4.2 Влияние тангенциальных колебаний на процесс

резания вольфрама

Силы, действующие при резании вольфрама, по своей величине значительно превосходят силы, действующие при резании стали 45 (рис. 40—42). Видно, что при точении вольфрама ВВ2 вес три составляющие силы резания значительно больше, чем при точении стали 45. Эта разница растет при увеличении s и t и уменьшении v. Указанное обстоятельство создает дополнительные трудности при обработке вольфрама, ускоряет износ инструмента. Поэтому возможность уменьшения силы резания путем воздействия на резец колебаний представляет большой интерес, это особенно важно при обработке тонкостенных заготовок.

Рис. 40 Зависимость составляющих силы резания при точении стали 45 (1, 2, 3) и вольфрамового сплава ВВ2 (2, 4, 6)

Рис. 41 Влияние подачи на составляющие силы резания при точении стали 45 (1, 2, 3) и вольфрамового сплава ВВ2 (2, 4, 6)

Рис. 42 Влияние глубины резания на составляющие силы резания при точении стали 45 (1, 2, 3) и вольфрамового сплава ВВ2 (2, 4, 6)

При наружном точении тонкостенных трубок из вольфрамового сплава ВВ2 диаметром 15 мм и длиной 50—80 мм четырехгранными неперетачиваемыми пластинками из сплава ВК8 с: геометрией φ=45°, α=10°, γ_f=0, r=0,5 мм с воздействием на резец ультразвуковых тангенциальных колебаний частотой f=18,2 кГц и амплитудой А=5 мкм составляющие силы резания Рz и Рy снижаются примерно на 20% (рис. 43).

Рис. 43 Зависимость сил резания при обычном точении и точении с ультразвуком сплава ВВ2

а - от скорости резания; б – от глубины резания

При точении цилиндрических образцов из вольфрама при воздействии ультразвука (t=0,3 мм, s=0,23 мм/об) составляющие силы резания Рz и Рy уменьшаются примерно на 20—30% (рис. 44, а). Наибольший эффект ультразвуковые колебания оказывают при малых окружных скоростях. Эффективность действия ультразвука на составляющую силы Ру меньше, она практически остается постоянной.

Рис. 44 Зависимость составляющих силы резания при обычном и ультразвуковом точении

Увеличение сечения срезаемого слоя приводит к ослаблению влияния ультразвуковых колебаний на силы резания (рис. 44,б) в связи с уменьшением амплитуды колебаний инструмента при больших силах резания.

При точении более пластичных труднообрабатываемых материалов, например ниобиевого сплава НВЧ и титанового сплава ВТ 15, влияние ультразвуковых колебаний более существенно (рис. 45, 46). Так, при точении НВЧ быстрорежущим резцом ИЗ стали Р18 с v=4,5 м/мин и s=0,12 мм/об сила в 1,7 раза меньше, чем при обычном резании (рис. 45). Характер влияния ультразвука на силу Рy сохраняется таким же, как и при точении вольфрама. Исследования показывают, что воздействие в зоне резания колебаний может как ухудшать микрогеометрию поверхности, так и улучшать ее. Например, радиальные ультразвуковые колебания [30] и тангенциальные малой амплитуды [26] снижают шероховатость поверхности до Ra= 2,5÷1,25 мкм. Сообщение резцу осевой низкочастотной вибрации при сверлении приводит к такому снижению шероховатости поверхности, что операцию развертывания можно исключить [33].

Рис. 45 Зависимость составляющих силы резания при обычном и ультразвуковом точении сплава НВЧ

При обычном резании кинематическая расчетная высота микронеровностей определяется подачей s и радиусом закругления режущей кромки r резца. При резании с воздействием вибраций, кроме указанных факторов, большое значение имеет характер вибрационного движения вершины инструмента. Шероховатость зависит также от пластических деформаций в зоне резания, нароста и явлений упругого последействия поверхностного слоя материала. Низкая шероховатость поверхности получается в зоне максимального наростообразования. При обычном резании жаропрочных материалов максимальное наростообразование имеет место при низких скоростях резания, при этом шероховатость поверхности снижается. Можно предположить, что увеличение скорости резания, неравномерность движения и уменьшение величины нароста при резании с вибрациями могут привести к уменьшению величины микронеровностей обработанной поверхности.

Зависимости шероховатости от скорости резания и подачи при обычном точении вольфрама и точении с ультразвуковыми тангенциальными колебаниями f=16,5 кГц и A = 4÷4,5 мкм приведены в табл. 16 и 17 (представлены средние арифметические пяти — семи измерений шероховатости на каждом образце). Геометрия инструмента из сплава ВК8: φ = 45°, α=10°, γ_f = 0°, r=0.3—0,4 мм.

а б

в

Рис. 46. Зависимость составляющих силы резания при обычном и ультразвуковом точении сплава ВТ-15

Из табл. 16, 17 видно, что применение ультразвуковых тангенциальных колебаний на исследуемых режимах точения вольфрама без охлаждения незначительно ухудшает шероховатость обработанной поверхности. Применение СОЖ при точении вольфрама снижает шероховатость поверхности до Rа=2,7÷5,5 мкм.

Таблица 16

Шероховатость Rа, мкм	При подаче s, мм/об
	0,07	0.12	0,195	0,21
Без ультразвука С ультразвуком	4.96 5,27	5,78 5,83	6,62 6,7	6,8 7,3

Таблица 17

Скорость резания v, м/мин	Шероховатость Ra, мкм
	Без охлаждения		СОЖ 5%-ный сульфорицинат
	без ультразвука	с ультразвуком	без ультразвука	с ультразвуком
4,0 12,0 18,0 28,5 44,0 69,0	8,00 6,17 5,83 5,60 - -	8,00 8,00 7,57 6,40 - -	2,70 2,66 3,06 3.58 4,24 5,58	3,78 3,20 4,02 4,20 4,72 5,75

Применение ультразвуковых колебаний при точении вольфрама с СОЖ практически не оказывает влияния на шероховатость поверхности.

Влияние тангенциальных колебаний на температуру резания. Температура резания является одним из основных физических параметров процесса резания — она определяет теплонапряженность процесса резания. Допустимые скорости резания связаны с износостойкостью инструмента, так как с повышением температуры интенсифицируются адгезионные и диффузионные явления в зоне контакта режущего инструмента с обрабатываемой заготовкой. Особое значение имеют тепловые явления при обработке материалов, имеющих низкую теплопроводность. С повышением температуры теплопроводность жаропрочных сплавов увеличивается, но продолжает оставаться ниже теплопроводности обычных сталей. Так, теплопроводность стали 45 λ=0,13 кал/(см∙с∙°С), а титанового сплава ВТ15 λ=0,019 кал/(см∙с∙°С). Вследствие пониженной теплопроводности тепловой баланс процесса обработки титановых сплавов изменяется в сторону большего отвода тепла через резец, что ухудшает условия его работы.

Выделяющаяся в процессе механической обработки теплота имеет двоякое значение. С одной стороны, она облегчает условия деформации при резании. Теплота, выделяющаяся в зоне деформаций срезаемого слоя, определяет интенсивность протекания процессов разупрочнения. Чем больше скорость деформации, тем выше температура в зоне резания. Процесс интенсивного тепловыделения при повышенных скоростях резания способствует образованию пограничного слоя на контактных поверхностях стружки и заготовки, повышает качество обработанной поверхности и уменьшает износ инструмента. С другой стороны, интенсивное тепловое воздействие на рабочие поверхности инструмента увеличивает его износ.

Тепловыми явлениями при резании необходимо управлять так, чтобы выделяющаяся теплота облегчала процесс деформации и вместе с тем не снижала стойкость -инструмента и точность обработки Существенное значение при регулировании этого процесса имеют скорость резания, подача и передний угол резца γ.

Температура, возникающая в зоне резания в результате работы пластической деформации и трения по передней и задней поверхностям инструмента, зависит от интенсивности тепловых источников и условий отвода теплоты из зоны резания. Для установившегося процесса резания температура будет определяться теплопроводностью обрабатываемого материала и материала режущего инструмента. При резании с вибрацией на интенсивность тепловых явлений решающее влияние оказывает характер течения процесса резания — непрерывный или прерывистый. При непрерывном процессе резания с вибрацией воздействие тепловых явлений подобно процессу обычного резания, а при прерывистом резании качественно отличается. В этом случае основное значение имеет соотношение времени резания и перерывов.

Исследования показали, что при точении вольфрама температура в зоне резания на скоростях резания до 40 м/мин значительно ниже температуры, возникающей при точении титанового сплава ВТ15 (рис. 47). Так, при скорости резания v=6 м/мин, подаче s=0,23 мм/об и глубине резания t=0,3 мм температура в зоне резания 180°С. При точении сплава ВТ15 на таких же режимах температура в зоне резания достигает 400°С. Повышение скорости резания приводит к возрастанию температуры, причем более интенсивное повышение температуры наблюдается при точении вольфрама ВПМ. При скорости резания v=35÷40 м/мин температура становится одинаковой (900°С). Полученные зависимости температуры от скорости резания при точении этих двух материалов объясняются различием в коэффициентах теплопроводности. Достаточно большой коэффициент теплопроводности вольфрама [λ= =0,3кал/(см∙с∙°С)] с увеличением температуры значительно уменьшается, а у сплава ВТ 15 λ увеличивается.

Воздействие в зоне резания тангенциальных ультразвуковых колебаний с частотой f=16,5 кГц, и амплитудой А=4 мкм приводит к тому, что средняя температура в зоне резания повышается. При ультразвуковом точении титанового сплава ВТ15 при низких скоростях резания происходит возрастание температуры по сравнению с обычным резанием на 40— 60° С (см. рис. 47). В этом случае прирост температуры, обусловленный вибрационным воздействием, больше, чем улучшение теплоотвода, обусловленное прерывистым характером резания. Последнее объясняется большой инерционностью изменения температуры. При увеличении скорости резания прирост температуры уменьшается. Теплоотвод за время «отдыха» инструмента в данном случае имеет решающее значение. Этому способствует также снижение теплового прироста в области высоких скоростей резания и увеличение коэффициента теплопроводности обрабатываемого материала. Увеличение сечения срезаемого слоя также приводит к увеличению прироста температуры при резании с ультразвуком (рис. 48)

Рис. 47 Зависимость температуры резания от скорости резания при обычном (2, 4) и ультразвуковом (1 ,3) точении

Рис. 48 Влияние на температуру при обычном и ультразвуковом точении сплава ВТ-15

При точении вольфрама с воздействием ультразвука прирост температуры больше, чем при точении сплава ВТ15; он равен 50—100° С (рис. 48. 49). При увеличении скорости резания и сечения срезаемого слоя прирост температуры увеличивается, так как теплопроводность вольфрама с увеличением температуры уменьшается. Коэффициент теплопроводности вольфрама при температуре 800° С уменьшается почти в 2 раза.

Рис. 49 Зависимость температуры при обычном и ультразвуковом точении вольфрама

Как было показано выше, сила резания и сила трения при тангенциальных ультразвуковых колебаниях инструмента уменьшаются. Усадка стружки при данных режимах вибрации изменяется незначительно. Поэтому основной причиной отмеченного повышения температуры в зоне резания является увеличение истинной скорости резания , т.е. прирост выделяемой теплоты, обусловленный вибрационным движением, можно оценивать как прирост скорости при обычном резании.

Используя частные зависимости температуры от параметров резания, можно получить обобщенную формулу в следующем виде:

(57)

^{При точении вольфрама ВПМ}

⁽⁵⁸⁾

При точении ВТ15

⁽⁵⁹⁾

При точении вольфрама и титанового сплава ВТ15 с низкочастотными тангенциальными колебаниями температура в зоне резания незначительно понижается, так как интенсивность вибраций в этом случае невелика, прирост скорости резания незначителен и понижение температуры происходит за счет облегчения процесса стружкообразования.

Износ инструмента при точении вольфрама с воздействием ультразвуковых и звуковых колебаний. Исследовали влияние ультразвуковых тангенциальных колебаний на процесс точения вольфрама.

Установлено, что при точении вольфрама твердосплавным инструментом из твердых сплавов ВК8, ВК60М и быстрорежущих сталей Р18 и Р12Ф5М воздействие ультразвуковых колебаний при определенных условиях повышает производительность обработки. Эффективность воздействия ультразвука оценивали коэффициентом , где — площадь обработанной поверхности с ультразвуковыми колебаниями; — площадь поверхности, обработанной без ультразвука (см. табл. 14). Видно, что при оптимальных скоростях резания коэффициент эффективности достигает двух.

Рис. 50 Влияние скорости резания на площадь обработанной поверхности при обычном и ультразвуковом точении вольфрама

Износ резцов при точении с ультразвуком частотой f=16,5 кГц, амплитудой A=3÷4 мкм менее интенсивен, чем при обычном точении (рис. 50, 51). При точении с ультразвуком резцами из сплавов ВК8 и ВК60М оптимальная скорость резания (окружная скорость заготовки) сдвинута в область меньших значений v. Действительная же скорость резания меняется незначительно. Здесь — среднее значение колебательной скорости. При частоте f=16,5 кГц и А=4 мкм =15 м/мин.

Возбуждение колебаний с большой амплитудой (А=5÷7 мкм) приводит к снижению стойкости твердосплавного инструмента. Потеря режущих свойств наступает в результате хрупкого разрушения режущей кромки у вершины резца.

При воздействии на резец вынужденных тангенциальных колебаний износ его в общем случае зависит от трех основных факторов: изменения напряженно-деформированного состояния в зоне резания; возникновения в материале инструмента высоких усталостных напряжений; повышения температуры за счет увеличения истинной скорости резания. В зависимости от режимов резания и параметров ультразвуковых колебаний относительное влияние каждого из этих факторов может быть различно. В области малых значений амплитуд колебаний влияние на износ твердосплавного инструмента двух последних факторов невелико, а основное влияние оказывает улучшение условий резания — уменьшение объема пластической деформации, снижение сил резания и коэффициента трения.

Вольфрам обладает высокими абразивными свойствами. Изменение условий контакта передней и задней поверхностей режущего инструмента и обрабатываемого материала при воздействии ультразвуковых колебаний вызывает уменьшение Сил резания и коэффициента трения. Это приводит к снижению интенсивности абразивного и адгезионного износа и увеличению величины F по сравнению с обычным точением. Работой пластического деформирования и работой трения на передней и задней поверхностях инструмента определяется количество выделяющейся в зоне резания теплоты [41], причем доля теплоты, обусловленная работой трения, может достигать 50% теплоты, выделяющейся в результате всей работы резания. Изменение сил трения при резании приводит к изменению количества выделяющейся теплоты и, следовательно, температуры резания. Таким образом, изменение условий трения влияет на износ инструмента при резании непосредственно вследствие изменения сил трения и косвенно через влияние на температуру в зоне резания.

При амплитудах А=5÷6 мкм на износ инструмента большее влияние начинает оказывать изменение условий нагружения и увеличение истинной скорости резания. В начальный период под влиянием высокочастотной циклической нагрузки происходит накопление искажений кристаллической решетки и увеличение износа связано в основном с увеличением действительной (истинной) скорости резания. На увеличение интенсивности износа оказывает влияние, по-видимому, и ослабление межатомных связей вследствие увеличения плотности дислокаций. При дальнейшей работе инструмента и увеличении числа циклов нагружения плотность дислокаций превышает критическую величину и происходит усталостное разрушение режущей кромки инструмента.

При точении вольфрама с амплитудой 5—6 мкм время стационарного износа (h₃ = 0,1÷0,2 мм) измеряется несколькими секундами, поэтому строить стойкостные зависимости в этом случае нет смысла. При амплитудах порядка 6 мкм усталостное разрушение наступает за очень короткий промежуток времени, чем и объясняется отсутствие в этом случае зоны абразивного и адгезионного износа.

Изложенное выше о роли и влиянии различных факторов на интенсивность износа в основном относится и к инструменту из быстрорежущей стали. Особенность ее в том, что по сравнению с твердым сплавом она имеет более высокие механические свойства (σ_изг=250 кгс/мм²), поэтому усталостного разрушения не происходит.

При воздействии в зоне резания вынужденных тангенциальных колебаний стойкость инструмента из быстрорежущей стали снижается по сравнению с обычным точением (рис. 51). Это можно объяснить увеличением действительной скорости резания, которая при воздействии ультразвуковых колебаний может значительно превышать окружную скорость заготовки.

В процессе экспериментов установлено, что при резании с воздействием ультразвуковых колебаний в связи с особенностями характера износа большое значение имеет качество заточки режущего инструмента. Усталостное разрушение, как известно, начинается с поверхностных слоев, поэтому сопротивление усталостному разрушению у резцов с тщательно доведенными поверхностями будет возрастать, что и наблюдалось при исследованиях.

Исследования обрабатываемости вольфрама при точении с воздействием на резец низкочастотных тангенциальных колебаний частотой f=240÷620 Гц с амплитудами A=5÷40 мкм резцами из сплавов ВК8, ВК60М, ВК150М с указанной выше геометрией показали, что низкочастотные колебания уменьшают стойкость инструмента (рис. 52). При увеличении интенсивности низкочастотных колебаний возрастает интенсивность износа инструмента. При резании с воздействием колебаний частотой f=320 Гц с амплитудой A=12 мкм площадь обработанной поверхности уменьшается на 40% по сравнению с обычным точением. Интенсивность износа в большей степени зависит от амплитуды колебаний, с увеличением амплитуды износ твердосплавного инструмента увеличивается.

Рис.51 Зависимость площади обработанной поверхности от скорости при обычном и ультразвуковом точении сплава Р12Ф5М

Рис. 52 Влияние низкочастотных колебаний на площадь поверхности, обработанной резцом из сплава ВК150М