Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Цели и задачи исследования 11
1.1 Актуальность темы исследования 11
1.2 Состояние вопроса 15
1.2.1 Анализ механизмов образования стружки и наростов в зоне резания 15
1.2.2 Влияние наложения колебаний на процесс резания материалов 29
1.2.3 Влияние наложения вынужденных колебаний на процесс резания материалов 39
1.3 Цель и задачи исследования 42
Глава 2. Экспериментальное оборудование и методика исследований 47
2.1 Оборудование для вибрационного резания 47
2.2 Методика проведения экспериментов 53
2.3 Основные факторы и метрологическое обеспечение экспериментов 55
Глава 3. Теоретические основы процесса вибрационного резания при точении 61
3.1 Определение области изменений параметров виброрезания 61
3.2 Особенности механизмов формирования микронеровности поверхности и стружкообразования при вибрационном точении 72
3.3 Моделирование процесса вибрационного резания методом конечных элементов 83
3.4 Геометрическая модель микронеровностей при виброточении 93
Глава 4. Влияние режимов маятниковых колебаний на параметры шероховатости поверхности при чистовом точении 109
4.1 Экспериментальные исследования вибрационного резания с маятниковыми колебаниями 109
4.2 Оценка стабильности параметров обработки в области оптимума и построение математической модели по методу средних 116
4.3 Оптимизация параметров виброрезания с использованием маятниковых колебаний для нахождения области оптимизации доминирующих факторов 125
4.3.1 Метод движения по градиенту 125
4.3.2 Построение целевой функции 137
Глава 5. Практическая реализация результатов исследования 142
5.1 Перспективная конструкция установки для вибрационного резания 142
5.2 Оценка технологической возможности применения маятниковых колебаний и разработка рекомендаций 146
5.3 Реализация разработанной технологии 148
Заключение и выводы 151
Список литературы 153
Приложение А 169
Приложение Б 170
Приложение В 171
Приложение Г 172
Приложение Д 177
Приложение Е 191
- Анализ механизмов образования стружки и наростов в зоне резания
- Определение области изменений параметров виброрезания
- Экспериментальные исследования вибрационного резания с маятниковыми колебаниями
- Перспективная конструкция установки для вибрационного резания
Анализ механизмов образования стружки и наростов в зоне резания
Резание разных материалов на токарных станках сопровождается образованием различных явлений в зоне резания, которые воздействуют на процесс резания, стойкость металлообрабатывающего токарного инструмента и высоту микронеровностей шероховатости обработанной поверхности заготовки. Одним из таких явлений принято считать процесс наростообразования. Исходя из материалов исторических источников, касающихся процесса наростообразования и свойств самого нароста, мнения ученых расходятся. Реалии сегодняшнего дня таковы, что наростообразование до сих пор остается одним из проблемных объектов исследования теории и практики механического резания материалов.
Из литературного обзора наибольшим интересом обладают исследования Г.И. Грановского и др. [27], в которых авторами были описаны влияния системы внешних сил, включающих в себя касательные и нормальные, и силы трения и адгезии. Авторами было отмечено полное или частичное разрушение нароста, в следствии нарушения баланса сил, с последующим его восстановлением до следующего разрушения. По результатам исследования авторы предложили упрощенную схему формирования нароста на режущей поверхности инструмента, которая содержала в себе пять этапов с момента образования нароста до его полного разрушения и последующего удаления с поверхности металлорежущего инструмента. Вновь интерес к процессу наростообразования появился при поиске эффективных способов интенсификации резания труднообрабатываемых материалов: нержавеющих и жаропрочных сталей, сплавов на основе титана и т.п. [26]. В результате экспериментов авторы выявили, что обработанную поверхность можно разделить на несколько зон, которые включали в себя пять стадий нароста: зона В – стадия I и II, в которой происходит непосредственный контакт задней поверхности резца и поверхности резания заготовки. Для этой зоны характерно улучшение шероховатости обработанной поверхности. Зона А – стадия III и IV, в которой нарост участвует в резании и предохраняет заднюю поверхность инструмента от износа. Эта зона характеризуется грубой шероховатостью. Зона Б – стадия V, в которой происходит срыв нароста. Эта зона характеризуется появлением заусенца на обработанной поверхности (след сорвавшегося нароста). Также авторами было отмечено, что в зоне А устойчивого процесса наростообразования нарост более часто срывается, но время его возникновения незначительно, а время контакта инструмента с поверхностью резания уменьшается.
В работе [26] коллективом ученых под руководством Г.И. Грановского с применением модели, полученной В.Д. Кузнецовым, были проведены исследования процесса формирования наростов в условиях сухого трения. Было установлено, что склонность к наростообразованию зависит от скорости относительного скольжения индентора по поверхности контртела. В результате постоянного наслаивания новых слоев деформированного обрабатываемого материала на имеющийся нарост, как раз происходит процесс периодического срыва нароста, который остается на обработанной поверхности заготовки в виде возвышенностей шаровидной формы. Многократные исследования по моделированию в условиях сухого трения показали, что с увеличением давления в зоне резания скорость скольжения уменьшается, при этом число наростов на одинаковой длине возрастает, а при увеличении скорости скольжения количество наростов уменьшается, стоит отметить, что существует взаимосвязь между количеством наростов и скоростью скольжения, имеющая циклический характер.
Из материалов исследований влияния скорости резания на структуру образуемой при резании стали У8А стружки, было установлено протекание процесса пластической деформации, который был возможен при следующих условиях: передний угол режущего инструмента должен быть = 25, а скорость резания необходимо увеличить с 4,5 до 23 м/мин, в результате происходило преобразование элементной стружки в сливную.
Исходя из отмеченных преобразований элементной стружки в сливную, необходимо отметить, что механизм циклического образования нароста целесообразно считать установленным, имеющий пять этапов наростообразования, который обеспечивает минимизацию шероховатости поверхности на первой и второй стадиях, в момент, когда обрабатываемая поверхность имеет непосредственный контакт с задней поверхностью металлорежущего инструмента.
В трудах В.Ф. Боброва [12] были представлены материалы широких исследований, касающихся механической обработки металлов резанием. Например, применение скоростной киносъемки позволило установить, что вопреки мнению, что нарост предохраняет инструмент от износа. При этом было отмечено снижение периода стойкости металлообрабатывающего инструмента, так как, имеющийся на передней поверхности резца нарост является нестабильным и способствует передаче на режущую поверхность инструмента знакопеременной высокочастотной нагрузки во время обработки. Также было отмечено, что обработка некоторых жаропрочных сталей и сплавов и титановых сплавов при повышении скорости резания превращает сливную стружку в элементную, что является нехарактерным для большинства углеродистых и легированных конструкционных сталей. В результате исследования процесса резания с помощью кинограмм было установлено, что при превышении напряжения сжатия над пределом текучести материла обрабатываемой детали, происходит течение обрабатываемого материла по передней поверхности резца и, в момент исчерпания запаса пластичности, происходит разрушение по плоскости скалывания в результате чего образуется элемент стружки. Далее сколотый элемент перемещается вверх по передней поверхности с последующим его удалением из зоны резания.
Из материалов исследований [96] В.К. Старковым было отмечено, комбинированное воздействие нароста на механизм резания. В первую очередь, нарост способствует предотвращению износа режущего инструмента и снижению сил, затрачиваемых на пластическое деформирование, за счет увеличения фактического угла режущего клина, а во вторую очередь, отрицательно сказывается на процессе точения, в следствии ухудшения качества обработки поверхности заготовки.
Из результатов анализа литературного обзора значимых публикаций, касающихся исследования процесса образования нароста, можно сказать, что процесс образования наростов неконтролируемый, способствует возникновению трудностей при точении заготовок и выполнении требований конструкторской документации к обрабатываемой поверхности, путем задания глубины резания и высоты микронеровностей шероховатости поверхности. Результаты исследований, по образованию наростов при свободном резании позволили установить, нарост является сильнодеформированным материалом, а его твердость в 2,5...3 раза превосходит твердость обрабатываемого материала. Но при этом, нарост, все также является неустойчивым образованием, как при непрерывном точении образованием сливной стружки, так и при прерывистом точении с элементной стружкой. Так или иначе, периодичность в процессе формирования нароста, не позволяет сделать вывод, что нарост не влияет на процесс точения [97].
В исследованиях [64, 100, 101], выполненных Н.В. Талантовым и др. было изучено воздействие контактного взаимодействия на механизм износа режущей поверхности инструмента. Цель исследований заключалась в изучении контактных участков и мест взаимодействия. Исследователями были отмечены зоны на режущей поверхности инструмента, которые характеризуют механизм взаимодействия и определяют геометрическую форму лунки износа на передней поверхности металлообрабатывающего инструмента. Было определено существование абсолютно разных механизмов взаимодействия и изнашивания на лунках, возникающих в середине и по краям контактной зоны инструмента и заготовки, происходящих в процессе точения. Таким образом, проникновения технологических сред в середину лунки не происходит, а интенсивность износа преимущественно обуславливается диффузионно-вязким взаимодействием слоя, формирующегося на нижней поверхности стружки с материалом поверхности режущего инструмента. Был отмечен процесс изнашивания при механическом и адгезионном взаимодействии с возникновением окислительного процесса по краям лунки. Так же было установлено влияние на механизмы взаимодействия и изнашивания технологических сред, которые попадали на края лунки. Было отмечено, что существование разных механизмов на указанных участках оказывают влияние на геометрическую форму лунки износа, например, при совпадении определенных условий точения процесс изнашивания происходил сильнее на краях, нежели в середине лунки, вследствие чего происходило образование седлообразных лунок.
Определение области изменений параметров виброрезания
Из результатов исследований А.П. Сергиева и Е.Г. Швачкина [113], проведенных по резанию стали аустенитного класса с высоким содержанием марганца 110Г13Л при наложении низкочастотных колебаний маятникового типа, были отмечены некоторые особенности, связанные с амплитудно-частотными параметрами колебаний.
Так, при точении с колебаниями 100 Гц была отмечена нестабильность процесса точения, проявляющаяся в формировании на поверхности детали волнистости в продольном сечении. Отмеченное явление связано с существующими фактическими зазорами в механизмах установки и большой инерции механической системы, а высота волнистости увеличивалась при увеличении амплитуды колебаний. Также установлено, что точение с частотой 25 Гц и амплитудой 150 мкм соответствовало максимальной стойкости режущего инструмента, при этом шероховатость поверхности была хуже, чем при аналогичных режимах с большими частотами. Такое явление связано с тем, что при малых значениях частот колебаний назначалась большая амплитуда колебаний.
Сравнительный анализ шероховатостей обработанных поверхностей, полученных при виброрезании [83, 84], с эталонами шероховатости, показал, что высота микронеровностей шероховатости находится в диапазоне Ra = 12,5…6,3 мкм. При этом был отмечен рост волнистости в продольном сечении при увеличении амплитуды колебаний, а более ярко выраженной волнистость становилась при амплитуде колебаний, соответствовавшей максимальной стойкости режущего инструмента.
Было отмечено, что при продольном черновом точении без предварительной обработки материалов, т.е. по литейной корке, происходило образование стружки ступенчатой формы длиной от 25 до 40 мм, при этом также обеспечивалось ее дробление за счет неравномерности поверхностного слоя и отсутствия прямолинейности заготовки. Стоит отметить, что при резании с наложением колебаний на инструмент, независимо от интенсивности самих колебаний, обеспечивалось дробление стружки на фрагменты длиной до 10 мм.
Из результатов экспериментов [83, 84], стало известно, что интенсивность колебаний оказывает значительное влияние на стойкость режущего инструмента и количество, удаляемого в процессе точения, материала. Стоит отметить, что стойкость режущего инструмента при постоянной амплитуде колебаний и изменении частоты имеет экстремальный характер. Существование такой зависимости свидетельствует только о том, что для конкретного режима обработки необходим подбор определенной эффективной (по периоду стойкости режущего инструмента) комбинации амплитудно-частотных параметров, которые объединяются в вибрационную скорость. Для обеспечения эффективного процесса резания при точении по необработанной поверхности, т.е. по литейной корке, необходимо назначение вибрационной скорости из диапазона от 4,7 до 5,6% от скорости резания, при этом также будет обеспечиваться максимальная стойкость режущего инструмента.
Дальнейшими шагами по оптимизации технологических параметров и определении области их изменений при вибрационном резании труднообрабатываемых материалов заключалось в определении факторов, оказывающих наибольшее влияние на процесс вибрационного резания.
Для этого рассмотрим работы Е.Г. Швачкина и А.П. Сергиева [85, 113], где авторами были построены зависимости периода стойкости от амплитуды колебаний для различных скоростей и марок твердого сплава.
На основании этих зависимостей по точкам экстремумов были построены обобщенные графики для чернового и чистового точения (рисунок 3.1 и 3.2).
Анализ кривых, изображенных на рисунке 3.1, показал, что с ростом частоты и одновременным снижением амплитуды колебаний наблюдается повышение стойкости инструмента. Но данное замечание справедливо только для черновой обработки при резании по предварительно обработанному металлу на скоростях 50 и 70 м/мин, при наиболее оптимальной марке твердого сплава ВК8.
Что касается черновой обработки при резании без предварительной обработки, в частности без удаления литейной корки со скоростью 25 м/мин, то в этом случае наблюдается некоторое снижение стойкости при увеличении частоты и снижении амплитуды колебаний. Причем для сплавов Т5К10 и ВК8 период стойкости существенно отличается, последний обладает большим периодом стойкости.
Что касается чистового точения (рисунок 3.2), то при резании со скоростями 80 и 100 м/мин, было отмечено увеличение стойкости металлорежущего инструмента для твердого сплава марки Т5К10.
Сопоставление графических зависимостей в виде кривых, характеризующих черновое точения по предварительно обработанной заготовке и чистового точения можно сделать вывод о том, что максимальные результаты на графиках не являются предельными для выбранных марок инструментальных материалов.
Для дальнейшего исследования вибрационного резания, по результатам экспериментов [89, 113] была построена зависимость периода стойкости твердосплавного инструмента от вибрационного ускорения для скоростей резания 80 и 100 м/мин (рисунок 3.3).
Анализ кривых, изображенных на рисунке 3.3, показал, что с ростом вибрационного ускорения (Асо2) наблюдается заметное повышение периода стойкости инструмента (Г). Причем, при большей скорости резания - 100 м/мин период стойкости инструмента значительно меньше, чем при скорости резания 80 м/мин, как минимум в 1,5 раза. Такая разница периода стойкости инструмента также справедлива для продольного точения без вибраций.
На основании изученных данных и построенных зависимостей при вибрационном резании были установлены доминирующие факторы, оказывающие наибольшее влияние на значение функции отклика, которые представлены в таблице 3.1.
Экспериментальные исследования вибрационного резания с маятниковыми колебаниями
В процессе высокоскоростного точения образуется сливная стружка, имеющая вид длинных прямых полос или спиралей большего или меньшего радиуса, которые наматываются на обрабатываемую деталь и режущий инструмент. Образование сливной стружки угрожает безопасности станочника, может привести к преждевременному износу инструмента, повреждению обрабатываемой детали, снижению производительности станка. Такой тип стружки занимает в десятки раз больше объема для ее хранения и последующей утилизации при меньшем объеме снятого материала [20].
Напротив, при обработке аустенитных нержавеющих сталей образуется такой же тип стружки, но на значительно меньших скоростях резания.
Степени дробления стружки удобно оценивать по объемному коэффициенту, определяемому отношением объема стружки к объему снятого материала. Нахождение объемного коэффициента производится по следующей методике: используя какой-либо сосуд измерить объем произвольного количества стружки Qстр (см3); затем требуется измерить вес того же количества стружки G (кг).
Кроме представленной обобщенной классификации стружки каждая из представленных типов также включает в себя несколько типов по объемному коэффициенту. Например, лентообразная стружка делится на прямую = 300…400 и путанную = 200…300, спиральная делится на длинную = 60…80 и короткую = 40…45, а дробленая, в свою очередь включает в себя петлеобразную короткую = 15…20, спиральную плоскую = 10…15, элементную связанную = 8…9 и элементную дробленую = 5…6.
Согласно классификации, представленной И.А. Тиме [6], следует, что образование элементной стружки происходит при резании твердых и маловязких материалов на малых скоростях. Стружка представляет собой отдельные пластически деформированные элементы, которые либо совсем не связаны, либо слабо связаны между собой.
Ступенчатая стружка образуется при точении сталей со средней скоростью резания. Для такого типа стружки характерны гладкость поверхности стружки прирезцовой зоны и наличие зазубрин с противоположной стороны, которые ярко выражают направление отдельных связанных между собой элементов.
Сливная стружка образуется при точении стальных заготовок с высокой скоростью резания. При таких скоростях резания стружка сходит с резца в виде ленты без зазубрин.
При резании малопластичных материалов происходит процесс образования стружки надлома, характеризующейся отдельными элементами разнообразной формы очень слабо связанных или не связанных между собой, которые как бы выломаны.
В результате проведенных исследований по вибрационному резанию были получены различные типы стружек (рисунок 4.1), соответствующие разным режимам колебаний.
В результате проведенных экспериментов установлено, что с увеличением интенсивности колебаний улучшается процесс стружкодробления.
Результаты экспериментов показали, что механизм стружкообразования при обработке резанием с вибрациями стали 12Х18Н10Т позволял получать элементную стружку на всех режимах колебаний (рисунки 4.1б – г).
Согласно представленной выше классификации стружки по объемному коэффициенту стоит отметить, что стружка, представленная на рисунках, является спиральной во всех случаях амплитуд и частот колебаний. При этом оптимальной является длина стружки, представленная на рисунках 4.1в и 4.1г. Согласно классификации стружки, представленной И.А. Тиме, на рисунке 4.1в сливная стружка, а на рисунке 4.1г - дробленая.
Стружки, полученные на рисунках 4.1а и 4.1б, при классификации по объемному коэффициенту со, целесообразнее отнести к лентообразной стружке.
Из приведенных типов стружки правомерно предположить, что чем больше величина амплитуды и частоты колебаний, тем выше величина силы вибрационного воздействия в зоне резания на срезаемый слой и тем интенсивнее идет процесс стружкодробления.
На основе результатов экспериментов, полученных при виброточении труднообрабатываемых материалов, был проведен план полного факторного эксперимента. Оценка адекватности построенной регрессионной модели показала, что модель неадекватна. Это свидетельствует о нахождении в области высокой кривизны поверхности отклика.
Для установления комплексного влияния амплитуды и частоты колебаний и их взаимодействия был проведен полный факторный эксперимент методом ортогонального центрально-композиционного планирования (ОЦКП), позволяющего учитывать в расчетах звездные точки всего диапазона изменений амплитуды и частоты колебаний (таблица 4.1). За функцию отклика Гбыла принята шероховатость поверхности Ra. Матрица ОЦКП эксперимента и результаты опытов представлены в таблице 4.2.
Так как условие адекватности не выполняется, следовательно, регрессионная математическая модель является неадекватной. Принимая во внимание сравнение рассчитанных по регрессионной модели и экспериментальных значений шероховатости стоит отметить, что разность между значениями не превышает целого значения. Также немаловажным является физическая суть параметра шероховатости, которая при одинаковых условиях обработки может отличаться от опыта к опыту, в пределах доверительного интервала.
Регрессионная математическая модель, полученная методом полного факторного эксперимента, учитывающая как одиночные факторы, так их взаимодействие, и квадратичные члены факторов, допускает ее применение для определения параметров виброрезания, но не позволяет раскрыть физическую сущность самого процесса, что потребовало поиска новых подходов к разработке обобщенной взаимосвязи между параметрами колебаний. В связи с этим было принято решение о построении математической модели методом средних (полинома).
Перспективная конструкция установки для вибрационного резания
Конструкция установки для вибрационного резания была спроектирована таким образом, при котором обеспечивалось получение заданных амплитуд и частот колебаний на всем промежутке времени выполнения технологической операции. Диагностика кинематических узлов и проверка установленных режимов колебаний, в статическом и динамическом состояниях показала, что происходил сбой настроенных параметров вибрационного резания. Сбой был вызван интенсивными режимами вибрационного резания.
Анализ кинематических узлов установки для вибрационного резания показал наличие уязвимых мест. Такими местами являлись узел качания резцедержателя на основании устройства для вибрационного резания и место соединения резцедержателя с вилкой.
Наличие значительных зазоров в узлах качания и их отсутствие, является недопустимым. Наличие значительных зазоров ухудшает стабильность параметров, а их отсутствие способствует перегреву сопряженных деталей и появлению дополнительной нагрузки на электродвигателе. Поэтому основная проблема заключалась в обеспечении точной настройки параметров колебаний и надежной фиксации полуосей контргайками.
Сопряжения деталей в узлах качания осуществляются за счет конических элементов, а регулирование величины зазора посредством резьбового соединения. Следовательно, для обеспечения точности заданных технологическим процессом параметров колебаний и обеспечения их стабильности, целесообразным будет внесение следующих изменений в конструкцию установки для виброрезания:
– ужесточение требований к параметрам сопрягаемых конических поверхностей по шероховатости для обеспечения точного центрирования и минимального зазора;
– уменьшение геометрических параметров резьбового соединения для обеспечения плавного бесступенчатого регулирования в широком диапазоне значений.
Устройство имеет направляющие элементы, позволяющие устанавливать его на резцедержатель любого токарного станка. Вертикальная компоновка элементов устройства не сужает зону визуального осмотра за процессом резания (рисунок 5.1).
Устройство смонтировано на коробчатом основании 1, на котором крепится подшипниковый узел 2 привода эксцентрикового механизма 3. Вращение вала 144 осуществляется от электродвигателя 5 через клиноременную передачу. На валу 4 находится эксцентриковая втулка 6 с фиксатором эксцентриситета 7. Эксцентриситет через вилку 8 передается корпусу резцедержателя 9. Резцедержатель 9 соединен с вилкой 8 болтами 10 с коническими элементами, служащими полуосями механизма формирования маятниковых колебаний резца, и фиксируются контргайками 11. Аналогично корпус резцедержателя 9 соединен с корпусом 1 через стойки 12.
Монтаж устройства в резцедержатель любого токарного станка осуществляется с помощью зажимных направляющих 13 и 14, жестко смонтированных в корпусе 1 (рисунок 5.2).
Токарный резец фиксируется в резцедержателе установочными болтами с четырехгранной головкой. Установление режимов виброрезания с амплитудами 10 – 12 мкм обеспечивается конструктивным исполнением подшипниковых узлов 2 и 3, выбором посадок и регулировкой (минимизацией) радиальных зазоров в конических подшипниках за счет осевого смещения внутренних колец относительно наружных колец осевым поджатием и фиксацией резьбовой втулкой 15 в узле 2 и гайкой с фиксатором 16 в узле 3. Конструктивное решение подшипниковых узлов 2 и 3 обеспечивает стабильность параметров колебаний даже при нагреве в процессе длительного технологического цикла виброточения, так как с тепловым удлинением вала 4 зазоры в конических подшипниках пропорционально увеличиваются, т. е. заклинивание и перегрев подшипников не происходит (рисунок 5.3).
Минимизация зазоров в соединениях механизма формирования маятниковых колебаний обеспечивается коническими элементами 12 полуосей 11 и их фиксации контргайками 13. Подналадка зазоров происходит при смене инструмента, при смене режимов или параметров виброточения.