Способ управления стойкостью режущего инструмента

 

Изобретение относится к области машиностроения, обработке резанием токопроводящих материалов в автомобилестроении и авиастроении. Способ включает пропускание постоянного тока через инструмент, стружку и заготовку в зоне резания, определение электродвижущей силы зоны резания и корректировку силы тока по электродвижущей силе до достижения последней значения, соответствующего требуемой температуре резания. Для исключения прерывания процесса обработки электродвижущую силу определяют периодически после начала резания при одномоментном отключении тока, затем дополнительно корректируют полярность подключения тока.

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к металлообработке резанием, и может быть использовано на предприятиях, осуществляющих резание токопроводящих материалов, например, в автомобилестроении и авиастроении.

Известны различные способы управления стойкостью инструмента.

Известны способы измерения электродвижущей силы (ЭДС)при резании с помощью естественной или искусственной термопар (см. стр.79 Подураев В.Н. Резание труднообрабатываемых материалов -М.: Высш.шк., 1974, 587с.).

В случае естественной термопары измерительный прибор включают в цепь заготовка-инструмент и регистрируют возникающую в зоне резания ЭДС. Это измерение используется для вынесения суждений о температуре в зоне резания и корректировке режимов резания с целью повышения стойкости режущего инструмента.

Для определения соответствия величины ЭДС оптимальной температуре предварительно производят трудоемкую тарировку естественной термопары.

Можно измерять температуру резания также непосредственно в зоне контакта стружки с заготовкой искусственной перерезаемой термопарой (см.177 Резников А. Н. Теплофизика процессов механической обработки материалов -М.: Машиностроение, 1981, 279с.).

Недостатком способа является его трудоемкость.

Известен способ-прототип управления стойкостью режущего инструмента путем пропускания через зону резания постоянного тока (см.стр.75,43, Макаров А. Д. Оптимизация процессов резания -М.: Машиностроение, 1976, 278с. и ст. 471, кн. В.Н. Подураева). При этом положительный электрод подключается к инструменту, а отрицательный - к заготовке. Изменяя силу тока, подбирают режим резания, при котором стойкость инструмента максимальна. Зона резания при этом подогревается и считается, что облегчается процесс резания за счет размягчения металла заготовки.

Недостатком способа является его трудоемкость и низкая точность подбора оптимальных режимов резания. Стойкость инструмента приходится определять отдельно для каждого текущего значения силы тока и режима резания.

Задачей изобретения является обеспечение возможности управления стойкостью режущего инструмента непрерывно без прерывания процесса обработки.

Поставленная задача решается тем, что при резании, при котором постоянный ток пропускают через инструмент и заготовку в зоне резания, после начала резания периодически одномоментно отключают ток и определяют ЭДС зоны резания, корректируя силу тока и полярность его подключения по ЭДС до достижения ЭДС значения, соответствующего ей требуемой температуры резания.

Сущность способа состоит в том, что в предлагаемом варианте совмещены во времени процесс измерения ЭДС зоны резания и регулирование силы и полярности подаваемого в эту зону тока от постороннего источника. Это дает возможность без проведения предварительных трудоемких экспериментов сразу после начала обработки по ЭДС установить величину и полярность тока соответствующей требуемой температуре резания для каждой конкретной пары заготовка-инструмент.

Особенностью является то, что впервые предлагается осуществлять измерение температуры резания методом естественной термопары при резании с вводом в зону резания тока от постороннего источника. Это становится возможным благодаря одномоментному отключению вводимого тока и регистрации ЭДС, что ранее нигде не списывалось.

Предлагаемый способ позволяет назначить такой режим пропускания тока, при котором режущий инструмент будет от пропускания тока не нагреваться, как в прототипе, а охлаждаться и его стойкость будет превышать стойкость искусственно охлаждаемого режущего инструмента (РИ).

Это наблюдалось при следующих условиях.

При фрезеровании однозубой фрезой с режущей вставкой из ВК 8 на неизменном режиме резания стали 110 Г 13Л при пропускании постоянного тока от заготовки к инструменту, т. е когда положительный электрод подсоединен к заготовке, а отрицательный - к фрезе, наблюдалось понижение температуры резания до силы тока J=160А. ЭДС зоны резания снизилось до 50% от максимально определенной при фрезеровании без тока на том же режиме резания. Дальнейшее увеличение силы тока приводило к повышению ЭДС и при J=320А ЭДС становилась равной ЭДС при фрезировании без тока.

При точении типового представителя конструкционных сталей - стали 45 ЭДС снижалась до 74% от полученной при точении без тока на тех же режимах.

Напряжение холостого хода выпрямителя трехфазного тока было 5 В, а при включении нагрузки падало до 0,2 В.

Аналогичные результаты показали опыты при точении резцами из быстрорежущей стали марки HESS сталей 45 и 19ХГН. При фрезеровании температура измерялась методом естественной термопары с использованием специально сконструированного прерывающего устройства и осциллографа С1-19Б. Температура измерялась за 2 мм до выхода зуба фрезы из заготовки. В этот момент одновременно подводимый постоянный ток выключался и включался осциллограф, подключенный к естественной термопаре. На экране бегущий луч отклонялся на определенную величину, регистрируя ЭДС. По ее величине определялась температура резания. С момента выключения тока и до конца измерения проходило 0,015 с. Это повторялось при каждом рeзe. He останавливая обработку, измеряли силу тока или полярность, в результате чего температура резания или снижалась, или увеличивалась.

Не отключая подводимый ток, ЭДС естественной термопарой зарегистрировать невозможно.

Для повышения точности измерения в показания осциллографа вносилась поправка, равная снижению температуры резания от момента отключения тока до конца измерения.

При фрезеровании удавалось снизить температуру зоны резания за счет правильного подбора полярности и силы тока на 25-50% от обычно имевшей место на практике при резании без охлаждения током.

Как известно, для достижения максимальной стойкости РИ необходима обработка с оптимальной температурой в зоне резания /см. стр.67 указанной кн. А. Д. Макарова/. Указанные выше полученные цифры могут явиться чрезмерными и привести к снижению стойкости РИ из-за переохлаждения при определенных условиях /см. стр. 242, там же/. Это позволяет для достижения оптимальной температуры при охлаждении током повысить скорость резания и тем самым производительность обработки.

Известные традиционные способы охлаждения не позволяют снизить температуру в зоне резания на указанную величину, даже при наружном охлаждении заготовки или РИ до отрицательных температур.

Достигнутые цифры снижения температуры объясняются тем, что охлаждение осуществляется непосредственно в приконтактных слоях зоны резания на электронно-молекулярном уровне, а не охлаждением объема стружки, инструмента и заготовки.

В результате пластического деформирования и трения некоторые электроны на контактных поверхностях в зоне стружкообразования приобретают кинетическую энергию, достаточную для преодоления потенциального барьера и их отделения от границы металла. Термоэлектрические токи этого происхождения имеют импульсный характер, т.е. приводят к возникновению в контактных поверхностях быстроменяющихся электрических потенциалов наряду с постоянно существующей составляющей термоЭДС /см. с.80-82 ранее указанной кн. В.Н. Подураева/. Возникающая импульсная составляющая ЭДС вызывает появление специфических причин интенсификации износа рабочих поверхностей инструмента вследствие электроэрозионного и электродиффузионного воздействий. Электроэрозионный износ происходит вследствие периодического эрозионного разрушения микроконтактов, обусловленных электрическими разрядами. Электродиффузионный износ происходит в результате перераспределения компонентов инструментального и обрабатываемого материалов на контактных поверхностях под действием электрической диффузии. Подача постоянного тока обратной полярности в зону стружкообразования гасит электрические разряды импульсной составляющей термоЭДС и наряду с другими явлениями снижает интенсивность молекулярного дробления материалов резца.

Кроме этого, в зоне контакта стружки с резцом возможно образование различных пленок, в том числе состоящих из полупроводников вида Fe₂O₃ и Fe₃O₄, которые увеличивают значение эффекта Пелатье для охлаждения инструмента /см. Большую Советскую Энциклопедию, т.20, с.259-260, 1975г./.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет поддерживать оптимальную температуру зоны резания практически без инерции, чем будет достигаться минимальный износ инструмента и повышение качества обработки.

Формула изобретения

Способ управления стойкостью режущего инструмента, включающий пропускание постоянного тока через инструмент, стружку и заготовку в зоне резания, определение электродвижущей силы зоны резания и корректировку силы тока по электродвижущей силе до достижения последней значения, соответствующего требуемой температуре резания, отличающийся тем, что электродвижущую силу определяют периодически после начала резания при одномоментном отключении тока, затем дополнительно корректируют полярность подключения тока.