Исследование на физических и математических моделях статической и динамической прочности твердосплавных режущих пластин как структурно-неоднородных объектов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.03.01, кандидат технических наук Вассихун Ймер Амедие

• Вассихун Ймер Амедие
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Вассихун Ймер Амедие

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Прочностные и упругие характеристики твердосплавных режущих инструментов как неоднородных объектов

1.1.1. Прочность твердосплавных режущих пластин

1.1.2. Упругость неоднородных тел

1.2. Износ и Виды разрушения инструмента, и хрупкое разрушение твердосплавных пластин

1.2.1. Износ и Виды разрушения инструмента

1.2.2. Хрупкое разрушение твердосплавных пластин

1.3. Напряжения в твердом сплаве при резании и его влияние на работоспособность твердого сплава

1.4. Теоретические основы строения и разрушения твердосплавных пластинок

1.4.1.Состав, Классификация, и механические свойства твердосплавных пластин. 1 Л.2.Структура и область применения твердосплавных инструментов

1.4.3.Технология изготовления и тенденция совершенствования твердосплавных инстру ментов

1.5. Обсуждение литературных данных и формулировка цели и задач исследования

Глава 2. ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕНИЙ В СТРУКТУРНО

НЕОДНОРОДННОЙ СРЕДЕ МЕТОДОМ

ФОТОМЕХАНИКИ

2.1. Методика проведения экспериментов методом фотомеханики.

2.1.1. Описание физической модели и ее свойства

2.1.2. Конструктивная схема экспериментальной установки и методика и техника исследования

2.1.3. Схема тарировки и результаты тарирования динамометра

2.2. Результаты экспериментов и техника обработки результатов

2.3. Обработка результатов эксперимента 2.3.1 .Обработка результатов эксперимента и построение эпюр напряжений

2.3.2. Анализ эпюр напряжений при нагружении сосредоточенной и распределенной силой

2.3.3. Расчет разности главных напряжений (с^.сЬ) или максимального касательного напряжения ттах

2.4. Выводы исследования напряжений в структурно-неоднородной среде методом фотомеханики

Глава 3. РАСЧЕТЫ ДЕФОРМАЦИЙ И НАПРЯЖЕНИЙ НА

ОСНОВЕ ФИЗИЧЕСКОГО И МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

3.1. Расчет жесткости, податливости и деформации упругой связи поляризационно-оптической модели

3.2.Расчеты напряжений в упругих связях физической модели

3.3. Статически неопределимая модель привершинной области режущей пластины из двух компонентно го твердого сплава

ГЛАВА 4. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ И ФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАЗРУШЕНИЯ ПРИВЕРШИННОЙ ОБЛАСТИ 103 ТВЕРДОСПЛАВНОЙ РЕЖУЩЕЙ ПЛАСТИНЫ

4.1. Разработка дискретной компьютерной модели

4.2. Расчет напряжения и деформация твердосплавного инструмента моделью вариационно-разностным 116 методом

4.3. Экспериментальное исследование и методика механи ческих испытаний предела прочности твердосплавных пластин

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование на физических и математических моделях статической и динамической прочности твердосплавных режущих пластин как структурно-неоднородных объектов»

Механическая обработка резанием сегодня - это один из самых широко используемых производственных процессов в мире. Она остается до настоящего времени наиболее предпочтительным процессом для окончательной обработки размеров деталей (несмотря на значительный прогресс в развитии таких технологических методов как точное литье, штамповка, электрофизическая обработка, электрохимическая обработка и т.д.), что обусловлено гибкостью и мобильностью, высокой точностью и качеством обработанного поверхностного слоя, низкой себестоимостью.

Прогрессивные методы обработки металлов резанием, автоматизация технологических процессов, применение в машиностроении новых материалов и сплавов поставили перед исследователями в области резания металлов ряд новых задач и проблем. Одной из таких задач является проблема прочности твердосплавных режущих инструментов, которая становится все более актуальной благодаря распространению высокопроизводительных режущих материалов и сплавов, стойкость которых зачастую лимитируется хрупким разрушением режущей части.

Твердосплавные режущие инструменты широко применяют в машиностроении, так как они обеспечивают использования современного металлообрабатывающего оборудования производительности труда за счет увеличения скорости резания до 5 раз по сравнению с резцами из быстрорежущих сталей. Высокие твёрдость и теплостойкость твердых сплавов позволяют обрабатывать резанием заготовки из труднообрабатываемых конструкционных материалов и закалённых сталей. Однако, наряду с относительно высокой износостойкостью, твердые сплавы обладают недостаточной механической прочностью. К тому же исходная механическая прочность твердых сплавов снижается в процессе изготовления и эксплуатации режущих инструментов. Все это приводит к преждевременному выходу из строя инструментов, изготовленных из твердых сплавов.

В Эфиопии ежегодно расходует на импорт режущего инструмента миллионы долларов. Однако наряду с колоссальными затратами эффективность использования инструмента крайне низка. Так, например, на некоторых предприятиях поломки инструмента достигают более 35%. Преждевременный выход из строя такого большого количества инструмента приводит к непроизводительному расходу дорогостоящей инструментальной стали, твёрдых сплавов, ценных легирующих элементов, к простою оборудования, а также к затрате других материалов и рабочей силы.

Практика эксплуатации и экспериментальные исследования твердосплавного режущего инструмента показывают, что причиной его отказов в 70%-80% случаев являются поломки, скалывания и выкрашивания режущего клина [99]. Такой существенной характеристикой прочностных свойств твердосплавных режущих пластин является предмет исследований этой работе.

Вариации стойкости и разнообразные видов разрушения при резании в идентичных условиях указывают на целесообразность изучения напряжений в режущей пластине путём представления её как квазидискретной области с локальными неоднородностями строения и прочностных свойств. Такой подход в первом приближении отвечает физическому строению твердого сплава как совокупности зерен карбидов вольфрама, титана и других туго плавких металлов, соединённых прослойками кобальта.

Наблюдение износа твердосплавных пластин показывает, что разрушение часто происходит не по передней и задней поверхности, как можно было бы предполагать, но в другом месте, сравнительно далеко от главной и вспомогательной режущих кромок. Можно предположить, что если бы структура режущих инструментов была бы однородной, то разрушение происходило бы по режущим кромкам, которые имеют непосредственный контакт с обрабатываемой поверхностью.

Несмотря на большую работу, проведенную многими исследователями в этом направлении, ряд вопросов остаётся нерешенным. К ним относится и вопрос о расчете прочности режущих твердосплавных пластин с учетом неоднородности структуры. Эти соображения показывают, что исследование механики процесса разрушения твердосплавного инструмента с учетом представления его как структурно неоднородной среды представляет научный и практический интерес. Разработанные физическая и математическая модель могут способствовать правильному выбору режимов резания и прогнозирование его стойкости на основе знания структурной неоднородности режущего материала. Проведение исследований в этом направлении является актуальной научно технической проблемой.

ПРИЗНАНИЯ

Автор выражает благодарность коллективам кафедры технологии машиностроения, металлорежущих станков и инструментов РУДН, в частности Профессору Рогову В.А. и Кошеленко A.C.

Искрение чувства благодарности и признательности автор выражает своему научному консультанту доц. Соловьеву В .В: и научному руководителю Профессору Позняку Г.Г.

Автор искренно выражает благодарность Министерствам образования Эфиопии и России за финансовую поддержку в течение данной работы.

Наконец, автор желает расширить его благодарность и любовь всем членам его семья, детям и друзьям для их терпимости, постоянной поддержки и любви.

Заключение диссертации по теме «Технологии и оборудование механической и физико-технической обработки», Вассихун Ймер Амедие

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработаны математические и физические модели для изучения напряжений и деформаций твердосплавных режущих пластин как структурно-неоднородных материалов, и для компьютерного анализа их прочности. Модели имитируют зерна привершинной области режущих пластин имеющих размеры мм , причем в первом приближении эти области рассматриваются как совокупность жестких элементов, соединенных между собой упругим связями.

2.Разработаны стенды и методики для выполнения поляризационно-оптических исследований напряженно-деформированного состояния физических моделей структурно-неоднородных материалов в частности твердосплавных пластин.

3. Разработана; математическая модель для расчета прочности твердосплавных режущих пластин, позволяющая анализировать напряженно-деформированное состояние зерен пластин, путем компьютерного расчета и построения полей напряжений и деформаций в области контакта режущей кромки с обрабатываемой поверхности, с целью прогнозирования областей разрушения при резании.

4. Разработаны алгоритм и программа для исследования напряжений и деформаций на математических моделях в привершинной области режущих пластин. Программа позволяет анализировать распределение напряжений в упругих связях режущих пластин при различных видах обработки и нагру-жения.

5. математическая модель позволяет рассчитать продолжительность работы режущей кромки до момента возникновения усталостного повреждения в виде выкрошивания или скола. Модель позволяет априорно прогнозировать, слом режущих пластинок тем самыми обеспечивает оптимальный режим резания. Максимальных касательных напряжений в режущей пластине увеличивает на 17.3% при изменении скорости резания от 40м/мин до 180 м/мин и на 23,5% при изменении толщины среза от 0,1мм до 0,4мм.

6. Доказано, что поляризационно-оптические методы с помощью искусственно создаваемых неоднородностей в моделях из оптически чувствительных материалов позволяют расширить область традиционного применения исследований. Они являются важным звеном (элементом), позволяющим оценить достоинство и область применения создаваемых новых математических моделей прочности, разрушения и резания. Средняя величина разность результатов расчета максимальных тангенциальных напряжений при симметричном нагружении модели в экспериментальных и аналитических методах находиться в пределах от 1,1% до 10,9%.

7. Выполнены экспериментальные исследования и разработана методика проведения исследований статической прочности и определены диапазоны усилий разрушения твердосплавных режущих инструментов марки ВК8 и Т15К6. Разрыв максимальных и минимальных значений разрушающей нагрузки пластин отличаются на 31,9% для образцов Т15К6 (РЮ) и 10,25% ВК8 (КЗО)от их соответствующего среднего значения.

134

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Вассихун Ймер Амедие, 2008 год

1. Абуладзе Н.Г., Характер и длина пластического контаката стружки с передней поверхностью инструмента. М.: Высшая школа, 1962. 400 с.

2. Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий». М.: Наука, 1976г. 278с.

3. Александров А.Я., Ахметизянов М.Х. Поляризационно-оптические методы механики деформируемого тела.-М.: Наука, 1973 .-576с.

4. Амедие В.Й., A.C. Кошеленко, Г.Г. Позняк, В.А. Рогов, Экспериментально-аналитическое исследование напряжений в межзеренных связях твердосплавной режущей пластины // СТИН.— М.: 2008г.- № 7. — С. 17—21.

5. Андрейкив А. Е. Разрушение квазихрупкнх тел с трещинами при сложном напряженном состоянии. — Киев: Наук, думка, 1979. 127 с.

6. Артамонов Е.В. Прочность и работоспособность сменных твердосплавных пластин сборных режущих инструментов. — Тюмень: ТюмГНГУ, 2003. -192.

7. Артамонов Е.В., Ефимович И.А., Смолин Н.И., Утещев М.Х. Напряженно-деформированное состояние и прочность режущих элементов инструментов. —М.:Недра, 2001.-199с.

8. Бабенков И.С.,Романова В.А. Поляризационно-оптический метод исследования напряжений. М.: УДН, 1981, 51с.

9. Байрамов Ч.Г. Природа изношивания твердосплавного режушего инструмента. Баку: Издальство ЭЛМ, 2003.

10. Бетанели А.И. Хрупкая прочность режущей части инструмента. -Тбилиси: Грузинский политехнический ин-т, 1969. 319 с.

11. Бетанели А.И., к исследованию прочности режущей части инструмента, «вестник машиностроения, 1964,No 2.

12. Бетанели А.И., к исследованию хрупкой прочности режущей части твердосплавного инструмента, сб. высокопроизводительного резание в машиностроении, «наука», М.,1966.

13. Бетанели А.И., Прочность и надежность режущего инструмента. Тбилиси: саьчота сакартвело 1973.

14. Бобров В.Ф. Определение напряжений в режущей части металлорежущих инструментов // Высокопроизводительное резание в машиностроении. — М.: Наука, 1966.- С.228-233.

15. Болотин В. В. Стохастические модели зарождения и развития трещин //Нелинейные модели и задачи механики деформируемого твердого тела. М. 1984. - С. 166-179.

16. Вавакин А. С., Салганик Р. JI. Эффективные упругие характеристики тел с изолированными трещинами, полостями и неоднородностями //Изв. АН СССР. Механика тверд, тела. 1978.- № 2. - С. 95-107.

17. Васин С.А., Верещака A.C., Кушнер B.C., Резание металлов, термомеханический подход к системе взаимосвязей при резании.-М.: Издательство МГТУ имени Н.Э. Баумена.-2001.-448с.

18. Верешака A.C. Работоспособность режущего инструмента с износостойким покрытиями —М.: Машиностроение, 1993.

19. Горбачева Т.Б. Рентгенография твердых сплавов. —М.: Металлургия 1985.

20. Грановский Г.И., Грановский В.Г. Резание металлов учебник для вузов — М.: «высшая школа», 1985.

21. Гуревич Д.М. Адгезионно-усталостное изнашивание твердосплавного режущего инструмента// Вестник машиностроения. — 1986. № 5. - С. 43-45.

22. Дурнли P.A. Механизм износа передней и задней поверхности твердосплавных инструментов с покрытием и без покрытиями. Американского общества Инженеров механиков. 1985.No2. С75-90.

23. Екобори Т. Физика и механика разрушения и прочности твердых тел. М.: Металлургия. 1971. - 264 с.

24. Зенкевич О. Методы конечных элементов в технике. — М.: Мир.1975. 541с.

25. Зорев H.H., Клауч Д.Н., Батырев В.А. и др. О процессе износа твердосплавного инструмента //вестник машиностроение.-197l.-Nol 1

26. Иванова В.Н. Вариационные принципы и методы решения задач теории упругости: Учеб. пособие. — М.: Изд-во РУДН, 2001. 176 с. ил.

27. Кабалдин Ю.Г. Исследование разрушения режущей части твердосплавного инструмента при фрезеровании // Вестник машиностроения. -1981.-№8.-С. 52-54.

28. Кабалдин Ю.Г. Хрупкое разрушение режущей части инструмента // Вестник машиностроения. — 1981. — № 7. — С. 41-42.

29. Кабалдин Ю.Г., Трембач E.H. Некоторые особенности прерывистого резания // Вестник машиностроения, № 6, 1973, С. 75-77.

30. Канаун С. К., Левин В. М. О микронаправлениях в композиционных материалах в области сильно меняющихся внешних полей // Механика композитных материалов. 1984. - № 4. - С. 21-27.

31. Качанов Л.М. Основы механики разрушения. М.: Наука, 1974,312 с.

32. Клущин М.И., расчет режущей части режущей части инструмента на прочность станка и инструмент. М.: 1958 No2

33. Копьев И. М., Овчинский А. С., Билсагаев Н. К. Моделирование на ЭВМ различных механизмов разрушения композитных материалов // Прочность и разрушение композитных материалов. Рига: Зинатне. 1983. - С. 113-118.

34. Кошеленко A.C., Позняк Г.Г. Теоретические основы и практика фотомеханики в машиностроении. М.: Граница 2004.-296 с.

35. Креймер Г.С. Прочность твёрдых сплавов. М. Металлургия, 1966. - 200 с.

36. Куклин л. г., Исследование усталости твердого сплава, известия высших учебных заведений. «Машиностроение», 1953, No 7.

37. Куклин л. г., Усталостная прочность сплава Т5К10, «Станки и инструмента», 1961,No4.

38. Куклин Л.Г.,Сагалов В.И., Серебровский В.Б.ДНабашов С.П. Повышение прочности и износостойкости твердосплавного инструмента .М.: машиностроение, 1968. 140с.

39. Кукса. JI. В. Микродеформации и микронапряжения в структурно-неоднородных материалах, Москва. 1993. 78 с.

40. Куксенко В. С. Модель перехода от микро- к макроразрушению твердых тел // Физика прочности и пластичности. JL, 1983. - С. 36-41.

41. Левин В. М. К определению эффективных упругих моделей композитных материалов // ДАН. 1975. - Т. 220, № 5. - С. 1042-1045.

42. Лоладзе Т.Н., прочность и износостойкости режущего инструмента. М.: Машиностроение 1982. — 320 с.

43. Лоладзе Т.Н., Ткемиладзе Г.Н., Тотчиев Ф.Г. Исследование напряжений в режущей части инструмента при периходных процессах методом фотоупругости //Сообщ.А.Н. Грузинский CCP.-1975.-No3.

44. Ломакин В. А. Теория упругости неоднородных тел. М.: Наука, 1976.-450 с.

45. Лошак М.Г. Прочность и долговечность твердых сплавов. Киев: Науководумка,1984. 327 с.

46. Макаров А.Д. Оптимизазия процессов резания. -Малиния Н.Н. Прикладная теория.-М.: Машиностроение , 1976.-278с.

47. Мигранов М.Ш. Исследование износостойкости спеченных порошковых инструментальных материалов на основе быстрорежущей стали.-Известия ТулГУ.Сер. инструментальные и метрологические системы. Вып. 1.ч.2.-Тула: Из-во ТулГУ, 2005.-с113-118

48. Мишику М., Теодосиу К. Решение при помощи теории функции комплексного переменного статической плоской задачи теории упругости для неоднородных изотропных тел // Прикл. математика и механика.-1966. -Т. 30. вып. 2. С. 18-22.

49. Некрасов С.С., обработка металлов резанием. М.: "колес" 1997.

50. Остафьев В.А.Расчет динамической прочности режущего инструмента. М.: Машиностроение, 1979. 168 с: ил.

51. Полетика М.ф. Контактные нагрузки на режущих поверхностях инструмента. М.:Мащиностроение,1969. 148 с. :ил.

52. Полетика М.Ф. Мелихов В.В. Контактные нагрузки на задней поверхности инструмента //вестник машиностроение.-1967.-1Чо9.-с78-81.

53. Полетика М.ф., Утешев М.Х. Исследование процесса резания по-ляризационно- оптическим методом // Известия Томского политехнического института.-Томск, 1964.-Вып. 114.-С.114-118.

54. Полетика М.Ф., Утешев М.Х. К расчету режущей части инструмента на прочность. // Известия Томского ордена Трудового Красного знамени политехнического ин-та СМ. Кирова, т. 133, 1975.

55. Пономарев С.Д., Бидерман В.Л., Лихарев К.К., Макушин В.Н., Феодосьев В .И., Расчеты на прочность в машиностроении, том 1, Машгих, М., 1956.

56. Пономарев С.Д., Бидерман В.Л., Лихарев К.К., Макушин В.Н., Феодосьев В.И., Расчеты на прочность в машиностроении, том 2, Машгих, М., 1956.

57. Пономарев С.Д., Бидерман В.Л., Лихарев К.К., Макушин В.Н., Феодосьев В.И., Расчеты на прочность в машиностроении, том 3, Машгих, М., 1956.

58. Рогов В.А., Позняк Г.Г. Методика и практика технических экспериментов. М.: Академа,2005.

59. Розенберг Ю.А., Тахман С.И., Силы резания и методы их определения Часть I и П.Общие положения: Учебное пособие.- Кургин: КМИ, 1995.

60. Розин Л.А. Задачи теории упругости и численные методы их решения. -СПб.: Изд-во СПбГУ, 1998. 532 с.

61. Розин П.А., Константинов И.А., Смелов В.А. Расчет статически неопределимых стержневых систем. Л.: Издательство Ленинградского университета, 1988. 328 с.

62. Славин O.K., Трумбачев В.Ф., Тарабасов Н.Д. Методы фотомеханики в машиностроении. М.: Машиностроение, 1983. - 269 с: ил.

63. Сменные пластины и инструменты SANDVIK-MKTS// Твердосплавный инструмент.-М., SANDVIK-MKTC,2000.

64. Тимошенко С.П., Гудьер Дж. Теория упругости. (Пер. с англ.). -М.: Наука, 1979, 560 с.

65. Тихомиров П. В., Юшанов С. П. Объемное разрушение материалов с неоднородной структурой // Механика полимеров. 1978. - № 3. - С. 462-469.

66. Третияков и.п. проблема прочности металлорежущего инструмента и некоторые пути ее решения. М.: издательство "знание", 1953.

67. Фельдштейн Е.Э., Яковенко В.А. Оптимизация режимов резания одноинструментных операций механической обработки порошковых материалов с использованием ЭВМ. Белорусская государственная политехническая академия. Минск. 1998, с. 25.Деп. в ВИНИТИ № 3420-В98.

68. Фрохт М. Фотоупругость, т. I. Пер. с англ. М.: Л.ГОНТИ, 1948.

69. Фрохт М. Фотоупругость, т. П. Пер. с англ. М.: Л.ГОНТИ, 1950.

70. Хает Г. Л. Прочность режущего инструмента. М. Машиностроение, 1975.-166 с.

71. Хает Г.Л., Гах В.М., Громаков К.Г. и др. Сборный твердосплавный инструмент.- М.: Машиностроение, 1989.-256с.

72. Хает Г.Л., Сергеев Л.В., Миранцов Л.М. расчет на прочность твердосплавного резца как составного тела // Надежность режущего инструмента.-Киев: Техника, 1972.-С.106-116.

73. Хеккель К. Техническое применение механики разрушения. М.: Металлургия, 1974, - 64 с.

74. Черепанов Г. П. Механика хрупкого разрушения.- М.: Наука, 1974.-640 с.

75. Шермергор Т. Д. Теория упругости микронеоднородных сред. -М.: Наука. 1977. 400 с.

76. Baldorf S. В., Heinish Н. L. Fracture statistics of brittle materials with surface cracks // Eng. Fracture Mech.-1978. Vol. 10, N 4. - P. 831-841.

77. Mitsubishi carbide // metal cutting carbide tools. Printed in Italy,2000.

78. Trent, E. M., Wright, P. K., 2000, "Metal Cutting", Butterworth/Heinemann, Oxford, 446 pages.