Введение к работе
Актуальность темы исследования. В современном машиностроении существенная роль отводится металлообработке резанием. Эффективность процесса зависит от режимов резания и эксплуатационных свойств инструментальных режущих материалов (ИРМ), прежде всего, твердых сплавов (ТС).
Основным показателем, определяющим эксплуатационные и экономические особенности процесса резания, является интенсивность изнашивания, которая зависит от состава ТС, режимов обработки, теплофизической обстановки в зоне резания, количественным показателем которой служит температура. Немонотонность зависимости интенсивности изнашивания от скорости резания при значительной теплонагруженности фрикционного контакта является следствием протекающих при высокой температуре динамических и термохимических процессов компонентов ТС. С целью повышения эффективности процессов резания следует учитывать эксплуатационные свойства ИРМ и теплофизические процессы в зоне резания, зависящие от режима обработки. При существующей номенклатуре марок ТС, следует отметить отсутствие научной базы разработки составов, что позволяет судить о наличии резервов повышения их режущих свойств, например, на базе энтропийного подхода и термодинамической оценки ТС.
Аналитические зависимости оценки интенсивности изнашивания на основе термодинамического подхода, учета температуры, температурных градиентов позволяют управлять процессами изнашивания и режимами резания с целью оптимизации и повышения работоспособности как для прямолезвийного, так и для сложнопрофильного режущего инструмента (РИ).
Представленные подходы создания ТС с высокими эксплуатационными свойствами, расчетные зависимости для оценки интенсивности изнашивания и оптимизации процессов точения, учет влияния износостойких покрытий на снижение температуры резания и износа направлены на повышение эффективности процессов резания и составляют актуальность данной работы.
Степень разработанности темы. Вопросам повышения долговечности РИ посвящены исследования Грановского Г.И., Зорева А.Н., Боброва В.Ф., Лоладзе Т.Н., Макарова А.Д., Чичинадзе А.В., Силина С.С., Талантова Н.В., Верещаки А.С., Суслова А.Г., Безъязычного В.Ф., Табакова В.П., Синопальникова В.А., Авакова А.А., Панченко К.П., Рыжкина А.А. и др. Основное внимание в данных работах уделяется проблемам трения и износа при резании, стойкости РИ и оптимизации процесса резания.
Однако некоторые вопросы оценки теоретико-экспериментальных фрикционных характеристик в условиях резания, создания высокоэнтропийных ТС и разработки новых критериев оптимизации режимов резания требуют дополнительных изысканий. Нельзя считать исчерпывающими и исследования процессов радиального фасонного точения, отличающегося рядом существенных особенностей (переменная геометрия, площадь, толщина среза и др.).
Целью исследований является повышение эксплуатационной стойкости лезвийного инструмента за счет: энтропийного подхода к оценке интенсивности изнашивания разработанных ТС с учетом превалирующей роли тепловых
процессов; влияния износостойких покрытий; оптимизации режимов резания из условия равенства энтропий, удельных тепловых потоков на передней и задней поверхностях РИ при токарной обработке.
Задачи исследований:
-
Разработать методику оценки интенсивности изнашивания на задней поверхности РИ на базе энтропийного подхода. По результатам теоретических исследований разработать новые составы высокоэнтропийных ТС с модифицированной связкой, провести комплекс экспериментальных испытаний.
-
Разработать аналитические зависимости для определения теплового состояния инструмента (температуры резания и градиента), как определяющих производство и поток энтропии, в условиях фасонного точения.
-
Вывести аналитические зависимости для оценки температуры резания для инструмента с износостойкими покрытиями.
-
Вывести зависимости для расчета коэффициента усадки стружки при поперечном фасонном точении как функции угла в плане и режимов резания.
-
Определить аналитические зависимости для расчета площадей среза и составляющих усилий резания при фасонном радиальном точении.
-
Разработать рекомендации и методику расчета оптимальных режимов резания по критериям минимальной интенсивности изнашивания и равенства плотностей тепловых потоков на контактных площадках.
-
Провести комплекс экспериментальных исследований, подтверждающих достоверность теоретических выводов по повышению работоспособности РИ, определению температур, усилий и оптимальных режимов резания.
Научная новизна результатов:
-
Разработана теоретическая зависимость для расчета интенсивности изнашивания на базе энтропийного подхода, учитывающая коэффициент оценки доли энергии, затрачиваемой на износ при резании.
-
Разработаны, получены, испытаны экспериментальные ТС с более высокими эксплуатационными свойствами на базе энтропийного подхода и теплофизической совместимости компонентов состава.
-
Для фасонного поперечного точения разработаны теоретические зависимости для расчета температуры в зоне резания:
– в однокоординатной постановке для расчета интенсивности изнашивания; – в двухкоординатной постановке для оценки температурных полей на передней поверхности инструмента;
– с учетом оценки влияния износостойких покрытий.
-
Разработаны расчетные зависимости для определения площадей среза и составляющих усилий резания при поперечном фасонном точении, необходимые для оценки интенсивности изнашивания.
-
Предложен способ определения оптимальных режимов резания при точении по критериям минимальной интенсивности изнашивания и равенства удельных тепловых потоков.
Теоретическая значимость работы заключается в разработке термодинамического подхода, энтропийной оценке и учете температуры как
основного канала диссипации энергии трения для исследований работоспособности и износостойкости ИРМ.
Практическая значимость работы заключается в том, что:
-
разработаны новые составы ТС с повышенными эксплуатационными характеристиками;
-
разработаны рабочие расчетные зависимости для определения интенсивности изнашивания и прогнозирования необходимой стойкости РИ;
-
разработаны зависимости для определения площадей и усилий резания в условиях фасонного радиального точения;
-
получены температурные зависимости, в том числе и для фасонного радиального точения, с учетом покрытий и без них;
5. разработана методика определения оптимальных режимов резания.
Методология и методы исследований. При решении поставленных в
диссертации задач использовались: основные положения термодинамики необратимых процессов, элементы теории теплопроводности, методы математического моделирования процессов резания, методы статистической обработки, численные методы обработки экспериментальных данных, в том числе с применением пакетов прикладных программ Mathcad и Microsoft Excel.
Степень достоверности и апробации результатов.
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов, сформулированных в работе, основана на разработке математических моделей, результатах численных расчетов, комплекса экспериментальных исследований, проведенных на испытательном стенде. Основные положения работы обсуждались и докладывались на: - XI Международном научно-техническом форуме «Инновации, экология и ресурсосберегающие технологии (Ростов-на-Дону, 2014); - XII Международной конференции «Динамика технических систем» (Ростов-на-Дону, 2016); - XIII Международной конференции «Динамика технических систем» (Ростов-на-Дону, 2017); - ежегодных отчетных конференциях профессорско-преподавательского состава ДГТУ (2011-2018гг.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 печатных работ, из них 7 в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК к публикации результатов диссертаций и один патент на изобретение РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и приложений. Основная часть работы изложена на 167 страницах, содержит 49 рисунков, 36 таблиц. Список литературы включает 134 наименования.