Computational and analytical models of the major types of cutting tool failure

Abstract

The paper presents analytical and numerical models for assessing the reliability of cutting tools used in the processing of critical parts for the defence and energy industries. The criteria of boundary wear on the back and front surfaces, possible fatigue failure and plastic deformation of the cutting edge are taken into account. Analytical dependencies have been constructed to calculate the number of parts that can be machined before tool failure, taking into account the physical and mechanical characteristics of the tool and processed materials, technological modes and thermal loading conditions. The results allow for the selection of tools and cutting parameters based on increased reliability and process optimisation. These mathematical dependencies make it possible to take into account the predominant type of cutting tool wear, which is especially important when working with large parts on heavy machine tools. The results of the study are of practical importance for industry, as they allow to increase the stability and productivity of technological processes.

У статті представлено комплексні розрахунково-аналітичні моделі оцінки надійності різального інструменту, що застосовується під час обробки відповідальних і великогабаритних деталей, характерних для важкого машинобудування при виробництві приладів оборонного та енергетичного призначення. В умовах сучасних викликів, пов’язаних із посиленням вимог до точності, стабільності та довговічності обробки, розроблена методика дозволяє об'єктивно враховувати складні фізико-механічні та експлуатаційні фактори, що впливають на працездатність різального інструменту. Моделі охоплюють механізми зносу задньої та передньої поверхонь, накопичення втомних пошкоджень, мікротріщиноутворення, а також пластичне деформування різальної крайки в умовах термомеханічного навантаження. Кількісна оцінка ресурсу проводиться на основі аналітичних залежностей, які дозволяють прогнозувати кількість оброблюваних деталей до критичного стану інструменту за кожним із критеріїв відмови. Введено показники ймовірності відмови з урахуванням типового механізму зносу, що дозволяє приймати зважені рішення щодо планування інтервалів обслуговування й заміни. Значну увагу приділено варіативності умов обробки, флуктуаціям навантаження та впливу температурного поля, що суттєво підвищує точність оцінки надійності в реальних умовах експлуатації.