ti, Si)N
, м/мин	43, 5
Материалы	ВК6Р–ОТ4– Al2O3	ВК6Р–ЭИ437Б
Материалы	ВК6Р–ЭИ437Б–Al2O3	ВК6Р–ЭИ437Б–(Ti, Si, Al)N
, м/мин
Материалы	ВК6Р–ЭИ437Б–TiB2	ВК6Р–ЭИ437Б–(Ti, Si)N
, м/мин		64, 3

Примечание: глубина резания t = 0, 5 мм; подача инструмента S = 0, 14 мм/об

Значение оптимальной скорости для инструментов с покрытием тем выше, чем выше способность износостойкого покрытия снижать количество теплоты, уходящей в инструмент. Оптимальная температура резания θ _О остается постоянной величиной для заданной пары материал детали – материал режущей части инструмента. При этой температуре наблюдается максимальное отношение твердости инструментального материала к твердости обрабатываемого Н_ИН/Н_МАТ. Повышение оптимальной скорости резания для инструментов с покрытием связано с тем, что для достижения на поверхности инструмента температуры θ _О необходимо увеличить скорость резания на некоторую величину ∆ v _О. В некоторых случаях оптимальная скорость инструмента без покрытия в 2 раза меньше оптимальной скорости инструмента с покрытием. Наименьшее влияние покрытий режущего инструмента наблюдается при обработке титанового сплава, что связано со специфическими свойствами данного материала и, прежде всего, с его высокой вязкостью, склонностью к слипанию с инструментальным материалом, низким значением теплоёмкости, что приводит к высокой температуре резания. Таким образом, при использовании полученных уравнений обрабатываемости можно повысить производительность обработки с одновременным улучшением качества детали и стойкости режущего инструмента.

Назначение завышенных режимов резания может привести к ухудшению условий эксплуатации инструмента и, как следствие, его преждевременному износу. В процессе работы инструмента покрытие непрерывно изнашивается, что приводит к увеличению площади контакта обрабатываемого материала и подложки инструмента. Поэтому целесообразно оптимальную скорость резания для инструмента с покрытием определять как среднее арифметическое оптимальных скоростей инструмента без покрытия и с покрытием, которые рассчитываются по уравнениям обрабатываемости:

, (5.6)

где – оптимальная скорость инструмента без покрытия, рассчитанная по уравнению обрабатываемости;

– оптимальная скорость инструмента с покрытием, рассчитанная по уравнению обрабатываемости.

Значения коэффициентов С и К в формуле (5.4) для разных обрабатываемых материалов при точении приведены в табл. 5.7.

Анализируя результаты расчетов оптимальной скорости резания, представленные в таблице 5.6 и зависимость (5.4) можно констатировать увеличение предела выносливости для различных сочетаний инструментальный материал – обрабатываемый материала – нанопокрытие от 10 до 30 %. Последнее представляет существенный практический интерес для научно-обоснованного назначения режимов механической обработки с целью обеспечения заданных эксплуатационных свойств ответственных деталей.

Таблица 5.7 – Коэффициенты для расчета предела выносливости в зависимости от группы обрабатываемого материала при обработке точением