Оценка напряженного состояния режущих элементов концевых твердосплавных составных фрез с покрытиями

Цель работы – исследовать величины напряжений в инструментальном материале составных концевых фрез для того, чтобы сравнить их с допустимыми напряжениями с позиций исключения разрушения фрез. Объектом исследования являются предельные величины напряжения в инструментальном материале разработанных составных концевых твердосплавных фрез, имеющих сопряжѐнные между собой режущую часть и хвостовик. Режущая часть выполнена из инструментального твердого сплава, хвостовик – из конструкционной стали. Для определения напряжений использовано имитационное моделирование в программной среде ANSYS и Deform. Составляющие силы резания определены экспериментально. Принято, что чем меньше величины составляющих силы резания, тем меньше величины напряжений в инструментальном материале, и тем меньше возможность разрушения инструментального материала. Рассмотрено фрезерование труднообрабатываемой нержавеющей стали 12Х18Н10Т со скоростью резания 70 м/мин, с глубиной резания 1 мм и подачей 0,1 мм/зуб. Рассмотрен инструментальный материал ВК8 без покрытий и с разными покрытиями, которые способствуют снижению составляющих сил резания. Доказано, что составной концевой фрезой диаметром 16 мм и длиной 92 мм можно обрабатывать детали с той же точностью, с какой их обрабатывают монолитной (цельной) концевой твердосплавной фрезой. С увеличением длины составных фрез точность обработки снижается, но при длинах 123 мм и 180 мм они применимы для изготовления деталей, используемых в общем машиностроении. Таким образом, составные концевые фрезы могут конкурировать с монолитными фрезами по точности изготовления и периоду стойкости, чем ограничивают существующую область применения монолитных фрез. При этом стоимость составных фрез меньше монолитных на 10–60%.

1. Мокрицкий Б.Я., Верещагина А.С., Верещагин В.Ю. Моделирование напряжений и деформации твердосплавных концевых фрез // Ученые записки Комсомольского-на-Амуре государственного университета. Серия: Науки о природе и технике. 2016. № 1. С. 82–87.

2. Верещагин В.Ю., Мокрицкий Б.Я., Верещагина А.С. Прогнозное моделирование архитектуры покрытия на металлорежущем инструменте // Упрочняющие технологии и покрытия. 2018. Т. 14. № 4. С. 147–156.

3. Мокрицкий Б.Я., Пустовалов Д.А., Саблин П.А., Коннова Г.В., Кравченко Е.Г. Параметрические исследования составных твердосплавных концевых фрез // Металлообработка. 2015. № 6. С. 23–29.

4. Подойницын М.А., Мокрицкий Б.Я., Морозова А.В., Мокрицкая Е.Б. Совершенствование твердосплавной концевой составной фрезы // Вестник Брянского государственного технического университета. 2017. № 1. С. 50–57. https://doi.org/10.12737/24892

5. Мокрицкий Б.Я., Пустовалов Д.А., Кваша В.Ю., Артѐменко А.А., Кравченко Е.Г. Совершенствование твердосплавных концевых фрез // Проблемы машиностроения и автоматизации. 2016. № 1. С. 49–54.

6. Totten G.E., Xie Lin, Funatani K. Modeling and Simulation for Material Selection and Mechanical Design. New York, 2004. 880 р. https://doi.org/10.1201/9780203913451

7. Vereschaka A., Oganyan M., Bublikov Yu., Sitnikov N., Deev K., Pupchin V. Increase in efficiency of end milling of titanium alloys due to tools with multilayered composite nano-structured Zr-ZrN-(Zr,Al)N and Zr-ZrN-(Zr,Cr,Al)N coatings // Coating. 2018. Vol. 8. Iss. 11. Р. 395. https://doi.org/10.3390/coatings8110395

8. Vereschaka A.A., Vereshchagin V.Y., Sitnikov N.N., Oganyan G.V., Aksenenko A.Yu. Study of mechanism of failure and wear of multi-layered composite nanostructured coating based on system Ti-TiN-(ZrNbTi)N deposited on carbide substrates // Journal of Nano Research. 2017. Vol. 45. P. 110–123. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/JNanoR.45.110

9. Özel T., Altan T. Determination of workpiece flow stress and friction at the chip–tool contact for high-speed cutting // International Journal of Machine Tools and Manufacture. 2000. Vol. 40. Iss. 1. Р. 133–152. https://doi.org/10.1016/S0890-6955(99)00051-6

10. Fox-Rabinovich G.S., Yamomoto K., Veldhuis S.C., Kovalev A.I., Dosbaeva G.K. Tribological adaptability of TiAlCrN PVD coatings under high performance dry machining conditions // Surface and Coatings Technology. 2005. Vol. 200. Iss. 5–6. P. 1804–1813. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2005.08.057

11. Erkens G., Cremer R., Hamoudi T., Bouzakis K.-D., Mirisidiset I., Hadjiyiannis S., et al. Properties and performance of high aluminum containing (Ti, Al)N based supernitride coatings in innovative cutting applications // Surface and Coatings Technology. 2004. Vol. 177-178. P. 727–734. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2003.08.013

12. Zhang Hua, Deng Zhaohui, Fu Yahui, Lv Lishu, Yan Can. A process parameters optimization method of multi-pass dry milling for high efficiency, low energy and low carbon emissions // Journal of Cleaner Production. 2017. Vol. 148. P. 174–184. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2017.01.077

13. Huang Weijian, Li Xi, Wang Boxing, Chen Jihong, Zhou Ji. An analytical index relating cutting force to axial depth of cut for cylindrical end mills // International Journal of Machine Tools and Manufacture. 2016. Vol. 111. P. 63–67. https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2016.10.003

14. Venu Gopala Rao G., Mahajan P., Bhatnagar N. Micro-mechanical modeling of machining of FRP composites – Cutting force analysis // Composites Science and Technology. 2007. Vol. 67. Iss. 3-4. P. 579–593. https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2006.08.010

15. Vasilchenko S., Cherny S., Khrulkov V. Improving dynamic and energy characteristics of electromechanical systems with single-phase rectifiers // International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing (ICIEAM). 2020. https://doi.org/10.1109/ICIEAM48468.2020.9111902

16. Shet Chandrakanth, Deng Xiaomin. Finite element analysis of the orthogonal metal cutting process // Journal of Materials Processing Technology. 2000. Vol. 105. Iss. 1-2. Р. 95–109. https://doi.org/10.1016/S0924-0136(00)00595-1

17. Mokritskii B.Yа., Pustovalov D.A., Vereschaka A.A., Vereschaka A.S., Verhoturov A.D. Evaluation of efficiency of edge tool on the basis of new technique for analyzing parameters of scribing mark // Applied Mechanics and Materials. 2015. Vol. 719-720. P. 96–101. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMM.719-720.96

18. Zaychenko I.V., Bazheryanu V.V., Gordin S.A. Improving the energy efficiency of autoclave equipment by optimizing the technology of manufacturing parts from polymer composite materials // Materials Science and Engineering: IOP Conference Series. 2020. Vol. 753. Ch. 2. Р. 032069. https://doi.org/10.1088/1757-899X/753/3/032069

19. Shatla M., Kerk C., Altan T. Process modeling in machining. Part I: determination of flow stress data // International Journal of Machine Tools and Manufacture. 2001. Vol. 41. Iss. 10. Р. 1511–1534. https://doi.org/10.1016/S0890-6955(01)00016-5

20. Dobryshkin A.Y., Sysoev O.E., Nyein Sitt Naing. Modeling of the opened shell forced vibrations with a small associated mass, with hinged operation by the Pade' aproximation method // Materials Science and Engineering: IOP Conference Series. 2020. Vol. 753. Ch. 2. Р. 032024. https://doi.org/10.1088/1757-899x/753/3/032024