Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ ранее выполненных работ по исследованию параметров, характеризующих качество поверхностного слоя деталей машин, при обработке точением 10
1.1 Общие положения и определения 10
1.1.1 Анализ дефектов деталей газотурбинных двигателей, связанных с состоянием поверхностного слоя 10
1.1.2 Классификация параметров поверхностного слоя и их характеристика 16
1.2 Расчетное определение параметров шероховатости поверхности 19
1.3 Расчетное определение остаточных напряжений в поверхностном слое детали 26
1.4 Расчетное определение глубины и степени наклепа поверхностного слоя 31
1.5 Расчетное определение влияния комплекса параметров, характеризующих качество поверхностного слоя, на усталостную прочность 39
1.6 Обзор выполненных работ по исследованию влияния наноструктурированных покрытий режущих инструментов на параметры, характеризующие качество поверхностного слоя деталей машин 43
1.7 Выводы по главе 1 45
1.8 Цель и задачи исследования 46
ГЛАВА 2. Расчетное определение параметров, определяющих формирование поверхностного слоя деталей машин, обработанных режущими инструментами с наноструктурированным покрытием 48
2.1 Выбор исходных данных для расчета 48
2.2 Определение температуры резания
2.2.1 Определение температуры резания в интегральной форме с учетом плоских источников тепла 51
2.2.2 Определение температуры резания в интегральной форме с учетом объемных источников тепла
2.2.3 Сравнение результатов расчета температуры резания с учетом плоских и объемных источников тепла с экспериментами значениями 63
2.3 Исследование влияния наноструктурированного покрытия режущих инструментов на температуру резания 68
2.4 Определение силы в зоне резания 72
2.5 Исследование влияния наноструктурированного покрытия режущих инструментов на силу резания 74
2.6 Выводы по главе 2 78
ГЛАВА 3. Расчетное определение параметров, характеризующих качество поверхностного слоя, при обработке деталей точением 80
3.1 Определение величины остаточных напряжений в поверхностном слое детали 80
3.1.1 Расчетные зависимости для определения остаточных напряжений в поверхностном слое детали от действия теплового фактора без учета упрочнения обрабатываемого материала 80
3.1.2 Расчетные зависимости для определения остаточных напряжений в поверхностном слое детали от действия теплового фактора с учетом упрочнения обрабатываемого материала 83
3.1.3 Расчетные зависимости для определения величины остаточных напряжений в поверхностном слое от силового воздействия 88
3.1.4 Сравнение результатов расчета остаточных напряжений в поверхностном слое детали от действия теплового фактора с учетом и без учета упрочнения обрабатываемого материала с экспериментами значениями 3.2 Исследование влияния наноструктурированного покрытия режущих инструментов на остаточные напряжения в поверхностном слое 95
3.3 Определение глубины и степени наклепа поверхностного слоя 100
3.4 Исследование влияния наноструктурированного покрытия режущих инструментов на глубину и степень наклепа поверхностного слоя 101
3.5 Расчетное определение шероховатости обработанной поверхности 105
3.6 Исследование влияния наноструктурированного покрытия режущих инструментов на шероховатость обработанной поверхности 107
3.7 Определение усталостной прочности детали после обработки точением 111
3.8 Исследование влияния наноструктурированного покрытия режущих инструментов на усталостную прочность обработанной поверхности
3.9 Выводы по главе 3 115
ГЛАВА 4. Экспериментальное исследование влияния наноструктурированных покрытий режущих инструментов на параметры, характеризующие качество поверхностного слоя деталей машин 116
4.1 Методика проведения экспериментов 116
4.2 Сравнение экспериментальных данных при обработке резанием с результатами теоретических расчетов 120
4.3 Выводы по главе 4 125
Общие выводы по работе 126
Список использованных источников
- Анализ дефектов деталей газотурбинных двигателей, связанных с состоянием поверхностного слоя
- Определение температуры резания в интегральной форме с учетом плоских источников тепла
- Расчетные зависимости для определения остаточных напряжений в поверхностном слое детали от действия теплового фактора без учета упрочнения обрабатываемого материала
- Сравнение экспериментальных данных при обработке резанием с результатами теоретических расчетов
Введение к работе
Актуальность темы. На сегодняшний день задача обеспечения требуемых параметров, характеризующих качество поверхностного слоя деталей, актуальна для авиастроения, где разрушение ответственных деталей может привести к катастрофе. Параметры, характеризующие качество поверхностного слоя обработанных деталей, в значительной степени определяют эксплуатационные свойства деталей машин, при этом одним из наиболее важных свойств является усталостная прочность.
Известные методики расчетного определения параметров, характеризующих качество поверхностного слоя после механической обработки, базируются на учете преимущественного влияния или теплового, или силового факторов. Эти методики, как правило, не учитывают действие объемных источников тепла в зоне резания, а также упрочнение поверхностного слоя в процессе обработки.
При изготовлении деталей газотурбинных двигателей, относящихся к категории ответственных (валы, диски, корпусы компрессора и др.) преимущественно используются операции механообработки, в частности, обработка точением. К сожалению, до настоящего времени недостаточно изучены закономерности влияния широко применяемых в производстве наноструктурирован-ных покрытий режущих инструментов на механизмы формирования параметров, характеризующих качество поверхностного слоя, и эксплуатационные свойства деталей газотурбинных двигателей. Между тем, учет их влияния на процесс резания позволит более точно определять параметры, характеризующие качество поверхностного слоя и эксплуатационные свойства деталей газотурбинных двигателей.
В связи с этим, на сегодняшний день актуальным является исследование влияния наноструктурированных покрытий режущих инструментов на параметры, характеризующие качество поверхностного слоя, и усталостную прочность материала деталей, изготавливаемых точением.
Степень разработанности темы. Вопросами расчетного определения параметров, характеризующих качество поверхностного слоя, и эксплуатационных свойств, формируемых при механической лезвийной обработке деталей машин, занимались многие известные ученые. Между тем, широкое применение в производстве лезвийного инструмента с наноструктурированными покрытиями требует уточнения и дополнения существующих методик расчета, а также изучения целесообразности использования отдельных наноструктурированных покрытий для технологического обеспечения требуемых эксплуатационных свойств.
Целью данной работы является исследование влияния наноструктури-рованных покрытий режущих инструментов на параметры, характеризующие качество поверхностного слоя, и усталостную прочность деталей машин с учетом объемных источников тепла и упрочнения материала детали при точении.
Для достижения цели работы необходимо решить следующие задачи:
1) установление возможности применения существующих расчетных зависимостей по определению параметров процесса резания при использовании
инструмента с наноструктурированными покрытиями;
-
расчет параметров, характеризующих качество поверхностного слоя детали, с учетом действия объемных источников тепла и упрочнения, вызванного влиянием теплового фактора в зоне резания, при обработке точением;
-
установление влияния наноструктурированных покрытий режущих инструментов на величину остаточных напряжений, глубину и степень наклепа поверхностного слоя, а также величину параметра шероховатости поверхности Rz при обработке точением;
-
исследование влияния наноструктурированных покрытий режущих инструментов на усталостную прочность обрабатываемых деталей.
Основные положения научной новизны, выносимые на защиту:
-
способ учета переменной интенсивности тепловыделения по глубине поверхностного слоя детали при расчете температуры с учетом действия объемных источников тепла в зоне резания при точении;
-
результаты исследования повышения точности расчетного определения параметров, характеризующих качество поверхностного слоя (величина остаточных напряжений, глубина и степень наклепа, параметр шероховатости поверхности Rz), и предела выносливости, как характеристики усталостной прочности детали, на базе учета упрочнения поверхностного слоя детали, при обработке точением;
-
характер влияния наноструктурированных покрытий режущих инструментов на параметры, характеризующие качество поверхностного слоя (величину остаточных напряжений, глубину и степень наклепа, параметр шероховатости поверхности Rz) и предел выносливости материала детали.
Практическая значимость работы. Дополнена базовая методика расчета температуры в зоне резания с учетом объемных источников тепла при токарной обработке, путем учета изменяющейся интенсивности тепловыделения по глубине материала обрабатываемой детали, в том числе, при использовании инструмента с наноструктурированными покрытиями.
Выработаны рекомендации по практическому применению базовых и дополненных автором зависимостей для расчета температуры резания, а также остаточных напряжений от действия теплового фактора для деталей газотурбинных машин, изготавливаемых из коррозионностойких сталей и жаропрочных сплавов.
Сформулированы практические рекомендации по целесообразности использования отдельных наноструктурированных покрытий режущих инструментов для технологического обеспечения требуемых эксплуатационных свойств деталей из коррозионностойких сталей и жаропрочных сплавов, обрабатываемых точением.
Разработано программное обеспечение для расчета параметров, характеризующих качество поверхностного слоя деталей, при обработке инструментами с наноструктурированными покрытиями (свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2016619840, дата регистрации 31 августа 2016г.).
Соответствие диссертации паспорту научной специальности 05.02.08.
Соответствует пункту 7 – технологическое обеспечение и повышение качества поверхностного слоя, точности и долговечности деталей машин.
Методы диссертационного исследования. Теоретические исследования основаны на фундаментальных положениях технологии машиностроения. Для
решения поставленных задач использованы методы идеализации, сравнения и моделирования. Практическая часть основана на проведении теоретических и исследований параметров, характеризующих качество поверхностного слоя детали, сформированных механической обработки. Эксперименты проводились по стандартным и общепринятым методикам исследования поверхностного слоя. Анализ и обработка экспериментальных данных осуществлялась посредством применения программных продуктов Mathsoft Mathcad, Microsoft Office Excel.
Степень достоверности результатов и выводов работы подтверждается использованием апробированных методик проведения исследования и обработки экспериментальных данных, а также использованием достоверных литературных источников.
Апробация работы. Основные результаты и положения диссертации обсуждались и докладывались на конференциях различного уровня: «Машиностроение – традиции и инновации» (Югра, 2011); «Будущее машиностроения России» (Москва, 2014); «Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации» (Курск, 2014); «Современные тенденции в технологиях металлообработки и конструкциях металлообрабатывающих машин и комплектующих изделий» (Уфа, 2014).
Личный вклад автора:
-
разработка теоретических положений по расчету температуры в зоне резания с учетом переменной интенсивности тепловыделения по глубине поверхностного слоя детали;
-
исследование характера влияния наноструктурированных покрытий режущих инструментов на параметры обработки точением, величину остаточных напряжений, глубину и степень наклепа, параметр шероховатости поверхности Rz и предел выносливости, как характеристики усталостной прочности детали;
-
выполнение экспериментов, обработка полученных данных и формулирование выводов;
-
разработка программного обеспечения для расчета параметров, характеризующих качество поверхностного слоя деталей, после обработки инструментами с наноструктурированными покрытиями.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 научных работ, из них 3 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертация имеет введение, четыре главы, общие выводы. Объем работы – 141 страница машинописного текста, в том числе 48 рисунков, 26 таблиц, список использованных источников из 82 наименований, 3 приложения.
Анализ дефектов деталей газотурбинных двигателей, связанных с состоянием поверхностного слоя
Случаи разрушения валов газотурбинных двигателей являются единичными, однако их последствия могут оказаться весьма тяжелыми. Разрушение валов может носить усталостный характер из-за следующих причин [2]: - повышенных переменных напряжений от вибрационного горения, вызванного нарушением работы форсунок или регулирующей аппаратуры; - коррозионного повреждения материала; - металлургических дефектов; - неоптимальных параметров поверхностного слоя, сформированных при механической обработке в процессе изготовления (прижоги, растягивающие остаточные напряжения); - несовершенства применяемых средств и методов неразрушающего контроля. - фреттинг-износа в зонах болтовых и шлицевых соединений валов. При лезвийной обработке деталей газотурбинных двигателей дефекты могут возникать по следующим причинам: - неоптимальные режимы и условия обработки, из-за этого параметры, характеризующие качество поверхностного слоя детали, не удовлетворяют по условиям прочности; - ошибки в назначении базирующих поверхностей при установке заготовки и выполнении технологических операций.
Проведенный выше анализ усталостных дефектов основных деталей газотурбинного двигателя показывает значительное влияние технологических факторов на надежность двигателя. Они включают ряд признаков, имеющих наследственную природу: повышенная степень наклепа, локальные неоднородности структуры или химсостава, внутренние дефекты материала, остаточные напряжения. Согласно исследованиям, приведенным в работе [2], процент дефектов на каждый из признаков, распределяется следующим образом: повышенный наклёп - 25 %, неоднородность структуры - 30 %, остаточные напряжения - 35 %, высокая шероховатость поверхности - 5 %, другие причины - 5 % (рисунок 1.7) [2].
Изготовление деталей газотурбинных двигателей осуществляется по известным маршрутным технологическим процессам. При их реализации, операции лезвийной обработки могут являться источниками повышенного риска возникновения отрицательной технологической наследственности.
Надежность, являясь комплексным показателем, определяется таким эксплуатационными характеристиками входящих в состав двигателя деталей и их соединений как усталостная прочность, износостойкость, коррозионная стойкость, прочность посадок и т.д. Эти свойства обусловлены материалом детали, точностью размеров и качеством поверхностей. Чаще всего, разрушение детали начинается с поверхности, поэтому повышение качества машин невозможно без технологического обеспечения качества поверхностного слоя детали, включающее обеспечение как геометрических, так и физико-механических характеристик поверхностного слоя.
В настоящее время понятие качества поверхностного слоя деталей машин учитывает геометрические характеристики, физико-химические свойства и напряженность поверхностного слоя [8,55].
Поверхностный слой - это наружный слой детали, формирующийся при изготовлении и эксплуатации детали. По глубине он составляет от десятых долей микрометра до нескольких миллиметров. Поверхностный слой имеет микро- и макроотклонения от идеальной геометрической формы и измененные физико-химические свойства по сравнению со свойствами основного материала [55].
С учетом законов физики твердого тела и особенностей формирования поверхностного слоя при механической обработке профессором A.M. Сулимой предложена классификация параметров поверхностного слоя, которая представлена в таблице 1.1.
В зависимости от условий работы, таких как температура эксплуатации и удельные нагрузки, требуемое качество поверхностного слоя изготавливаемых деталей, описывается с использованием различных сочетаний параметров поверхностного слоя.
К макрогеометрическим отклонениям формы относятся: - нерегулярные отклонения (отсутствие плоскостности у плоскостей, конусность, эллиптичность и т.д.); - закономерно повторяющиеся отклонения (волнистость поверхности). В процессе обработки деталей газотурбинных двигателей и при их эксплуатации происходит изменение свойств поверхностного слоя материала, характеризующееся возникновением остаточных напряжений, повышением твердости, изменением структурно-фазового состояния.
Наименование Подгруппа параметров Наименование параметров Обозначения Единица измерения Неровности поверхности Шероховатость Наибольшая высота неровностейВысота неровностейСреднее арифметическое отклонение профиляСредний шаг неровностей профиля повершинамСредний шаг неровностей профиляtp - относительная опорная длина профиля назаданном уровне сечения профиля тахRzRasс"И мкм мкм мкм мкм мкм% Волнистость Шаг волнистости поверхности Sw мкм Высота волнистости поверхности wz мкм Направление неровностей Угол между направлением неровностей и направлением действия внешней нагрузки осш градус Напряженностьповерхностногослоя Остаточные напряжения Макронапряжения (напряжения первого рода) С? ост Па Микронапряжения (напряжения второго рода) —їїС? ост Па Субмикронапряжения (напряжения третьего рода) —itС? ост Па Физическоесостояниеповерхностногослоя Степень деформации Степень деформации слоев Степень деформации зерен Є % % Наклеп Глубина наклепа Степень наклепа кNH мкм% Кристаллическая структура Плотность дислокаций Параметры решеткиКонцентрация вакансий Pa, b, сa, P,X с см 2 А Для оценки упрочнения используют параметры [55]: степень NH и глубина /zH наклепа. Глубина слоя, на которой возникает повышенная по сравнению с исходным материалом микротвердость, называется глубиной наклепа.
Определение температуры резания в интегральной форме с учетом плоских источников тепла
В настоящее время, в авиадвигателестроении наиболее часто применяются жаропрочные сплавы, жаропрочные и коррозионностойкие стали. Детали из таких материалов подвержены тяжелым условиям эксплуатации: большим нагрузкам, высокой температуре, высокой химической агрессивности рабочей среды. Детали, изготовленные из вышеперечисленных материалов, могут составлять до 85% от массы авиационного двигателя.
Жаропрочные сплавы, жаропрочные и коррозионностойкие стали обладают низкой обрабатываемостью резанием, выраженной экстремальной зависимостью стойкость инструмента - скорость резания, подвержены образованию в поверхностном слое значительного упрочнения, значительных остаточных напряжений и в ряде случаев неудовлетворительной шероховатости. В предыдущей главе было показано, что значения параметров наклепа, остаточных напряжений и шероховатости в значительной степени зависят от безразмерного комплекса процесса резания В, на величину которого, в свою очередь, влияет покрытие режущего инструмента.
Важно отметить, Константиновым А. В. в работе [13] установлено, что при точении материалов с примерно одинаковыми физико-механическими свойствами и химическим составом инструментами из сплава ВК8 с покрытием TiN полученные результаты совпадают с точностью 3 - 5 % в пределах каждой группы материалов, что не превышает погрешность самого эксперимента. Данное положение позволяет значительно снизить количество необходимых экспериментов. На основании этого, для определения влияния покрытия режущих инструментов на параметры, характеризующие качество поверхностного слоя, можно ограничиться расчетом одного материала-представителя из каждой группы и, тем самым, значительно сократить трудоемкость выполнения экспериментов.
Таким образом, требуется исследовать влияние наноструктурированных покрытий режущих инструментов при токарной обработке с использованием чистовых режимов резания следующих групп материалов: - жаропрочные сплавы и стали; - коррозионностойкие стали. К таким материалам-представителям можно отнести коррозионностойкую сталь ЭК26 (05Х12Н2КЗМ2АФ) и жаропрочный сплав на никелевой основе ЭИ437 (ХН77ТЮР). Их и выберем для исследования в данной работе. Рассматриваемый метод обработки - чистовое продольное точение резцами из твердого сплава ВК6Р с наноструктурированными покрытиями (Ti;Si)N, (Ti;Si;Al)N, нанесенными ионно-плазменным вакуумно-дуговым методом, и покрытием, полученным методом ионной имплантации наночастиц А12Оз в рабочие поверхности инструмента. Исходные данные для исследования приведены в таблице 2.1.
Для определения возникающих в процессе обработки остаточных напряжений необходимо знать температуру и ее распределение в поверхностном слое по глубине от поверхности. Рассмотрим два варианта расчета температуры резания и ее распределение по глубине детали: с учетом действия плоских источников тепла (Рисунок 2.1) и с учетом действия объемных источников тепла (Рисунок 2.2).
При обработке резанием металл снимаемого припуска и поверхностный слой детали подвергается упруго-пластическому деформированию. Скорость распространения тепла в твердом теле ниже скорости движения источника тепла.
На рисунке 2.1: АО - плоско ограниченный источник тепла, развивающийся от действия пластических деформаций на поверхности сдвига; АД - плоско ограниченный источник тепла, развивающийся от действия процессов трения на площадке контакта резца с обработанной поверхностью. Профессором Безъязычным В. Ф. предложено следующим образом рассчитывать теплоту первого источника (источника О)[39]: - при 0 х Ai = где 0 - температура в рассматриваемой точке поверхностного слоя, С; V- скорость движения теплового источника (скорость резания), м/сек; XQ и уо - координаты линейного источника, м; хиу- координаты рассматриваемой точки, м; X - коэффициент теплопроводности инструментального материала, Вт/(м-К); а - коэффициент температуропроводности материала обрабатываемой детали, м2/сек; ср - удельная объемная теплоемкость, Дж/(м-К); qA - интенсивность источника тепла, Дж/(м-сек). Формулы для второго источника (источника АД) выглядят следующим образом [39]: - при х Ai где дд - интенсивность источника тепла, Дж/(м-сек).
Интенсивность теплового источника АО может быть принята постоянной и равной интенсивности на условной вершине резца, полученной исследованиями С.С. Силина [34] IA=TP V COSA (2.6) где р\ - угол поверхности сдвига, тангенс которого численно равен значению комплекса В. Интенсивность источника АД, с учетом смещения координат по оси х на величину Ai [39] УАД = (ІА- ехР -3 Ґ _ л2 2 1 А V ) (2.7) Таким образом, в п.2.2.1 использованы расчетные зависимости, полученные Безъязычным В. Ф. и Силиным С. С. Особенностью работы является использование способа перевода функции распределения температуры от координат (х, у) в функцию, зависящую только от координаты глубины рассматриваемого слоя (у). Данный способ основан на нахождении с помощью мощностей вычислительной техники координаты Хмакс, в которой значение функции распределения от действия обоих источников тепла Q\ и Q2 при координате у = О принимает максимальное значение.
Расчетные зависимости для определения остаточных напряжений в поверхностном слое детали от действия теплового фактора без учета упрочнения обрабатываемого материала
Оптимальные скорости резания при токарной обработке образцов из сплава ЭИ437 при подаче 0,1; 0,2; 0,3 и 0,4мм/об составляют 1; 0,8; 0,66 и 0,59 м/с соответственно [76].
При обработке жаропрочного сплава ЭИ437 на небольшой подаче 0,1 мм/об (рисунок 2.5) температура резания, рассчитанная по теоретическим формулам с учетом плоских, так и с учетом объемных источников тепла практически совпадают. Графики зависимости расчетной температуры резания от скорости резания имеют схожую форму с графиком, полученным из экспериментальных данных в работе [76]. Однако, температура, определенная по теоретическим формулам, несколько выше экспериментальной (разница составляет около 80С).
При обработке жаропрочного сплава ЭИ437 на подаче 0,2 мм/об (рисунок 2.6) со скоростью ниже оптимальной температура резания, рассчитанная по теоретическим формулам как с плоской, так и с объемной схемой действия источников тепла практически совпадают. Также, при скорости ниже оптимальной графики зависимости расчетной температуры резания имеют схожую форму с графиком, полученным из экспериментальных данных в работе [76], но разница между ними составляет около 80С. При оптимальной или выше оптимальной скорости резания, рассчитанная с учетом действия объемных источников тепла температура резания, также достаточно точно коррелирует с экспериментами данными. Температура резания, рассчитанная с учетом действия плоских источников тепла, при скорости резания оптимальной и выше оптимальной имеет иной характер зависимости от скорости резания по сравнению с экспериментальными данными. Однако, использование теоретической формулы для расчета температуры резания с учетом действия плоских источников тепла не принесет значительной погрешности. При обработке жаропрочного сплава ЭИ437 с высокой подачей инструмента 0,3 мм/об (рисунок 2.7) можно сделать выводы аналогичные приведённым выше для подачи резца 0,2 мм/об, однако использовать теоретические зависимости для расчета температуры резания с учетом действия плоских источников тепла на скорости выше оптимальной нецелесообразно, так как это к значительной ошибке расчета.
При обработке жаропрочного сплава ЭИ437 с подачей инструмента 0,4 мм/об (рисунок 2.8) использовать теоретическую формулу для расчета температуры резания с учетом действия плоских источников тепла нецелесообразно. Температура резания, рассчитанная по формуле с учетом действия объемных источников тепла, имеет высокую корреляцию с экспериментальными данными. 0.5 1 1.5
Для оценки влияния подачи на температуру резания, рассчитанную по вышеприведенным зависимостям в п.2.2.1 и 2.2.2, на рисунках 2.9 - 2.10 приведены графические зависимости, на которых: Тэкс - экспериментально определенное значение температуры резания; Тпл - температура резания, определенная теоретически с учетом плоских источников тепла; Тоб температура резания, определенная теоретически с учетом объемных источников тепла.
Графическая зависимость температура резания от подачи режущего инструмента при обработке образцов из сплава на никелевой основе ЭИ437 резцом из ВК6 со скоростью резания 0,4 м/с удовлетворительно коррелирует с экспериментальными данными в работе [76] (рисунок 2.9), однако предпочтительнее использовать формулы с учетом действия объемного источника тепла.
При моделировании процесса токарной обработки деталей из жаропрочного сплава ЭИ437 резцом из ВК6 со скоростями резания 1 м/с и подачами режущего инструмента 0,2 - 0,4 мм/об расчетные зависимости для определения температуры резания с учетом действия плоских источников: использовать нецелесообразно, так как это приведет к значительным расхождениям с результатами, полученными на практике (рисунок 2.10).
Произведем моделирование процесса продольного точения образцов из жаропрочного сплава ЭИ437 и коррозионностойкой стали ЭК26 твердосплавным резцом из ВК6Р с различными наноструктурированными покрытиями. Режимы резания и геометрия инструмента, применяемые покрытия инструмента приведены в таблице 2.1. Значение коэффициента трения инструмент-деталь, необходимого для моделирования, возьмем из таблицы 1.5. Моделирование обработки выполним по зависимостям по объемной схеме действия источников тепла с учетом переменной интенсивности тепловыделения в поверхностном слое заготовки. Для определения влияния наноструктурированных покрытий режущего инструмента на температуру резания выполним анализ результатов моделирования, представленных на рисунках 2.11 - 2.16.
Сравнение экспериментальных данных при обработке резанием с результатами теоретических расчетов
Была выдвинута гипотеза о влиянии упрочнения обрабатываемого материала вызванного действием теплового фактора на точность расчета величины остаточных напряжений после токарной обработки. Проверка гипотезы осуществлялась с помощью имитационного моделирования остаточных напряжений, возникающих в результате точения жаропрочного сплава ЭИ437 скорости резания 0,59 м/с, подаче 0,1 мм/об, глубине резания 1 мм резцом из твердого сплава ВК8 с геометрией режущей части а= 12, у= 10, Ф = 45,фі = 15,г=1мм.
Рассматривались два варианта - с учетом упрочнения обрабатываемого материала от теплового воздействия, а также вариант без его учета. В результате учета упрочнения материала при расчете остаточных напряжений от действия теплового фактора происходит коррекция значений, они становятся меньше на 15% при глубине от 0 до 20 мкм (рисунок 3.1).
На рисунке 3.1 изображено: т.т.без упрочн. - остаточные напряжения теплового воздействия без учета упрочнения материала; т.т.с упрочн. - остаточные напряжения от теплового воздействия с учетом упрочнения материала. жбез упрочн LJ, МКМ 80 100 а.МПа Эпюры остаточных напряжений от теплового воздействия с учетом упрочнения обрабатываемого материала и без его учета
Коррекция результатов расчета суммарных остаточных напряжений без учета и с учетом упрочнения образцов из обрабатываемого материала происходит на величину аналогичную при расчете остаточных напряжений от действия теплового фактора (рисунок 3.2). На рисунке 3.2 изображено: т.сил - тангенциальные остаточные напряжения от действия силового фактора; т.т.без упрочн. - остаточные напряжения от теплового воздействия без учета упрочнения материала; т.т.с упрочн. - остаточные напряжения от теплового воздействия с учетом упрочнения материала; т.расчбез упрочн. - расчетные остаточные напряжения без учета упрочнения материала;
Результаты расчетов показали большую корреляцию с экспериментальными данными значений, полученных при моделировании токарной обработки с учетом упрочнения, по сравнению с вариантом, не учитывающим упрочнение. В дальнейших расчетах целесообразно учитывать упрочнение при расчете остаточных напряжений от действия теплового фактора.
Для определения влияния наноструктурированных покрытий режущих инструментов на остаточные напряжения в поверхностном слое детали произведем ее расчет по зависимостям, приведенным в п.3.1 для образцов из материалов: жаропрочный сплав ЭИ437 и коррозионностойкая сталь ЭК26 резцом из ВК6 с различным покрытием, с изменением подачи и скорости резания. Значение коэффициента трения инструмент-деталь возьмем из таблицы 1.5. Геометрия инструмента приведена в таблице 2.1 (исходные данные аналогичны рассматриваемым в п.2.3 и п.2.5). На рисунке 3.4 приведены эпюры остаточных напряжений, полученные в результате расчета в программном обеспечении, разработанном автором, при обработке жаропрочного сплава ЭИ437 инструментом с покрытиями (TiSi)N, (TiSiAl)N, А1203 и без покрытия. Скорость резания 0,9 м/с, подача 0,2 мм/об, глубина резания 1мм. сг , МПа т ВК6 (TiSi)N (TISIADN Al203 20 U) 60 80 100
Достаточно ярко выраженная вершина, при переходе от возрастании растягивающих остаточных напряжений к их убыванию в близи поверхности образца, обусловлена принципом расчета остаточных напряжений, на практике переход должен быть сглажен. Область от поверхности до глубины 5 мкм не показана из-за преобладания в ней структурно-фазовых превращений.
В главе 2 при исследовании влияния выбранных покрытий режущего инструмента на силу и температуру резания при обработке образцов из жаропрочного сплава ЭИ437 выявлено их незначительное влияние, поэтому и при анализе эпюр суммарных остаточных напряжений, изображенных на рисунке 3.4, покрытия инструмента также оказывают незначительное положительное влияние и на остаточные напряжения. Учитывая характер влияния покрытий на силу и температуру резания, их влияние на остаточные напряжения, согласно расчетной методике, и на других режимах окажется такое же незначительное.
Исследование влияния параметров токарной обработки на величину остаточных напряжений показало, что из режимов резания наибольшее влияние на величину и глубина залегания остаточных напряжений оказывает подача, заметно в меньшей степени влияют глубина и скорость резания [39, 50], поэтому рассмотрим влияние покрытий режущего инструмента при подачах 0,14 мм/об и 0,2 мм/об. На рисунках 3.6 и 3.7 приведены эпюры остаточных напряжений, полученные в результате расчета при этих подачах. При увеличении подачи инструмента до 0,14 мм/об (рисунок 3.6) эпюры остаточных напряжений смещаются в область сжимающих, а положительное влияние покрытий увеличивается. При использовании сочетания инструментального материала с наноструктурированным покрытием А1203 глубина залегания неблагоприятных растягивающих остаточных напряжений снижается на 40%.
При увеличении подачи до 0,2 мм/об (рисунок 3.7) положительное влияние покрытий становится еще существеннее. Снижение глубина залегания неблагоприятных растягивающих остаточных напряжений может снижаться снижается на 50%. Предпочтительным инструментальным материалом при обработке образцов из коррозионностойкой стали ЭК26 на всех подачах оказалось наноструктурированное покрытие А1203. Причиной различия величин и глубин залегания остаточных напряжений могут являться разные значения коэффициентов трения сочетания деталь-инструмент, приводящие к изменению внутреннего трения и течения поверхностных слоев обрабатываемой детали, а также влияние температурного фактора.
Глубина наклепа поверхностного слоя при механической обработке определяется глубиной залегания пластических деформаций в поверхностном слое детали. При точении инструментом цилиндрической детали глубина упрочнения поверхностного слоя будет равна глубине проникновения пластических деформаций в направлении действия радиальных напряжений.
Пластические деформации в поверхностном слое возникают от температурно-силового воздействия. Таким образом, при точении глубина залегания пластических деформаций в поверхностном слое определяется из условия равенства пределу текучести алгебраической суммы напряжений в поверхностном слое, обусловленных температурным и силовым факторами [39, 50]: