ПиОФ

4. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4

ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗНОСА РЕЗЦА

4.1. Цель работы

Целью работы является исследование влияния обрабатываемого материала искоростирезания навеличину износа инструмента иего стойкость.

4.2. Теоретическая часть

При обработке металлов резанием контактные поверхности инструмента по мере его эксплуатации изнашиваются по задней и передней поверхностям. При изнашивании резца по его задней поверхности образу-

ется площадка износа шириной h3 (рис. 4.1) на передней грани лунка из-

носа глубиной δЛ (рис. 4.2). Мерой изношенности инструмента служит линейныйизнос( h3 ) позаднейграниилимаксимальнойглубиналунки δЛ .

Рис. 4.1. Схема износа резца по задней поверхности

Рис. 4.2. Схема износа резца по передней поверхности

Физическая природа изнашивания изучена недостаточно из-за сложности процессов протекающих на контактных поверхностях передней и задней поверхностях инструмента. Существует ряд гипотез объясняющих физическую природу изнашивания по которым основными причинами износа являются:

41

1.Абразивное действие, оказываемое обрабатываемым материалом (абразивное изнашивание).

2.Адгезионное взаимодействие между инструментальным и обрабатываемым материалами (адгезионное изнашивание).

3.Диффузионное растворение инструментального материала в обрабатываемом (диффузионное изнашивание).

4.Химические процессы, происходящие на передней и задней поверхностях (окислительное изнашивание).

4.2.1. Абразивное изнашивание

При относительно невысоких скоростях износ происходит в результате трения стружки о переднюю поверхности и поверхности резания о заднюю поверхность инструмента. При этом рабочие поверхности инструмента истираются. Инструменты из быстрорежущей стали в большой степени подвергаются абразивному износу.

4.2.2. Адгезионное изнашивание

Воснове этого вида изнашивания лежит схватывание материалов

−инструментального и обрабатываемого в результате пластического деформирования, при этом поверхности не только сближаются на расстоянии порядка параметра кристаллической решетки, но и превышают определённый энергетический порог, который достигается за счет повышения температуры и совместного пластического деформирования. Способность материалов к адгезионному взаимодействию резко повышается при температурах близких к температуре рекристаллизации. На контактных поверхностях образуются мостики связи, которые непрерывно возникают и разрушаются и инструментальный материал уносится стружкой и обрабатываемой поверхностью.

4.2.3. Диффузионное изнашивание

При температурах более 800°С происходит растворение инструментального материала в обрабатываемом. Компоненты твердого сплава диффундируют в обрабатываемый материал с различной скоростью. Быстрее − углерод, затем вольфрам, кобальт, титан. В результате изменяется химический состав и физико-механические свойства поверхностного слоя инструмента, он хрупок и разупрочнён, стружка и обрабатываемая поверхность уносит его, через некоторое время слой возникает снова.

42

Процесс идет непрерывно и заключается в диффузионном растворении и деспергировании разупрочненных контактных поверхностей инструмента.

4.2.4. Окислительное изнашивание

Происходит в результате того, что кислород воздуха при температуре 700...800°C вступает в химическую реакцию с кобальтом и карбидами вольфрама и титана, образуя окислы. Твердость продуктов окисления меньше твердости твердого сплава в 40...80 раз. Разрушаются связи между карбидами и цементирующей связкой. Карбидные зерна вырываются силами трения и уносятся.

Изображение закономерности нарастания износа за время работы инструмента в виде графической зависимости h3 =f(t) называют кривой износа (рис. 4.3).

Рис. 4.3. Кривая износа при изнашивании инструмента по задней поверхности

Участок ОА кривой с интенсивным нарастанием ширины площадки износа соответствует периоду приработки инструмента. При дальнейшей работе инструмента нарастание износа замедляется т.к. это связано с уменьшением контактных касательных напряжений по мере увеличения ее размеров. Участок АВ кривой соответствует периоду нормального износа. По достижению некоторой величины линейный износ задней поверхности вследствие роста температуры вновь начинает резко расти и кривая износа идет резко вверх. Участок кривой за точкой В соответствует катастрофическому износу (hзкр).

Период стойкости инструмента (Т) характеризует время работы инструмента в минутах машинного времени между двумя переточками. Период стойкости зависит от марки обрабатываемого и инструментальных материалов, их механических и тепло-физических свойств, геометрии инструмента, режимов резания, применяемой смазывающе-охлаждающей жидкости (СОЖ), вида обработки.

43

4.3. Связьмеждускоростьюрезанияипериодомстойкостиинструмента

Связь между скоростью резания и периодом стойкости при обработке чугуна инструментами из быстрорежущей стали и одно-карбидных твердых ставов выражается непрерывно убывающей кривой 1 (рис. 4.4), напоминающей гиперболу. Такой же кривой изображается связь между V и Т при обработке инструментами из быстрорежущих сталей, углеродистых и легированных конструкционных сталей. При обработке конструкционных, углеродистых и легированных сталей, жаропрочных сталей и сплавов и некоторых других материалов V и Т изображается более сложной кривой 2 имеющей несколько перегибов. Аппроксимацию кривой 1 и

участков ab и вг кривой 2 производят степенной функцией.	(4.1)
V = C / T m ,

где m − показатель относительной стойкости; С − постоянная, характеризующая обрабатываемый и инструментальный материалы, геометрические параметры инструмента, применяемую СОЖ, глубину резания и подачу.

Рис. 4.4. Связь между скоростью резания и периодом стойкости в зависимости от рода обрабатываемого и инструментального материалов

Величина показателя относительной стойкости колеблется в широких пределах. Наибольшее влияние на показатель m оказывает род обрабатываемого и инструментального материалов, передний угол инструмента, подача (толщина срезаемого слоя), скорость резания, время перерывов в работе инструмента и степень изношенности его задней поверхности. Например, при резании чугунов показатель m меньше, чем при резании сталей: при резании инструментом, оснащенным двухкарбидным сплавом m больше, чем при одно-карбидным сплаве.

По мере увеличения переднего угла инструмента и допускаемой величины износа задней поверхности показатель m уменьшается, а при увеличении толщины срезаемого слоя (подачи) − возрастает.

44

Исключительно сильное влияние, оказываемое скоростью резания на период стойкости, приводит к тому , что постоянная С и показатель m в формуле (4.1) , как правило, справедливы для узкого интервала скоростей резания.

При немонотонном изменении периода стойкости (рис. 4.5), кривую T=f(V) аппроксимируют тригонометрическим рядом Фурье. Причины такого характера влияния скорости резания на стойкость полностью не выяснены. Имеется предположение, что это связанно с изменением относи-

тельного износа инструмента ( ), который в свою очередь зависит от нароста, температуры в зоне резания и т.д. очевидно, интервал скорости резания вблизи скорости 20 м/мин для рассматриваемого примера, вследствие малого периода стойкости, является невыгодным.

Рис. 4.5. Схема влияния скорости резания V

на относительный линейный износ и период стойкости

4.4. Влияние материала детали на стойкость инструмента

Влияние обрабатываемого материала детали на стойкость инструмента проявляется через изменение механических, теплофизических свойств диффузионной пары: обрабатываемый материал − инструмент.

Изменение этих свойств влияет на стойкость инструмента через температурно-деформационный канал. Увеличение предела прочности, уменьшение теплопроводности обрабатываемого материала приводит к увеличении мощности энерговыделения как в зоне стружкообразования так и в контактной зоне, что значительно поднимает уровень температуры в контактной зоне и снижает стойкость инструмента.

В зависимости от обрабатываемого материала меняется и величина допустимого линейного износа h3 по задней стенке. При обработке ста-

ли h3 = 0,8...1мм; чугуна с подачей ≥0,3мм/об h3 = 1,4...1,7 мм; чугуна с подачей >0,3 мм/об h3 =0,8...1 мм.

45

4.5.Охрана труда и инструкция по технике безопасности

1.На рабочем месте станка должно находится только то, что необходимо для работы на станке.

2.Обрабатываемая детальирезецдолжныбытьнадежно закреплены.

3.При любой даже непродолжительной остановке производить полное отключение станка.

4.Запрещается производить измерение заготовки в процессе ее обработки.

5.Пуск станка и работа на нем разрешается только лаборантам, обслуживающим станок или преподавателю ведущему занятие.

4.6.Методикапроведенияэкспериментаиобработкирезультатов

В качестве оборудования для проведения работы используются то-

карный станок, проходной резец из твердого сплава ВК8, инструментальный микроскоп и заготовки из различных материалов.

Последовательность выполнения работы следующая:

1. Материал заготовки, инструмента и режимы резания задаются в виде индивидуального задания преподавателем.

2.Установить деталь в патроне станка и закрепить ее.

3.Установить на станке режимы резания. Диаметр детали необходимо замерить. Установку чисел оборотов производить в присутствии лаборанта. Закрепить в резцедержатель резец.

4.Для проведения стойкостных исследований используем метод однофакторного эксперимента. Все факторы процесса резания поддерживаются постоянными, а последовательно изменяется скорость резания и при каждом ее значении изнашивают инструмент.

5. Произвести обточку деталей до наступления износа h3 =h=0.1...0.2 мм. Для этого через 1-2 минуты прекратить резание, снять резец и замерить износ h3 на инструментальном микроскопе по схеме, приведенной на рис. 4.6, если h3 не достиг 0.1 мм. то необходимо продолжить процесс резания до достижении износа h3 =0.1...0.2 мм. Занести

втаблицу первоезначение износа инструмента ивремяработы инструмента.

6.Произвести дальнейшее точение детали до достижении износа

h3 = 0.2...0.3 мм. Занести второе значение износа и время в таблицу.

7. Второе значение скорости принять равным V= 100 м/мин, подсчитать число оборотов n и установить их на станке.

46

Рис. 4.6. Схема замера линейного износа на инструментальном микроскопе:

1 − окуляр микроскопа, 2 − резец, 3 − измерительная шкала, 4 − изношенная часть резца

8. Произвести обработку заготовки на этой скорости и снять два показателя износа по задней грани h3 =0,1 мм и h3 = 0,2...0,3 мм и записать их в табл. 4.1.

						Таблица 4.1
		Результаты измерения износа
№	Марка обра-	Диаметр	Скорость	Износ по	Время	Величина	Примечание
опы-	батываемого	заготовки	резания	задней	износа
та	материла		в м/мин	грани	в мин
						m 1 , C 1

9. По данным эксперимента строят кривые износа h3 = f(T). Устанавливая критерий износа h3.КР = 0,8 мм от оси ординат из точ-

ки h3. КР проводят прямую, параллельную оси абсцисс и для каждой кривой определяют стойкость инструмента соответствующую h3 = 0,8мм

−Т1.Т2.ТЗ.

Для ускорения проведения стойкостных испытаний воспользуемся тем, что кривые износа h3 = f(T) при обработке твердосплавным инстру-

ментом, начиная с некоторого его значения h, представляют из себя пропорциональную зависимость h3 от времени резания (рис. 4.7).

Поэтому достаточно получить две точки на кривой h3 = f(T) и т.д. и

провести через них прямую линию до пересечения с линией, параллельной оси абсцисс, проведенной из точки h3 = 0,8 мм и затем определить

период стойкости инструмента при V3 и V2 и т.д.

47

Рис. 4.7. Кривые износа резца из твердого сплава при обработке конструкционных сталей

10. Построить график зависимости h3 = f(V) для заданного диапазо-

на скоростей в двойной логарифмической шкале.

В двойной логарифмической шкале участок функциональной зависимости T=f(V) представляет из себя прямую линию. Этот участок моно-

тонной зависимости удобно аппроксимировать степенной функцией:
V = C 1 / T m 1 , при m 1 = tg ψ ,	(4.2)

где C 1 − постоянная, характеризующая обрабатываемый и инстру-

ментальный материалы, режимы резания. СОЖ.

Для определения постоянной C 1 на прямой T = f(V) (рис. 4.8) берем точку Х, определяемдлянеескоростьистойкость, вычисляемеепоформуле:

C 1	= V Xm T X	(4.3)
		ψ

Рис. 4.8. Связь между стойкостью резца и скоростью резания

4.7. Содержание отчета

1.Наименование, цель и задачи лабораторной работы.

2.Материально-техническое оснащение.

3.Построенные графики зависимости (кривые износа) h3 = f(T) для

двух марок сталей.

4.Построить график зависимости T = f(V) в двойной логарифмической шкале (для двух марок сталей).

5.Рассчитать значение показателя m и постоянной С1.

48

6. Сделать выводы о влиянии скорости резания и марки сталей на величину стойкости инструмента.

4.8. Контрольные вопросы

1.По каким поверхностям резца происходит износ?

2.Что служит мерой изношенности инструмента?

3.Каков критерий износа при обработке стали, чугуна?

4.Что называется стойкостью инструмента? От каких факторов зависит стойкость?

5.Дать характеристику кривой износа.

6.Какая существует связь между скоростью резания и стойкостью инструмента?

7.В диапазоне каких скоростей происходит адгезионный износ?

8.В диапазоне каких скоростей происходит диффузионный износ?

9.Как влияет материал детали на стойкость инструмента?

49

5. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ СИЛ РЕЗАНИЯ

5.1. Цельработы

Целью работы является изучение и экспериментальная проверка закономерностей изменения сил резания при точении в зависимости от элементов режимарезания.

Настоящаяработапредусматривает:

1)освоение методики экспериментального определения составляющих силырезанияприточении;

2)ознакомление с оборудованием и приборами, применяемыми при измерениисоставляющихсилырезания;

3)приобретение навыков проведения эксперимента;

4)графоаналитическую обработку экспериментальных данных; расчет сил резанияпосправочникам;

5)оформлениеотчета;

6)сравнение результатов экспериментального определения сил резания

сих значениями, полученнымиприрасчетах;

7)анализ закономерностей изменения сил резания в зависимости от элементоврежимарезания.

5.2. Теоретическаячасть

Срезаемый слой давит на резец с силой резания Р, являющейся геометрической суммой нормальных сил и сил трения, действующих на его передней и задней поверхностях. В практических расчетах расходуемой на резание мощности, расчетах на прочность и жесткость инструмент и отдельных деталей и узлов станка силу резания Р раскладывают на составляющие, направления действия которых совпадают с главным движением идвижением подачи.

При токарной обработке в условиях несвободного резания равнодействующая сила Р раскладывается на три взаимноперпендикулярные составляющие силы (рис. 5.1), действующиенарезец:

−Рz − касательная сила, сила касательная к поверхности резания и совпадающая с направлением главного движения. Р является главной составляющейсилы Р, ее часто называютпросто силойрезания, т.к. она весьма незначительноотличается по величинеотравнодействующейсилы Р;

−Рх − осевая сила или сила подачи, действующая параллельно оси заготовки в направлении, противоположном движению подачи,

−Ру − радиальная сила, направленная перпендикулярно осизаготовки. На составляющие Рz, Рх, Ру силы резания влияют и обрабатываемый

материал, и элементы режима резания, и геометрические параметры ин-

50