THE COMPERATIVE ANALYLISIS OF SHAVING FORMING PROCESS DURING BT8 TITANIUM ALLOY SHAPING

Full Text

Как отмечалось в публикации автора [1], характерной особенностью стружкообразования при продольном резании титановых сплавов является преобладание деформации сдвига в зоне резания, обусловленное своеобразием кристаллической структуры титановых сплавов. Срезаемые элементы имеют вид, приближающийся к форме прямоугольных треугольников, прочно связанных между собой сильно деформированным контактным слоем, что вполне соответствует классической схеме образования элементной стружки (рис. 1). Из приведенных на рис. 2 микрофотографий корней стружек видно, что отдельные элементы являются следствием последовательных сдвигов. Как видим, с увеличением скорости резания характер стружкообразования изменяется относительно мало. Величина а2, характеризующая толщину контактного слоя, уменьшается незначительно, а элементность стружки несколько увеличивается. С увеличением скорости резания процесс стабилизируется. Если при скорости резания V = 35 м/мин толщина стружки а1 заметно меняется, то при V = 120 м/мин толщина стружки почти постоянна, так же как и шаг элементов m. Из литературных данных [2], [3] известно, что с увеличением скорости резания при обработке титановых сплавов элементность стружки сильно возрастает. Причиной такого явления считается повышенная чувствительность титановых сплавов к скорости деформирования, а также явление охрупчивания стружки в результате интенсивного поглощения ею кислорода и азота воздуха. а1 а2 m 1 V Рис. 1. Схема образования элементной стружки: а1 - толщина стружки; а2 - толщина контактного слоя; m - шаг элементов; β1 - угол сдвига а б Рис. 2. Корни стружки титанового сплава ВТ8: а - S = 016 мм/об, t = 2 мм, V = 35 м/мин, режущий инструмент - ВК8; Х32; б - S = 016 мм/об, t = 2 мм, V = 120 м/мин, режущий инструмент - ВК8; Х32 Незначительное изменение элементности стружки ВТ8 с ростом скорости резания, полученное в наших опытах, может найти свое объяснение с позиций влияния температуры на пластические и упругие свойства этого сплава. До температур 500-600 0С темп уменьшения модуля упругости опережает рост пластичности: пластичность сплава δ/σb до 600 0С увеличивается на 25 %, в то время как модуль упругости падает на 35 %. При дальнейшем увеличении температуры пластичность сплава ВТ8 увеличивается значительно быстрее, чем уменьшается модуль упругости. Так, при 800 0С увеличение пластичности достигает 400 %, а модуль упругости уменьшается всего на 57 % [4]. Следовательно, если только учитывать воздействие температуры, то до 500-600 0С склонность к элементности стружки должна увеличиваться, так как сдвиговые деформации происходят легче при более низком модуле упругости. При дальнейшем увеличении температуры элементность стружки должна уменьшаться. При резании мы имеем дело с совместным воздействием температуры и скорости, так называемым температурно-скоростным фактором. По-видимому, в зоне резания титановых сплавов конкурируют несколько процессов: увеличение пластичности с ростом температуры, повышенная чувствительность к скорости деформирования и возможное явление охрупчивания поверхностного слоя из-за сильного поглощения газов. Результаты измерений параметров а2 и m на корнях стружек в зависимости от скорости резания представлены на рис. 3. Как следует из приведенных графиков, шаг элементов m больше при резании инструментом с покрытием, а толщина контактного слоя в то же время меньше. Уменьшение толщины контактного слоя стружки а2 в случае резания инструментом с покрытием свидетельствует о меньшей степени деформации в процессе трения сходящей стружки по передней поверхности резца. Эти данные хорошо коррелируют с результатами по усадке стружки. 30 50 70 90 110 Скорость резания V, м/мин 0,20 0,15 0,10 0,05 1 2 Толщина контактного слоя аz, мм 4 3 0,20 0,15 0,10 0,05 Шаг элементов m, мм Рис. 3. Влияние скорости на шаг элементов m и толщину контактного слоя а2 (S = 0,16 мм/об; t = 1 мм): 1, 2 - m; 3, 4 - а2; 1, 4 - ВК8 + NbC; 2, 3 - ВК8 Зависимости а2 и m от подачи, представленные на рис. 4, хорошо иллюстрируются микрофотографиями корней стружки, приведенными на рис. 5. При небольшой величине подачи, равной 0,08 мм/об, элементы слабо обозначены. Увеличение подачи до 0,24 мм/об приводит к значительному росту шага элементов и толщины контактного слоя стружки. Одной из причин увеличения шага элементов m и уменьшения параметра а2 для инструментов с покрытием может являться уменьшение среднего коэффициента трения на передней поверхности инструмента и связанное с этим фактом изменение направления действия равнодействующей внешних сил. Результаты влияния скорости резания и подачи на угол сдвига β1 и величину относительного сдвига εэ для элементной стружки представлены на рис. 6 и 7. 0,08 0,12 0,16 0,20 0,24 Подача S, мм/об 0,20 0,15 0,10 0,05 1 2 Толщина контактного слоя аz, мм 4 3 0,20 0,15 0,10 0,05 Шаг элементов m, мм Рис. 4. Влияние подачи на шаг элементов m и толщину а2 контактного слоя (V = 55 м/мин; t = 1 мм): 1, 2 - m; 3, 4 - a2; 1, 4 - ВК8 + NbC; 2, 3 - ВК8 а б Рис. 5. Корни стружки титанового сплава ВТ8: а - S = 0,08 мм/об, t = 2 мм, V = 55 м/мин, режущий инструмент - ВК8 + NbC; Х32; б - S = 0,24 мм/об, t = 2 мм, V = 55 м/мин, режущий инструмент - ВК8 + NbC; Х32 Из этих графиков очевидно, что с увеличением скорости резания и подачи величина угла сдвига β1 увеличивается, а относительный сдвиг εэ уменьшается. Изменение β1 и εэ находится в полном соответствии с изменением величины усадки стружки. Величина угла сдвига β1 для инструмента с покрытием больше, а относительный сдвиг меньше, чем для стандартного твердого сплава ВК8. Увеличение угла сдвига и уменьшение относительного сдвига свидетельствует о том, что процесс резания инструментом с покрытием из карбида ниобия происходит с меньшей степенью пластической деформации. Исследовалась также зависимость длины контакта стружки с передней поверхностью инструмента. Длина контакта стружки реагирует на изменение почти любого внешнего действующего фактора: скорости резания, ширины и толщины среза, свойств инструментального и обрабатываемого материалов и т. д. На рис. 8 и 9 представлены результаты измерения длины контакта ln стружки с передней поверхностью резца. Согласно полученным зависимостям наибольшее влияние на длину контакта оказывает подача. С увеличением подачи длина контакта увеличивается. 1 2 4 3 30 50 70 90 110 Скорость резания V, м/мин 40 38 36 34 32 30 Угол сдвига , град 2,0 1,8 1,4 1,0 0,6 0,2 Относительный сдвиг Э 6 5 Рис. 6. Влияние скорости резания на относительный сдвиг и угол сдвига (S = 0,16 мм/об; t = 1 мм): 1, 2, 3, 4 - β1; 5, 6 - εэ; 1, 2, 6 - ВК8 + NbC; 3, 4, 5 - ВК8; 1, 3 - эксперимент 1 2 4 3 0,08 0,12 0,16 0,20 0,24 Подача S, мм/об 40 38 36 34 32 30 Угол сдвига , град 2,0 1,8 1,4 1,0 0,6 0,2 Относительный сдвиг Э 6 5 Рис. 7. Влияние подачи на относительный сдвиг и угол сдвига 1, 2, 3, 4 - β1; 5, 6 - εэ; 1, 2, 6 - ВК8 + NbC; 3, 4, 5 - ВК8; 1, 3 - эксперимент Полученные данные хорошо коррелируют с данными работы [5], где установлено, что только толщина среза непосредственно влияет на длину контакта, а остальные факторы воздействуют на нее преимущественно через изменение усадки стружки. Длина контакта для инструмента с покрытием меньше, чем для инструмента без покрытия, причем с увеличением подачи разница в величинах длин контакта уменьшается. С увеличением скорости резания длина контакта уменьшается. Характер изменения кривых одинаков для режущих пластин ВК8 и без покрытия, и с покрытием. Длина контакта наиболее интенсивно уменьшается в диапазоне скоростей 35-60 м/мин, затем кривые выполаживаются. Отметим, что и в этом случае длина контакта для инструмента с покрытием меньше. 30 50 70 90 110 130 Скорость резания V, м/мин 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 1 2 Длина контакта ln, мм 4 3 5 6 Рис. 8. Влияние скорости резания на длину контакта: 1, 2 - S = 0,24 мм/об; 3, 4 - S = 0,16 мм/об; 5, 6 - S = 0,08 мм/об; t = 1 мм; 1, 3, 5 - ВК8; 2, 4, 6 - ВК8 + NbC 0,08 0,12 0,16 0,20 0,24 Подача S, мм/об 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 1 2 Длина контакта ln, мм 4 3 5 6 Рис. 9. Влияние подачи на длину контакта: 1, 2 - V = 35 м/мин; 3, 4 - V = 70 м/мин; 5, 6 - V = 120 м/мин; t = 1 мм; 1, 3, 5 - ВК8; 2, 4, 6 - ВК8 + NbC Как установлено [6], инструментальный материал оказывает воздействие на длину контакта стружки через теплофизические и адгезионно-поверхностные свойства. При этом с увеличением теплопроводности материала инструмента длина контакта и усадка стружки увеличиваются, уменьшается среднее контактное давление, что приводит к увеличению коэффициента трения. С увеличением способности обрабатываемого и инструментального материалов образовывать твердые растворы и интерметаллические соединения, иначе говоря, с увеличением адгезионного и диффузионного взаимодействия на длине контакта, усадка стружки и длина контакта увеличиваются. Твердый сплав ВК8 без покрытия имеет большую теплопроводность и, как можно предполагать, большую адгезионную активность к титановому сплаву ВТ8, чем тот же твердый сплав, но с покрытием из карбида ниобия, и, как следует из представленных экспериментальных результатов, большую длину контакта и усадку стружки. Уменьшение адгезионного и диффузионного взаимодействия на длине контакта передней поверхности инструмента со стружкой в случае резания инструментом из карбида ниобия должно уменьшить и средний коэффициент трения, и, как следствие, износ инструмента.

About the authors

Anatoly N Belov

Samara State Technical University

(Ph.D. (Techn.)), Associate Professor. 244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100, Russia

References

Supplementary files