Надежность и диагностика технологических систем

 

        При  обработке с малыми подачами  заметное влияние на радиальную составляющую силы резания Р_у и, следовательно, на δ, оказывает радиус округления режущей кромки, возрастающий  для ряда  инструментов  весьма существенно с течением времени их работы.

Влияние на точность обработки оказывают  силовые повреждения в кинематической цепи станка. Они нарушают траекторию формообразующих движений. Повреждения, вызванные ростом сил из-за износа инструмента – обратимые повреждения средней скоростной группы.

 

3.4. Динамические  повреждения

 

Это повреждения в ТС, вызванные колебаниями. Колебания изменяют траекторию формообразующего движения, тем самым повышая шероховатость и волнистость обрабатываемой поверхности. Снижается точность обработки, т.к. динамическое воздействие приводит к увеличению силовых перемещений за счет снижения коэффициента трения на поверхностях сопряженных деталей станка.

Колебания, параметры которых зависят  от жесткости ТС, разделяются на вынужденные и самовозбуждающиеся. Вынужденные колебания возникают из-за периодичности действия возмущающей силы вследствие:

• прерывистого характера процесса резания, который определяется особенностью работы инструмента или прерывистостью обрабатываемой поверхности;
• дисбаланса вращающихся частей станка, детали или инструмента, при котором периодически изменяется направление действия центробежной силы;
• наличия дефектов в передачах станка, возникающих, например, при изготовлении или монтаже зубчатых зацеплений;
• передачи колебаний от рядом работающих объектов.

Причины вынужденных колебаний  легко обнаруживаются и могут  быть устранены.

Самовозбуждающиеся колебания (автоколебания) происходят при отсутствии внешней периодической силы. Периодически действующая сила, поддерживающая эти колебания, создается и управляется самими колебаниями (подробно не рассматриваем).

 

3.5. Виды повреждений  и отказы режущего инструмента

 

Исследования и производственный опыт показывают, что при чистовой обработке значительная, а иногда и большая часть допуска или резерва параметра Х перекрывается повреждениями в ТС, связанных с затуплением РИ. Помимо размерных погрешностей обработки, повышается шероховатость, изменяются показатели качества поверхностного слоя обработанной детали. Повреждения инструмента – это необратимые повреждения, вызванные процессами средней скорости протекания. Они влияют на показатели качества обработки как непосредственно за счет нарушения формы режущей кромки и ее расположения относительно базовых поверхностей детали, так и через влияние на другие виды повреждений в ТС:

• тепловые повреждения, т.к. растут мощности источников теплоты по мере затупления инструмента;
• силовые повреждения, т.к. растут силы по мере затупления инструмента;
• динамические повреждения, т.к. растет мощность колебаний;
• наростообразование, т.к. износ инструмента вызывает увеличение размера нароста.

В результате, затупление инструмента, в отличии от других повреждений, обязательно приведет к отказу ТС (до 60 % от общего числа отказов), если не будет выполнена его предупредительная замена. Инструмент – особый объект технологии металлообработки: разнообразные условия эксплуатации и, следовательно, нагружения его режущей части вызывают многообразные виды повреждений и отказов. Скорости изнашивания инструмента, значительно выше, чем скорости изнашивания деталей и узлов станка.

Отказ инструмента может произойти  из-за повреждений режущего участка, калибрующего участка, деталей механического крепления режущей пластинки или паяного соединения.

Преобладают отказы режущего участка. Они могут быть следующих видов:

1) Хрупкое разрушение.

2) Разрушение вследствие пластической деформации контактной зоны режущего участка.

3) Изнашивание поверхностей режущего  участка до величины допускаемого износа.

В связи с тем, что хрупкое  и пластическое разрушение связаны  с прочностью, а изнашивание – с износостойкостью, предрасположенность инструмента к тому или иному виду отказа, прежде всего, зависит от физико-механических свойств инструментальных материалов.

 

 

4. Надежность режущего инструмента

 

4.1. Хрупкое разрушение  режущего инструмента

 

Хрупкое разрушение РИ является результатом  постепенного накапливания и развития микротрещин под действием приложенной к инструменту нагрузки. С течением времени микротрещина в зонах инструментального материала, благоприятных для ее развития, перерастает в макротрещину, по которой и происходит хрупкое разрушение.

Принято различать скалывание (поломку) и выкрашивание режущей части инструмента. Эти разновидности хрупкого разрушения различаются как по объему разрушенной части, так и по причинам их вызывающим.

Скалывание (поломка) – это отделение относительно большого объема лезвия. Зона разрушения при скалывании превышает контактные площадки на рабочей части инструмента. На рис. 4.1 показаны наиболее характерные случаи скалывания твердосплавных режущих пластин на резцах.

 

 

При черновой и получистовой обработке  конструкционных сталей проходными резцами может происходить скалывание пластинки на всю ее толщину (рис. 4.1, а), а при увеличенной толщине пластинки – частичное ее скалывание (рис. 4.1, в). Такая же картина разрушения может иметь место при фрезеровании торцовыми фрезами. Иногда пластинка отрывается по месту крепления к корпусу инструмента.

К этому виду отказов можно отнести  поломку рабочей части твердосплавных и быстрорежущих сверл, концевых фрез, метчиков и др. инструментов.

Скалывание происходит тогда, когда  нагрузка, возникающая в процессе резания, создает в инструменте  напряжения, превышающие допускаемые  прочностью инструментального материала. Поэтому, вероятность скалывания и поломки зависит не только от параметров состояния инструмента, но и от условий резания. Они определяют напряжения в рабочей части инструмента.

Скалывание рабочей части существенно  зависит от геометрии инструмента (переднего угла γ, заднего угла α, угла в плане ). Из факторов режима резания наибольшее влияние оказывает подача S и толщина среза.

Скалывание в период приработки существенно зависит от возможных  дефектов в инструменте. Скалывание после длительного периода работы инструмента может быть следствием значительно превышающего допустимые величины износа или выкрашивания рабочей части, что вызывает рост сил резания и напряжений.

Т. о., скалывание должно рассматриваться  как отказ, вызванный нарушением оптимальных условий эксплуатации инструмента или отклонениями от оптимальных значений параметров начального состояния инструмента.

Выкрашивание режущих кромок – это хрупкое разрушение малых объемов инструментального материала в пределах области, ограниченной площадками контакта на передней и задней поверхностях режущего участка инструмента. На рис. 4.2 показаны характерные случаи выкрашивания твердосплавных пластинок.

 

Отказы из-за выкрашивания твердосплавных резцов часто наступает при точении труднообрабатываемых материалов. При отрезке или прорезки канавок у вершин резца возникают высокие напряжения вследствие стесненных условий схода стружки. В то же время, форма этих участков отрезных и прорезных резцов неблагоприятна для восприятия высоких напряжений. Все это приводит к частому выкрашиванию резцов на этих операциях.

Значительный удельный вес отказов  из-за выкрашивания имеет место при прерывистом резании. По различным причинам выкрашиваются твердосплавные торцовые фрезы, концевые фрезы, зуборезный инструмент, строгальные резцы и др.

Анализируя причины выкрашивания можно отметить, что отличие от скалывания состоит не только в размерах разрушенной части лезвия, но и в природе процессов. Выкрашивание – процесс закономерный. Скалывание – результат ошибок или при проектировании, или при эксплуатации инструмента.

 

4.2. Разрушение  режущего участка инструмента  вследствие              пластического деформирования

 

У большинства инструментов, работающих на получистовых и черновых режимах, уже в период приработки происходит округление режущей кромки. В вершине режущего лезвия под действием давлений при высоких температурах, напряжения достигают предела текучести нагретого инструментального материала. Так, в ряде случаев на быстрорежущем инструменте в вершине лезвия возникают высокие локальные температуры, превышающие температуры фазовых превращений быстрорежущих сталей. При резании вершина приобретает аустенитную структуру с низким сопротивлением пластическим деформациям. В результате развивается локальная пластическая деформация, приводящая к сдвигу вершины по линиям скольжения криволинейной формы (рис. 4.3).

    Вершина округляется, приобретая, так называемое, естественное формоупрочнение. Инструмент после этого остается вполне работоспособным.

    К отказу приводит значительная, распространенная на большие объемы пластическая деформация, при которой нарушается нормальное течение процесса стружкообразования. Такие деформации и отказ могут случиться сразу после начала работы инструмента, если завышены режимы получистовой или черновой обработки для принятой пары «инструментальный – обрабатываемый материалы». В этом случае, высокая температура приведет к разупрочнению значительных объемов инструментального материала в режущем лезвии, к снижению прочности и твердости. Высокие напряжения вызывают пластическое течение в поверхностных контактных слоях инструмента, а затем срез преимущественно вдоль задней поверхности.

Эти отказы, наступающие сразу после  начала работы инструмента, легко устранимы  за счет назначения оптимальных режимов  резания, обеспечивающих нормативную стойкость, а также применения  инструмента с оптимальными параметрами начального состояния.

 

4.3. Изнашивание  режущего участка инструмента

   

Взаимодействие обрабатываемого  и инструментального материала  в процессе резания приводит к непрерывному изнашиванию контактных площадок передней и задней поверхностей инструмента. При рациональной эксплуатации РИ в производственных условиях около 80 % всех его отказов вызвано изнашиванием.

В общем случае очаги износа на твердосплавном и быстрорежущем  инструменте располагаются на передней и задней поверхностях. Условия резания определяют место превалирующего очага износа, который развивается на той поверхности, на которой действует максимальная температура.

В зависимости от служебного назначения инструмента могут применяться различные критерии затупления. Основные из них следующие:

• достижение предельного износа, при котором начинается катострофическое затупление или повышается вероятность хрупкого разрушения инструмента, или дальнейший рост износа вызывает необходимость удаления значительного объема инструментального материала при переточки инструмента;
• достижение износа, при котором недопустимо повышается шероховатость обработанной поверхности или нарушаются требования к точности обработки.

Первый, так называемый критерий оптимального износа, служит целям рациональной эксплуатации инструмента и применяется  при предварительной обработке. Второй – технологический критерий, применяется при чистовой обработке, обеспечивая заданное качество детали. Рассмотренные критерии могут применяться при различных видах отказов. Так же, как при износе, они применяются при выкрашивании лезвия и пластической деформации.

Очевидно, что значения предельного  допускаемого износа при различных критериях затупления будут различны. Так, при технологическом критерии допускаемый износ меньше, чем при критерии используемом при черновой обработке. Но при принятом критерии вопрос о величине допускаемого износа для данного типа инструмента не может быть решен однозначно. Допускаемый износ зависит как от многочисленных, определяющих условия резания, так и от параметров начального состояния инструмента.

 

4.4. Прочие виды  отказов

 

При чистовой обработке имеет место отказ, связанный с образованием на режущей кромке наростов или налипов, которые повышают шероховатость обработанной поверхности сверх допустимых пределов. Это характерно для таких инструментов, как протяжки, развертки, фасонные резцы. Все шероховатости режущих кромок этих инструментов, в том числе связанные с появлением наростов, копируются на обработанной поверхности. Их появление и отказ инструмента наступают обычно еще до появления заметных очагов износа на передней и задней поверхностях, а вызываются они некоторым повышением шероховатости контактных площадок инструмента в начальной стадии их изнашивания. Условия резания заточенным инструментом должны быть такими, чтобы исключить образование наростов.