Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор литературы и состояние исследований при обработке композиционных материалов 11
1.1 Методы сверления труднообрабатываемых материалов, и композиционных материалов 11
1.2 Режимы резания алмазными сверлами 35
1.3 Физико-механические свойства полимербетонов 36
1.4 Физико-механические свойства синтегранов 39
1.5 Особенности обработки синтеграна 42
1.6 Состояние исследований в области обработки полимербетонов на примере синтеграна 44
1.7 Выводы по главе 49
ГЛАВА 2. Математическая модель зависимости силы резания и шероховатости от режимов обработки синтеграна сверлением 51
2.1 Гипотезы для получения математической модели обработки синтеграна сверлением 51
2.2 Исходные свойства синтеграна для расчета математической модели : 53
2.3 Теоретическое определение сил, действующих при обработке заготовки синтеграна сверлением 54
2.4 Определение шероховатости обработки синтеграна с использованием теории механики разрушения 62
2.5 Процесс образования трещин при обработке синтеграна сверлением 70
2.6 Выводы по главе 77
ГЛАВА 3. Экпериментальные исследования обработки синтеграна сверлением 78
3.1 Определение области определения факторов при сверлении синтеграна.
3.2 Исследование процесса сверления синтеграна твердосплавными сверлами с комплексным модифицированием режущей части 93
3.3 Выводы по главе 102
ГЛАВА 4. Исследование оптимизации процесса эффективности обработки синтеграна сверлением твердосплавными сверлами 104
4.1 Исследование механических усилий 104
4.2 Полнофакторный эксперимент ПФЭ 22 106
4.3 Поиск оптимума с помощью метода «крутого спуска» 119
4.4 Развертывание отверстий в синтегране алмазными сверлами 126
4.5 Выводы по главе 131
Заключение 133
Список литературы
- Физико-механические свойства полимербетонов
- Исходные свойства синтеграна для расчета математической модели
- Исследование процесса сверления синтеграна твердосплавными сверлами с комплексным модифицированием режущей части
- Полнофакторный эксперимент ПФЭ 22
Физико-механические свойства полимербетонов
Однако это разделение не позволяет оценить обрабатываемость материалов. В источниках [21], [28], [35] приведена классификация материалов, близких по химическому составу и обрабатываемости из восьми групп. Но позже были добавлены две группы - группа тугоплавких материалов IX и стеклопластиков X. Эта классификация позволяет определять оптимальные режимы резания без применения трудоёмких экспериментальных исследований и заранее предсказать объём затрат на изготовление изделий. Также при создании новых материалов можно размещать их в соответствующие группы в зависимости от их химического состава и степени обрабатываемости. Для полного охвата труднообрабатываемых материалов для этой работы добавили группу XI, это группа хрупких твердых неметаллических материалов (ХТНМ), которая менее изучена как в России, так и зарубежом. В этой главе дан краткий обзор и ссылки на источники информации по их обработке. Группа I - теплостойкие стали, работающие до температуры 500С (34ХНМ, Х6СМ, 34ХМЗМФ, 15Х5М, 20ХЗМВФ и др.). На основе - хрома ( 6%), с добавками никеля ( 3%) и кремния..
Группа II - стали на основе хрома 12% и небольшое количество, содержат легирующие элементы не более 4%. Высокопрочные, коррозионно-стойкие стали, сохраняющие эксплуатационные свойства при температуре 500-600 С и при воздействии слабоагрессивных сред (30X13, 14Х17Н2, 09Х16Н4Б, 95X18, и др.). Обрабатываемость - удовлетворительная в отожженном состоянии, но в упрочненном термическом состоянии обрабатываемость резко снижается.
Группа III - это коррозионно-стойкие, стойкие в агрессивных средах, жаропрочные на основе хрома ( 15%) и никеля ( 5%) и других легирующих элементов. Эти стали жаростойкие при температуре 800 С (12Х18Н10Т, 10Х23Н18, и др.). Эти стали аустенитного, аустенитно-ферритного и аустенитно-мартенситного классов. Эти стали хорошо свариваются. Как пример, обрабатываемость стали 12Х18Н10Т в 2 раза лучше, чем сталь 45. Группа IV-эти стали также хромоникелевые (хром 12-25% и никель 5%) с другими легирующими элементами. Жаропрочность этих сталей сохраняется 650 - 750С при сильных напряжения, а умеренных до 800 - 900 С, (45Х14Н14В2М, 10Х11Н23ТЗМР и др.). Это жаропрочные, жаростойкие и кислостойкие материалы. Обрабатываемость в 3 — 4 раза ниже, чем у стали 45.
Группа V - жаропрочные стали и сплавы, имеющие в составе никель и железоникель (ХН70Ю, ХН67МВТЮ, ХН77ТЮР, 36НХТЮ и др.). Кроме никеля они содержат большое количество хрома (хром 10 - 20%)и небольшое количество молибдена, титана, алюминия и других легирующих элементов. Эти стали применяются для изготовления деталей, работающих при температурах от 750 до 900 - 960С, и наличии агрессивных сред и значительных механических нагрузках. Обрабатываемость ОД - 0,3 по сравнению со сталю 45.
Группа VI - жаропрочные литейные стали (ЖС6-К, ХН67ВМТЮЛ, ВХ4-Л, и др.) - высоколегированные материалы на никелевой основе. Обрабатываемость еще более худшая, чем у материалов предыдущей группы.
Группа VII - сплавы на основе титана (ВТ 1-0, ВТ1, ВТ 1-1, и др.). Особенности титановых сплавов с точки зрения их обрабатываемости резанием следующие: низкая теплопроводность; по химическому составу близки к инструментальным материалам, что приводит к адгезии стружки с поверхностью инструмента; малый модуль упругости и малая пластичность.
Группа VIII - это низколегированные высокопрочные стали (2000 ав 1600 МПа), (28ХЗСНМВФА, 42Х2ГСНМ и др.). Хром, никель с добавками вольфрама, молибдена, ванадия, и применением двойных операций термической обработки придают стали повышенные прочностные свойства. В отожженном состоянии обрабатываемость этих сталей находятся на уровне обрабатываемости обычных конструкционных сталей, поэтому обрабатывать эти стали по возможности, чтобы большая часть припуска была снята с заготовок на отожженном состоянии, оставляя минимум припуска на чистовые операции. Группа IX-эти материалы отличаются высокими температурами плавления, и применяются для изготовления деталей, работающих при 2000-2500 С. По обрабатываемости их разделяют на три группы: а) на основе вольфрама, молибдена; б) на основе бериллия; в) на основе тантала и ниобия.
Группа X - к этой группе относятся неметаллические материалы такие как стеклопластики и слюда. Их широко применяют при изготовлении печатных плат, сложных корпусов, полученных литьем под давлением. Детали из этой группы легко обрабатываются, но при обработке резанием возникают определенные трудности.
Группа XI - эту группу составляют хрупкие твердые неметаллические материалы. К этой группе относятся керамики, ферриты, ситаллы, кварц, стекло, поделочные камни, гранит, бетоны, можно в эту группу включать полимербетоны, композиционные материалы, и т.д. ХТНМ обладают высокой твердостью, износостойкостью. Плохо обрабатываются резанием и при незначительной концентраций напряжений склонные к разрушению [50].
Обработка композиционных материалов (группа XI) имеет ряд особенностей, которые отличают ее от обработки металлов: анизотропия свойств материалов, т.е. разные свойства по разным направлениям; относительная сложности получения высокого качества поверхности после обработки; высокая твердость наполнителя и низкая теплопроводность.
Исходные свойства синтеграна для расчета математической модели
Процесс обработки синтеграна резанием существенно отличается от обработки резанием металлов в связи со специфическими свойствами материала в связи с высокой твердостью твердой фазы; очень низкой теплопроводностью; низкой теплостойкостью, в связи с наличием в материале связующего на основе полимера. В связи с наличием в составе синтеграна полимера его механическое разрушение при воздействии механических и термических нагрузок приводит к явлениям в зоне резания не присущим металлам. Поэтому для получения математической модели будем руководствоваться следующими допущениями: 1. Обработка синтеграна происходит при хрупком разрушении и весь процесс обработки можно описывать теорией Гриффитса о хрупком разрушении материалов [24, 34, 30, 51, 36, 57]. 2. При хрупком разрушении образуется стружка в виде сколов частиц твердой фазы (рис. 1.13), после чего силы, действующие на режущие кромки доходят до нуля и снова повышаются до максимума, это создает колебание инструмента и всего станка; 3. При обработке образуются и развиваются трещины в связи с увеличением сил резания лезвия сверла; 4. Пластические деформации очень малые по величине и времени, после чего происходит разрушение материала; 5. Разрушение происходит по линии среза и происходит после преодоления предела упругости почти без пластической деформации, в то время как трещина образуется в направлении результирующей силы Pz и Рх (рис. 2.5); 6. Процесс стружкообразования при обработке синтеграна сверлением является циклическим, т.е. повторяющимся. После сжатия материала образуется трещина второго вида смещения, т.е. поперечного смещения и после преодоления предела прочности на сжатие происходит скол синтеграна, после чего процесс снова повторяется. Процесс распространения трещин происходит при очень большой скорости и может достигать 1500- 300 м с-1 [30].
Из исследований, сделанных в [51] оптимальная скорости резания при обработке синтеграна - 50-60 м мин-1, а подача - 20-30 мм мин-1. При больших скоростях происходит сгорание эпоксидной смолы, а при меньших падает производительность. При меньших подачах падает производительности работы, и увеличиваются силовые характеристики станка, заклинивается инструмент, что приводит к увеличению крутящего момента, срабатыванию датчиков предохранителей и остановке станка [50];
7. При обработке синтеграна сверлением происходит интенсивное изнашивание по задней поверхности [24, 51, 57] и др. Так как скол происходит мгновенно передняя поверхности сверла не изнашивается (рис 2.1). Очень ответственные моменты происходят, когда инструмент врезается в поверхность обработки и когда выходит из нее. Это может вызвать очень большие усилия как на заготовке, так и на режущем инструменте ввиду быстроты этих процессов. Поэтому рекомендуется уменьшить подачу в 10 раз при касании заготовки инструментом чтобы обойти силы, возникающие при мгновенных воздействиях сил (импульсах); 8. Из экспериментов проделанных в ходе выполнения диссертации и диагностической информации [51, 53], полученной из системы ЧПУ следует что силы, возникающие на режущей кромке при сверление синтеграна имеют колебательный характер. В связи с колебательным характером разрушения (см. пункт 3) синтеграна и вообще хрупких материалов происходит усталостное изнашивание режущего инструмента. Инструмент выходит из материала при максимальной нагрузке и входит при нулевой, этот момент более опасен для работы инструмента, так как именно здесь любое изменение нагрузки плохо для инструмента и часто происходит его выход из строя.
Разрушение синтеграна происходит в двух последовательных этапах -дроблении и скалывании. В процессе разрушения участвуют две рабочих площадки. Передняя площадка режущей кромки Fn (рис. 2.4), которой она снимает слой синтеграна и торцовая FT (рис. 2.4), которой сверло скользит по стенке отверстия. Геометрически из рис. 2.4а получаем:
Максимальное значение площадки контакта Fn соответствует моменту скалывания синтеграна [40], когда сопротивление скалывания RCK равно сопротивлению дробления Дд. В удельных единицах будет:
Определение рабочих площадок резца режущих лезвий при обработке синтеграна: а - передний вид, б - вид А Соприкосновение лезвия вдоль радиуса не одинаково, поэтому принимаем hK как среднее значение hMaKC:
Торцовая площадка принимается равной площадке затупления и определяется прямым измерением торцевой площадки (рис. 2.6) как проекцию площади износа, перпендикулярную оси сверла.
Износ для спирального сверла измеряется по задней поверхности представляет треугольник площадь которой Действующие силы на лезвие сверла при обработке синтеграна Сумма проекций сил по оси z для одной режущей кромки, Со стороны синтеграна на лезвие сверла действуют нормальные силы сопротивления скалыванию iVn (на передней площадке) и смятию Л/Т(на торцовой площадке) и вызванные ими силы трения ii1Nn и [i2NT (дх и д2 — коэффициенты трения синтеграна по передней и по торцовой площадке). Для преодоления сопротивлений движению к лезвию приложены со стороны станка осевая сила подачи Pz и сила резания Рх
Исследование процесса сверления синтеграна твердосплавными сверлами с комплексным модифицированием режущей части
Проведены исследования при сверлении синтеграна для оценки влияния модифицирования поверхности спиральных цельных твердосплавных сверл (ГОСТ 17274-71) ВК8 (ГОСТ 3882-74)
Целью эксперимента является проведение сравнительных испытаний цельных спиральных твердосплавных сверл из сплава (ГОСТ 17274-71) ВК8 (ГОСТ 3882-74), прошедших комплексную поверхностную обработку электронным лучом по магнетронному напылению сплава NbHfTi для получения градиентного по содержанию легирующих элементов промежуточного слоя перед нанесением износостойкого покрытия (TiAl)N, в сравнении с такими же сверлами, но без обработки и со сверлами с ионно-плазменным покрытием. (TiAl)N.
Возрастающее применение композитных материалов предопределяет необходимость проведения исследований по их обработке режущим инструментом, так как не всегда возможно получение требуемой формы и точности в процессе литьевого цикла. Особенное значение приобретает проблема получения различных отверстий: крепежных, для подвода технологической жидкостей, прокладки электропроводки и т. д.
Свойства композитных материалов, такие как термостойкость, термостабильность, ударная прочность, водостойкость, химическая стойкость, а также механические свойства, определяются в основном свойствами полимерной матрицы и межфазных границ [4]. Важным свойством синтеграна при сверлении его без СОЖ является его термостойкость, так как эпоксидная смола расплавляется при достижении температуры термостойкости (133- 260С) [6] в зоне контактного взаимодействия.
Опыты по сверлению были проведены на заготовке синтеграна при постоянной скорости резания v = 41 м мин-1 и постоянной осевой подаче 5 = 20 мм мин-1. Были использованы, 3 группы спиральных цельных твердосплавных сверл (ГОСТ 17274-71), ВК8 (ГОСТ 3882-74) диаметром 10 мм (угол при вершине (р = 130, задний угол а = 10, передний угол у = 28, угол наклона винтовой канавки а) = 28). Первая группа сверл не была обработана, на вторую группу наносилось градиентное покрытие (TiAl)N толщиной 6 мкм на установке для нанесения покрытия Platit 7г80 [77]. Третью группу (с комплексной обработкой) сверл перед нанесением градиентного покрытия (TiAl)N обработали низкоэнергетическим сильноточным электронным пучком (НСЭП) по магнетронному покрытию сплавом NbHfTi в установке "РИТМ-СП", что позволило дополнительно создать модифицированный слой глубиной до 6 мкм под износостойким покрытием [27].
Выбор лигатуры (сплав Nb, Hf, Ті) обоснован необходимостью связать образующийся при облучении НСЭП (низкоэнергетическим сильноточным электронным пучком) карбида вольфрама и свободного углерода [58]. Карбидообразующие элементы Nb и Hf имеют высокое сродство к углероду (значительно сильнее, чем у W) и образуют устойчивые карбидные фазы. Они формируют карбиды типа МС, которые могут быть эвтектическими или первичными. Такие карбиды имеют высокую твердость, составляющую приблизительно 2400 HV, превосходящую твердость WC, составляющую приблизительно 1500 HV (однако, горячая твердость у карбида вольфрама все же выше). Карбиды ниобия и гафния формируются при высокой температуре непосредственно в расплаве первыми. Но, благодаря высокой скорости охлаждения расплава, в конечном продукте они вырасти не успевают, и остаются мелкими и гомогенно распределенными. Это должно благоприятно сказаться на износостойкости и сопротивлении разрыву. Выбор лигатуры также обоснован данными, что сплавы W — Hf — С также обладают наиболее высоким пределом прочности на разрыв [31]. Перенос атомов в твердом сплаве при воздействии НСЭП осуществляется главным образом, градиентом температуры. Характер распределения атомов в образце после облучения концентрационных профилей осуществляется градиентом давлений [47].
При импульсной обработке электронами поверхностный слой твердого сплава с нанесенным на него легирующим покрытием во время прохождения пучка подвергается циклическому нагреву. При быстром нагреве электронным лучом со скоростью до 106 град с-1 и последующем быстром охлаждении образца (104... 109 град с-1 его наружные слои охлаждаются быстрее сердцевины, поэтому в них появляются растягивающие напряжения. Сердцевина под действием более холодных слоев будет сжата. При дальнейшем охлаждении наружные слои будут деформироваться мало, а сердцевина будет сокращаться, находясь под действием растягивающих напряжений и сжимая наружные слои. В нашем случае, по-видимому мы имеем дело со статическими дальнодействующими напряжениями или же с деформационным упрочнением, вызванным прохождением упругой волны от края образца к центру, а затем от центра к краю.
На Рисунке 3.9 представлены данные измерения микротвердости HV30 по сечению инструмента после комплексной обработки (от межфазной границы покрытие - подложка). Наблюдается упрочненная зона глубиной до 400 мкм.
При этом значения микротвердости на глубине до 100 мкм выше до 150 единиц по сравнению с микротвердостью основы. Максимум наблюдается на глубине порядка 30-40 мкм. Непосредственно около межфазной границы из-за мощного теплового воздействия эффект нивелируется и уровень значений микротвердости практически такой же, как и у основного материала.
Полнофакторный эксперимент ПФЭ 22
График для осевой силы Pz, полученный с помощью систему ЧПУ станка показан в Приложении А (рис. 3 и рис. 4), где четко видны 8 разных отрезков от разных опытов сверления до глубины 20 мм. По оси z откладывается осевая сила в процентах от номинального для станка - 14,4 кН = 1470 кгс.
Усилия, возникшие на станке при обработке синтеграна сверлением обработаны с помощью полного факторного эксперимента.
Чтобы оптимизировать выходные параметры (в нашем случае Pz, Мкр, и Rz) входные рабочие параметры обработки (п, S) комбинируются и каждая комбинация представляет одну точку в области значений выходных параметров и выбираются количество уровней.
Все возможные комбинации определяются формулой N = 2к, и где: число опытов, к - число факторов, 2 - число уровней. записываются в виде матрицы планирования. Матрица планирования является схемой проведения многофакторного эксперимента для определения математической модели шероховатости и силовых характеристик, возникающих в обрабатывающем центре при обработке синтеграна сверлением. В исследованиях главы 3 найдена область определения эксперимента. Из [51] следует, что линейное уравнение первой степени с эффектом взаимодействия типа у = b0x0 + btxt + b2x2 + b12xtx2 может описывать процессы сверления синтеграна, где: у - функция отклика (уравнение регрессии) системы; х0, хъ х2 - факторы; Ь0, Ьъ Ь2 - коэффициенты при соответствующих факторах.
Полнофакторный эксперимент типа N = 2к проведен на основе однофакторных экспериментов (глава 3), суть которых состоят в проведении эксперимента по заранее заданной схеме (матрица планирования) [13, 2, 67, 14]. Матрица планирования полнофакторного эксперимента типа ПФЭ 22 для обработки синтеграна сверлением, учитывающая эффект взаимодействия приведена в табл. 4.1.
Интервал варьирования и основной уровень выбрали из области определения, определенной с помощью первых экспериментов, проведенных в главе 3. Каждый эксперимент провели два раза проведя рандомизацию каждого опыта для исключения систематических ошибок.
Для определения уравнений регрессии осевых усилий Pz, Мкр, возникших на обрабатывающем центре и шероховатости Rz после обработки синтеграна, обработанного сверлением использован полно факторный эксперимент. кодированное значение фактора; среднее значение по параллельным опытам Аг-ых строк матрицы планирования; и - порядковый номер строки матрицы или номер опыта; i,j - номер колонки, і ф У; М - число повторных опытов.
Проведем статистический анализ математической модели, который состоит из: 1) проверки однородности дисперсии или оценки дисперсии воспроизводимости; 2) проверки коэффициентов регрессии; 3) проверки адекватности математической модели.
Для статистического анализа нам нужно рассчитать все построчные дисперсии параллельных опытов
Для проверки равенства (однородности) дисперсий нескольких выборок используется критерий Кохрена, который является соотношением между максимальной дисперсией и суммой всех дисперсий. Математически выражается таким образом:
Вычисляем ошибки опыта или дисперсий воспроизводимости по формуле (4.11) и заносим значения в табл. 4.8 Адекватностью называется совпадение модели моделируемой системы с целью моделирования. И первый вопрос, который возникает после вычисления коэффициентов регрессионной модели, это проверка ее пригодности. Эта проверка называется проверкой адекватности математической модели. Остаточной дисперсией или дисперсией адекватности называется отношение остаточной суммы квадратов, деленной на число степеней свободы Как ожидалось максимальные усилия Pz, возникающие на сверле получаются при минимальных рабочих режимах числа оборотов в минуту п и минимальной осевой подаче 5, в то время как минимальные значения Pz - при максимальных значениях п и S (рис. 4.1). Линии одинакового цвета представляют уровни равного усилия Pz.
Из анализа поверхности оклика (рис. 4.2) получаем, что максимальный крутящий момент, возникший при обработке синтеграна сверлением получен при минимальных значениях вращения шпинделя и максимальных осевых подачах, в то время как минимальные значения крутящего момента возникают при максимальных значениях вращения шпинделя и минимальных значениях осевой подачи. Линии одинакового цвета представляют уровни равного крутящего момента Мкр.
