Исследование хрупкой прочности режущей части резцов ножевой головки роторного оцилиндровочного станка позиционного типа

Сергеевичев А.В. (СПбГЛТА, Санкт-Петербург, РФ)

RESEARCH of CUTTING PART FRAGILE DURABILITY of CUTTERS knife block of an ITEM TYPE rotary cylindrical machine TOOL

Одной из главных характеристик конструкционной прочности резцов ножевой головки является прочность их режущей кромки. Так, как наибольшие силы резания возникают на черновых резцах, вследствие их специфики обработки, поэтому данные исследования проводились только для черновых резцов. Остальные резцы работают в более благоприятных условиях, и проводить данные исследования нецелесообразно. Основная особенность работы черновых резцов заключается в следующем:

• наибольшая глубина резания;

• максимальная толщина стружки;

• наличие минеральных включений в коре;

• наличие сучков и участков более высокой плотности.

На основании анализа работы ножевых головок оцилиндровочных станков было установлено, что скалывание режущей части резцов происходит вследствие разрушения под действием пиковых нагрузок.

Пиковые нагрузки возникают вследствие встречи резцов с сучками, участками древесины большей плотности и с минеральными включениями в коре бревна и могут многократно превышать номинальные. Выкрашивание режущей кромки резцов обычно происходит в виде отделения объема материала, превышающего объем контактной зоны [1,2]. Объем контактной зоны ограничен поверхностями силового контакта режущего элемента со стружкой и заготовкой (бревном), а опасные точки располагаются за пределами контактной зоны режущей части резца. Установлено, что опасные точки возникают на передней грани резца на расстоянии r от режущей кромки, мм [3].

, (1)

где k₀ – некоторый коэффициент (k₀ >1);

с – ширина контакта стружки с передней гранью, измеряемая в направлении, перпендикулярном режущей кромки, мм.

В нагруженном клине при расчете напряжений различают контактную зону и область за ее пределами. В контактной зоне в соответствии с принципом Сен-Венана необходимо учитывать детальный характер внешнего нагружения резца, основываясь на действии контактных нормальных и касательных напряжений. За пределами контактной зоны расчет напряжений можно производить по сосредоточенной равнодействующей силе [4], рис. 1.

Рис. 1. Схема расчета хрупкой прочности режущей кромки чернового

резца оцилиндровочного станка

Для расчета напряжений за пределами контактной зоны существует метод [5], являющийся видоизмененным методом расчета напряжений в клине при действии сосредоточенных сил, приложенных к вершине.

Напряжения за пределами контактной зоны определяются по формулам:

; (2)

В нашем случае b = t – глубина резания, мм.

; (3)

; (4)

, (5)

где P – равнодействующая сосредоточенная сила (реакция силы резания), Н;

v₀ – угол, определяющий направление силы Р, рад;

; (6)

g – передний угол, рад;

b – угол заострения, рад;

a – задний угол, рад;

P_k – касательная составляющая реакции силы резания, Н;

P_н – нормальная составляющая реакции силы резания, Н;

t – глубина резания, мм;

с – ширина контакта стружки с передней гранью режущего элемента, измеряемая в направлении, перпендикулярном кромке резца, мм;

s_r, s_q, s_{r, q} – соответственно радиальное, тангентальное и касательное напряжения, МПа;

r, q – полярные координаты.

Так, как опасные точки расположены на передней грани резца, можно принять, что q = g в зависимости от влияния v₀ имеет место два случая напряженного состояния s_в > 0 и s_r < 0. Как показывают расчеты, при s_r > 0, s₁ = s₂, s₃ = 0, а при s_r < 0, s₁ = 0, s₃ = – s_r. Где s₁ > s₂ > s₃ – главные напряжения. В обоих случаях s₂ = 0.

С учетом этого, уравнение для определения главных напряжений имеет вид [3]

. (7)

Согласно теории предельного состояния Мора

, (8)

где s_в – предел прочности при одноосном растяжении, МПа;

s_–в – предел прочности при одноосном сжатии, МПа.

В случае, когда s_r > 0, s₂ = s₃ = 0 имеем:

. (9)

Выражение для оценки хрупкой прочности режущей кромки резца можно представить в следующем виде

, (10)

где n_в – коэффициент запаса хрупкой прочности.

Согласно рекомендациям он составляет: n_в = 1,2 - 1,5, для сравнительно недорогих инструментов, и n_в = 2 - 3 для дорогостоящих инструментов (Рекомендации института сверхтвердых материалов, ИСМ, г. Киев).

В сравнении с обработкой металлов, обработка древесины и древесных материалов имеет свои особенности и отличия. Металлы считают изотропными материалами, где силы резания зависят от их постоянных физико-механических характеристик. Древесина - анизотропный материал, при обработке которого резанием, существенное влияние на силовые показатели и энергоемкость оказывают различные факторы. Это порода древесины, влажность, наличие труднообрабатываемых зон (сучков, свилеватости, минеральных включений и т.д.). Поэтому, при оценке хрупкой прочности резца необходимо учитывать все эти факторы, которые существенно влияют на динамику резания, а значит и на хрупкую прочность режущих элементов. Таких факторов много, но главное влияние оказывают следующие факторы, оценивающиеся коэффициентом m.

, (11)

где m_т – табличное значение коэффициента;

m_n – коэффициент, учитывающий влияние породы древесины;

m_w – коэффициент, учитывающий влияние влажности древесины;

m_p – коэффициент, учитывающий влияние износа резца;

m_g – коэффициент, учитывающий влияние плотности древесины;

m_v – коэффициент, учитывающий влияние скорости резания;

Р_н – нормальная составляющая силы резания, Н;

Р_k – касательная составляющая силы резания, Н.

Коэффициент m связан с параметром g₀ следующим выражением:

. (12)

Толщину стружки (е) с достаточной точностью можно принять:

е » с » u₀ » u_z, (13)

где u_z – подача на резец, мм;

u₀ – подача на оборот, мм;

с – ширина контакта стружки с передней гранью резца, мм.

Или имеем:

. (14)

где r – расстояние до опасных точек на передней грани режущей части резца, мм;

u₀ – подача на оборот, мм.

Подставляя данные значения в уравнение (7), получим выражение для оценки хрупкой прочности режущей части чернового резца.

. (15)

Единичная сила резания равна, Н/мм:

. (16)

где P – пиковая нагрузка, Н;

t – глубина резания, мм.

. (17)

Обозначив выражение:

через F,

имеем:

. (18)

или

. (19)

или

. (20)

где s_в – предел прочности материала резца на растяжение, МПа (s_в = 1080 МПа - быстрорежущая сталь Р18);

n_в – коэффициент запаса хрупкой прочности (n = 2) в соответствии с рекомендациями [3];

[К] – максимальная (единичная) сила резания по условиям хрупкой прочности режущей части резца (допускаемая), Н/мм.

На рис. 2. представлены теоретические зависимости максимальной (единичной) силы [К] от величины подачи на оборот чернового резца по условиям прочности его режущей части.

Рис. 2. Теоретические зависимости максимальной (единичной) силы резания [К] от величины подачи на один оборот чернового резца U_z по условиям хрупкой прочности его режущей части: 1 – сосна; 2 – ель

Выводы.

1. На качество обработки бревен и производительность оцилиндровочных станков значительное влияние оказывают макронеровности и кривизна бревна.

2. При оцилиндровке бревен точением величина удельного сопротивления резанию и качество обработки зависят от вида резания и угла перерезания волокон.

3. Существенное влияние на силовые и энергетические показатели резания оказывает параметр, определяющий тангентальное смещение режущей кромки резца относительно центральных осей режущей головки.

4. Хрупкое разрушение режущей части черновых резцов происходит вследствие действия пиковых нагрузок, возникающих в зонах повышенной плотности (сучки, свилеватость, минеральные включения и т.д.).

5. Хрупкая прочность режущей кромки черновых резцов зависит от угловых параметров, характера и направления нагрузки, подачи на резец и прочностных характеристик инструментального и обрабатываемого материалов.

6. Подтверждено, что опасные точки возникают на передней грани резцов в зоне максимума растягивающих напряжений, на расстоянии от режущей кромки, превышающей величину подачи на резец (разрушение происходит за пределами контактной зоны).

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Бетанели А.И. Хрупкая прочность режущей части инструмента и области контакта со стружкой при действии распределенной силовой нагрузки. // Труды ГПИ. Тбилиси. Вып. 5. 1965. С. 34 - 46.

2. Дунаев В.Д. Излом резца при статическом изгибе // Научн. труды ЦНИИ-МОД. Архангельск. Вып. 24. 1969. С. 103 - 108.

3. Бетанели А.И. Хрупкая прочность режущей части инструмента. // ГПИ. Тбилиси. 1969. 320с.

4. Лоладзе Т.Н., Бетанени А.И. Исследование распределения напряжений в режущей части инструмента. // ГПИ. Тбилиси. 1967. Вып. 1. С. 54 -56.

5. Бетанели А.И. К обобщению метода расчета прочности режущей части инструмента // Вестник машиностроения. Тбилиси. 1965. Вып. 2. С. 14-19.