Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Высокопроизводительные методы лезвийной обработки и качество поверхностного слоя деталей из закаленных сталей, которое они обеспечевают 12
1.1 Основные параметры качества поверхностного слоя 12
1.1.1 Остаточные напряжения 14
1.1.2 Особенности формирования шероховатости поверхности 21
1.1.3 Наклёп поверхностного слоя 25
1.1.4 Структура поверхностного слоя деталей 28
1.1.5 Неоднородность свойств поверхностного слоя деталей 31
1.2 Высокоскоростная лезвийная обработка 33
1.3 Управление качеством поверхностного слоя 38
1.4 Особенности структуры закаленных сталей 40
1.5 Инструментальные материалы, применяемые при высокоскоростном фрезеровании закаленных сталей 44
1.6 Постановка задач исследования 47
ГЛАВА 2. Моделирование и анализ влияния технологических параметров высокоскоростного торцевого фрезерования закаленной стали на формообразования поверхностного слоя детали 52
2.1 Технологические остаточные напряжения в поверхностном слое деталей..52
2.1.1 Модель остаточные напряжения в поверхностном слое детали от действия силового фактора 53
2.1.2 Нахождение остаточных напряжений от действия температурного фактора
2.1.3 Нахождение остаточных напряжений от действия структурно - фазовых превращений
2.1.4 Определение результирующих остаточных напряжений в поверхностном слое обработанной детали 70
2.2 Особенности формирования шероховатости поверхности при ВСО 72
2.3 Расчёт микротвёрдости поверхностного слоя при ВСО 73
2.4 Методика исследования структурно-фазового состава поверхностного слоя. Схема определения процентного содержания фаз 74
2.5 Выводы 76
ГЛАВА 3. Исследование состояния поверхностного слоя деталей после высокоскоростного торцевого фрезерования 77
3.1 Многофакторная модель шероховатости поверхности после ВСО 77
3.2 Исследование микротвердости поверхности 87
3.3.1 Исследование структурно-фазового состава поверхностного слоя деталей 90
3.3.2 Пример определения структурно-фазового состава поверхностного слоя по разработанной методике 91
3.4 Исследование неоднородности свойств поверхностного слоя вихретоковым методом 94
3.5 Исследование технологических остаточных напряжений вихретоковым и рентгеновским методами 99
3.6 Выводы 105
ГЛАВА 4. Исследование температуры нагрева поверхности детали, стойкости режущего инструмента и точности обработки при высокоскоростном торцевом фрезеровании 107
4.1 Исследование тепловой модели 107
4.1.1 Анализ экспериментально-аналитической тепловой модели высокоскоростного резания 107
4.1.2 Исследование температуры нагрева поверхностного слоя заготовки 109
4.2 Исследование стойкости режущего инструмента 111
4.2.1 Выбор оптимального критерия стойкости и средств измерения, разработка схемы измерения и плана проведения эксперимента 113
4.2.2 Проведение эксперимента и оценка результатов 114
4.3 Исследование точности обработки при высокоскоростном торцевом фрезеровании 117
4.3.1 Определение значимых факторов, влияющих на точность обработки при высокоскоростном торцевом фрезеровании 117
4.3.2 Экспериментальное исследование точности обработки 119
4.4 Выводы 124
ГЛАВА 5. Оптимизация процессов высокоскоростного торцевого фрезерования закаленной стали с учётом параметров качества поверхностного слоя детали 126
5.1 Задачи, особенности и физические предпосылки назначения режимов обработки резанием 126
5.2 Технологические ограничения для процесса высокоскоростного торцевого фрезерования закалённых сталей 129
5.3 Практическая реализация чистового высокоскоростного торцевого фрезерования на производстве 134
Заключение 136
Список литературы 138
Дополнительный список источников 148
Приложения 151
- Инструментальные материалы, применяемые при высокоскоростном фрезеровании закаленных сталей
- Модель остаточные напряжения в поверхностном слое детали от действия силового фактора
- Пример определения структурно-фазового состава поверхностного слоя по разработанной методике
- Анализ экспериментально-аналитической тепловой модели высокоскоростного резания
Введение к работе
При современном уровне развития машиностроения всё большее внимание уделяется качеству и себестоимости продукции. Появление высокоскоростной лезвийной обработки позволило повысить производительность резания в несколько раз. Однако для дальнейшего совершенствования процесса необходимо уделять особое внимание требованиям к качеству выпускаемой продукции. Ведущую роль при этом играет обеспечение заданного качества поверхностного слоя.
С совершенствованием станкостроения и появлением новых инструментальных материалов увеличивалась скорость резания. В настоящее время с успехом применяется новый вид механической обработки -высокоскоростная лезвийная обработка (ВСО). Для неё созданы специальные высокоскоростные станки, оснастка и инструмент. Обработка с высокими скоростями является принципиально новой технологией, для которой характерны свои особенности, такие как низкая сила резания, высокие температуры и т.д. Применение высокоскоростной обработки в ряде случаях позволяет отказаться от использования финишных операций: шлифования, шабрения. Широкое применение ВСО нашла в производстве штампов и пресс-форм. Однако процессы, происходящие при ВСО, ещё не достаточно изучены. Поэтому нахождение производительных и эффективных методов обеспечения качества поверхностного слоя детали при высокоскоростном чистовом торцевом фрезеровании закаленных сталей, позволяющих получить изделия с заданными свойствами поверхностного слоя, является актуальной задачей для механообрабатывающего производства
С развитием техники всё более широкое применение находят материалы, которые трудно обрабатывать по существующим технологиям. Например, закаленные стали высокой твердости обрабатываются шлифованием, что приводит к получению поверхностного слоя с растягивающими остаточными
напряжениями и прижогами или на дорогостоящих и сложных в эксплуатации электроэрозионных станках.
Таким образом, существуют различные методы высокоэффективной механообработки, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки. Для обработки деталей штампов и пресс-форм из закаленной стали предпочтительней высокоскоростная лезвийная обработка, так как она обеспечивает формообразование поверхностного слоя деталей с оптимальными величинами остаточных напряжений, шероховатости, микротвердости, структурно-фазового состава и неоднородности свойств и не требует дополнительных оснастки и оборудования.
Исследованию обеспечения качества поверхностного слоя при высокоскоростной обработке посвящены исследования многих отечественных и зарубежных авторов, таких, как Томас Скопесек, Юрий Свобода и Петр Хофманн и др [9, 10, 18]. Качество поверхностного слоя, а также его управление описано исследователями: А. М. Сулима, В. А. Шуловым, А. Ю. Албагичевым, В. А. Моисеевым [28, 31, 32]. Однако получить поверхность с заданными параметрами поверхностного слоя затруднительно, так как отсутствуют методы обеспечения его качества. Имеются методики для расчета отдельных параметров, таких как шероховатость, остаточные напряжения, микротвердость. Однако практически все они выведены для традиционных методов лезвийной обработки и не учитывают весь комплекс свойств, характеризующими состояние поверхности детали. Высокоскоростная лезвийная обработка закаленных сталей с учетом особенностей формообразования в условиях локального термопластического сдвига требует создания собственного технически обоснованного способа обеспечеия качества поверхностного слоя с заданными величинами остаточных напряжений, шероховатости, микротвердости, структурно-фазового состава и неоднородности свойств.
При изготовлении деталей штампов и пресс-форм необходимо получения очень высокого качества их рабочих поверхностей. В настоящее время на
финишных операциях изготовления подобных изделий широко применяется абразивная обработка, которая позволяет получить высокую чистоту поверхности, однако приводит к появлению прижогов и поверхностных растягивающих технологических остаточных напряжений, что неблагоприятно сказывается на стойкости продукции. К тому же абразивная обработка существенно удорожает и и увеличивает длину производственного цикла. При ВСО достигается поверхность высокой чистоты с благоприятной картиной распределения технологических остаточных напряжений. Также внедрение ВСО способствует значительному сокращению себестоимости продукции и машинного времени.
Однако при ВСО закаленных сталей с неправильно подобранными режимами имеют место такие недостатки поверхностного слоя деталей, как изменение структуры, появление микротрещин, растягивающие технологические остаточные напряжения, высокая шероховатость, изменение микротвердости [75, 90, 27].
Цель работы. Обеспечение качества поверхностного слоя деталей (оптимальных величин остаточных напряжений, шероховатости, микротвердости, структурно-фазового состава и неоднородности свойств) при высокоскоростном торцевом фрезерования закаленных сталей для повышения производительности и качества получаемых изделий.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- разработана модель образования технологических остаточных
напряжений в поверхностном слое детали на основе диаграммы напряжение-
деформации, позволяющая находить величину остаточных напряжений от
режимов резания и свойств обрабатываемого материала;
- разработаны методика экспериментального исследования остаточных
напряжений, шероховатости, микротвердости, структурно-фазового состава и
неоднородности свойств поверхностного слоя после ВСО при чистовой
обработке закаленных штамповых сталей; эмпирические модели
шероховатости и микротвердости, необходимые для определения факторов, влияющих на качество поверхностного слоя деталей;
- получена экспериментально-аналитическая теплофизическая модель процессов высокоскоростного торцевого фрезерования, которая позволяет рассчитать температуру на поверхности детали в зависимости от режимов резания и используется при определении оптимальных режимов ВСО, для которой разработан ряд технологических ограничений по остаточным напряжениям в поверхностном слое, шероховатости поверхности детали, наклёпу, по структурно-фазовому составу поверхностного слоя (температуре нагрева), стойкости инструмента, достигаемой точности обработки, паспортным данным станка.
Практическая ценность и реализация результатов работы. На основании теоретических и экспериментальных исследований обоснована возможность получения поверхностного слоя детали с заданными величинами остаточных напряжений, шероховатости, микротвердости, структурно-фазового состава и неоднородности свойств. Разработаны рекомендации по промышленному использованию обеспечения качества поверхностного слоя деталей при чистовом высокоскоростном торцевом фрезеровании закаленной стали на машиностроительных предприятиях для производства штампов и пресс-форм. Полученные результаты внедрены на ОАО «ОСАННА» (сварные конструкции) и ЗАО НПК «Энергия» (роторы, корпуса, основания датчиков).
Для изучения картины распределения технологических остаточных напряжения в поверхностном слое заготовки была разработана собственная математическая модель. Данная модель была проверена экспериментальными исследованиями, и установлена её адекватность. Предложена оригинальная методика для определения структурно фазового состава поверхностного слоя с использованием компьютерной программы Adobe Photoshop 7.0, позволяющая подсчитывать процентное соотношение фаз. Методика исключает необходимость применения дорогостоящего программного обеспечения и позволяет с высокой степенью достоверности оценивать структурно-фазовый
состав. С её помощью возможно проводить расчёт остаточных напряжений, возникающих от действия структурно-фазовых превращений.
Исследованы свойства поверхностного слоя деталей при высокоскоростном торцевом фрезеровании закаленных сталей и определены факторы, влияющие на остаточные напряжения, шероховатость, микротвердость, структуру и неоднородность структуры поверхностного слоя детали. Экспериментальными исследованиями проверена выбранная теоретическая модель шероховатости поверхности и установлена её адекватность реальному процессу ВСО. Для проверке модели образования остаточных напряжений проведены экспериментальные исследования на дифрактометре «Дрон-3.0» и сканирующем вихретоковом преобразователе, которые подтверждают адекватность разработанной модели.
Для изучения тепловых процессов была разработана экспериментально-аналитическая теплофизическая модель процессов высокоскоростного фрезерования, которая позволяет рассчитать температуру на поверхности детали в зависимости от режимов резания. Данная модель позволяет находить остаточные напряжения от действия температурного фактора и получить технологическое ограничение процесса ВСО по достигаемому структурно-фазовому составу поверхностного слоя.
Для формирования технологических ограничений, накладываемых на процесс резания, проведено экспериментальное исследование стойкости инструмента и точности обработки. Получены эмпирическая зависимость точности обработки от режимов резания и обрабатываемого материала, а также технологический критерий стойкости режущего инструмента.
Для решения оптимизационной задачи была создана математическая модель, и разработаны технологические ограничения по остаточным напряжениям в поверхностном слое, шероховатости поверхности детали, наклёпу, по структурно-фазовому составу поверхностного слоя (температуре нагрева), стойкости инструмента, достигаемой точности обработки,
паспортным данным станка и др. Оптимизационная задача определения режимов ВСО решалась на ЭВМ.
ВСО сравнивалось по экономическим показателям с традиционными методами механической обработки. Анализ полученных результатов показал, что ВСО имеет значительные преимущества по себестоимости и трудоёмкости обработки.
Работа выполнена на кафедре ТЭМ ТИ СГТУ.
Экспериментальная часть работы выполнена в станочной лаборатории кафедры ТЭМ, лаборатории кафедры «Общая и неорганическая химия» СГУ, в производственном цехе ООО «ОСАННА», на ОАО «Саратовский подшипниковый завод».
Апробация работы. Основные научные положения и результаты
диссертации докладывались и обсуждались и на конференциях:
Международной научно-технической конференции «Высокие технологии в машиностроении» (Самара, 2002), Всероссийской научно-технической конференции «Теплофизические и технологические аспекты управления качеством в машиностроении» (Тольятти, 2002), Всероссийской научно-технической конференции «Высокие технологии в машиностроении» (Самара, 2005), Международной научно-технической конференции «Автоматизация технологических процессов и производственный контроль» (Тольятти, 2006), Всероссийской научно-технической Интернет-конференции «Высокие технологии в машиностроении» (Самара, 2006). Материалы диссертации обсуждались на кафедре «Технология и оборудование электрофизических и электрохимических методов обработки» ТИ СГТУ в 2006 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ, в том числе одна работа в издании, входящим в перечень ВАК, пять - в сборниках конференций.
Внедрения. Результаты исследований внедрены на 2 предприятия, полученный материал передан на 1 предприятие.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, приложения и списка литературы. Работа содержит 137 страниц машинописного текста, включая 11 таблиц и 57 рисунков.
На защиту выносятся:
Модель формирования остаточных напряжений от действия силового, температурного факторов и структурно-фазовых превращений в поверхностном слое при ВСО закаленных штамповых сталей.
Оригинальная методика оценки структурно-фазового состава поверхностного слоя с применением средств автоматизации.
Экспериментально-аналитическая модель расчёта температурных полей в поверхности детали.
Модель оптимизации процесса ВСО закаленных сталей с учетом особенностей формообразования в условиях локального термопластического сдвига.
Результаты промышленного использования материалов исследований по обеспечению качества поверхностного слоя деталей с заданными свойствами при чистовом высокоскоростном торцевом фрезеровании закаленной стали на машиностроительных предприятиях для производства штампов и пресс-форм.
Инструментальные материалы, применяемые при высокоскоростном фрезеровании закаленных сталей
Закаленные стали нашли широкое применение в современной промышленности, в частности для производства штампов и пресс-форм. К качеству их рабочих поверхностей предъявляются очень высокие требования, достижение которых с наименьшими экономическими затратами является актуальной задачей.
После закалки стали приобретают высокую твёрдость и хрупкость. Поэтому их обработка вызывает много трудностей: низкая стойкость режущего инструмента, невысокая скорость резания и неудовлетворительное качество поверхностного слоя, требующее часто для исправления ручного труда высококвалифицированного лекальщика. К тому же надёжность у получаемой оснастки зачастую оказывается невысокой из-за дефектов на рабочих поверхностях. Всех этих недостатков можно избежать, применяя высокоэффективные методы обработки.
В последние годы для производства деталей из закаленных сталей всё более широкое применение находит высокоскоростная лезвийная обработка (ВСО). Первое определение ВСО было предложено Карлом Саломоном в 1931. Он предположил, что при некоторой скорости резания, которая является в 5-Ю раз выше, чем при механообработке с обычными скоростями, теплопередача от стружки к инструменту начнет уменьшаться. Из-за отсутствия оборудования, работающего с высокими скоростями и обладающего высокой жесткостью, а также недостаточной износостойкости инструментальных материалов, ВСО долгое время не удавалось реализовать на практике. В настоящее время благодаря появлению нового оборудования, позволяющего достигать скорости порядка 500-5000 м/мин, ВСО получило распространение в США, Европе и Японии. Также существенным прогрессом является ЧПУ, управляющее процессом резания. Проблему недостаточной надёжности режущего инструмента удалось решить благодаря созданию принципиально новых инструментальных материалов (кубический нитрид бора, модификации алмаза и твёрдые сплавы с улучшенными свойствами).
Идея высокоскоростного резания заключается в переходе на обработку резанием с особо высокими скоростями [45]. При достижении некоторого значения скорости vKp температура резания начинает понижаться и процесс стружкообразования кардинально меняется: 1) Вместо пластического разрушения при отделении материала срезаемого слоя происходит хрупкое разрушение [88]. 2) В результате высокой температуры в контактной зоне резания понижается коэффициент трения инструмента об деталь. 3) Появляются высокочастотные колебания технологической системы. 4) Из-за локализации пластической деформации сливная стружка переходит в элементарную. Таким образом, внедрение ВСО даёт сразу несколько преимуществ: 1) достигается малое технологическое время обработки детали, 2) появление элементарной стружки облегчает работу автоматизированного производство, облегчая её удаление, 3) качество поверхностного слоя детали выше, чем при других методах (из-за снижения сил и температуры резания).
Высокоскоростное фрезерование (англ. HSC - High Speed Cutting) -специальный термин, обозначающий современную технологию изготовления, которую можно отнести к группе технологических методов изготовления путем обработки резанием резцами с определенной геометрией. По основному принципу он отличается от обычного фрезерования. В нем также с помощью вращающегося режущего инструмента с несколькими определенными резцами (фрезами) снимается (срезается) материал с заготовки. Однако при высокоскоростном фрезеровании скорости резания и подач в 5-Ю раз выше, чем при обычной обработке. Для такого материала, как сталь, они составляют обычно от 500 до 1500 м/мин., и выше. Такая высокая скорость резания комбинируется с высокими скоростями подач.
Благодаря высокоскоростному фрезерованию достигается по сравнению с обычным фрезерованием сокращение основного технологического времени, которое в соответствии с заданным параметром в 5-10 раз меньше.
Одним из главных достоинств высокоскоростного фрезерования является сокращение количества тепла, возникающего при обработке резанием, которое, во-первых, вызывает износ инструмента, во-вторых, оказывает негативное влияние на качество поверхностного слоя детали. Известно, что температура поверхности резания определяет также величину и знак остаточных напряжений в детали. Высокие тепловые нагрузки вызывают появление растягивающих напряжений, являющихся причиной образования усталостных трещин на её поверхности.
Проблемы высокоскоростной обработки в России мало изучены. В-основном, эта тема актуальна в Германии, Франции и США. Ниже кратко перечислены исследователи, работающие в данной области, и их основные достижения.
Galika AG. в работе "Высокоскоростное фрезерование (По материалам проработок фирмы Hermle)" доказывает, что в процессе высокоскоростной обработки основная масса тепла отводится в стружку, так как скорость подачи превышает скорость теплопроводности обрабатываемого резанием основного материала.
Томас Скопесек, Юрий Свобода и Петр Хофманн в статье [51] описывают наблюдения по проведённому ими экспериментальному фрезерованию закаленных сталей. Они делают выводы, что подача оказывает более интенсивное влияние на эту часть тепла резания, чем скорость резания. При большой подаче часть тепла резания, поступающего в обрабатываемую деталь, уменьшается сверх пропорционально, а температура поверхности резания обрабатываемой детали понижается. Отсюда, при обработке с большими подачами поверхность обработанной детали подвергается меньшим тепловым нагрузкам. Опасные остаточные напряжения возникают в меньшей степени.
Перспективы высокоскоростной обработки самые широкие. Явление ВСО - это уже сегодняшний день. И станки, и инструмент, и программное обеспечение в данный момент "затачиваются" под ВСО [77, 76] и, несомненно, будут адаптированы в соответствие с вырабатываемыми в данное время принципами. Пока что массовое внедрение ВСО сдерживается недостаточной жесткостью и малой скоростью существующего оборудования и отсутствия наработанной технологии. В статье Waurzyniak Р. "Продолжение спора между высокоскоростной и электроэрозионной обработкой при изготовлении пресс-форм и штампов" Описана тяжелая ситуация, сложившаяся в США в отношении оборудования для изготовления пресс-форм и штампов. Давление со стороны китайских конкурентов с их дешевой рабочей силой вынуждает американские фирмы внедрять более высокопроизводительное, но в то же время и более дорогое, оборудование, в первую очередь для высокоскоростной обработки. Анализ рынка изготовления штампов и прессформ показал, что электроэрозионные станки, сохраняя в основном свои ниши, постепенно уступают место высокоскоростным, в том числе по стоимости изготовления одной детали. В связи с этим можно сделать вывод, что высокоскоростная обработка является высокоперспективным процессом.
Модель остаточные напряжения в поверхностном слое детали от действия силового фактора
Обзор литературы показал, что совершенствование качества поверхностного слоя деталей при высокоскоростном торцевом фрезеровании является актуальной задачей. При этом также необходимо добиваться повышения производительности процесса ВСО.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: 1. Разработка модели образования технологических остаточных напряжений в поверхностном слое детали. 2. Разработка методики экспериментального исследования остаточных напряжений, шероховатости, микротвердости, структурно-фазового состава и неоднородности свойств поверхностного слоя после ВСО при чистовой обработке закаленных штамповых сталей; проведение экспериментального исследования; получение эмпирических моделей шероховатости и микротвердости. 3. Разработка экспериментально-аналитической теплофизической модели процесса высокоскоростного торцевого фрезерования, позволяющей рассчитать температуру на поверхности детали в зависимости от режимов резания. Данная модель необходима для нахождения величины и глубины залегания технологических остаточных напряжений. Выведение эмпирических зависимостей величины достигаемой точности обработки (отклонения от настроечного размера) от режимов резания; изучение стойкости режущего инструмента, которые необходимы для задания технологических ограничений при оптимизации. 4. Разработка математической модели определения оптимальных режимов ВСО, с обоснованным рядом технологических ограничений. Определение оптимальных режимов ВСО, обеспечивающих максимальную производительность процесса, при которых получается поверхностный слой детали с заданными величинами остаточных напряжений, шероховатости, микротвердости, структурно-фазового состава и неоднородности свойств. Остаточные напряжения в поверхностном слое детали оказывают большое влияние на надежность её работы, поэтому технология обработки должна обеспечивать формообразование поверхностного слоя с наиболее благоприятным качеством. А.В. Подзей приводит классификацию остаточных напряжений по протяженности силового поля [44]. 1-го рода - макронапряжения, охватывающие области, соизмеримые с размерами детали; 2-ого рода - микронапряжения, распространяющиеся на отдельные зерна металла или на группу зерен; 3-го рода - субмикроскопичесие, относящиеся к искажению атомной решетки.
Напряжения первого рода (макронапряжения) возникают в детали в процессе её изготовления от действия различных технологических факторов. По представлению физики твердого тела, напряжения в детали рассматриваются как следствие искажения кристаллической решетки. Величина же макронапряжений определяется, прежде всего, плотностью однородных дислокаций. Подзей пишет, что знак макронапряжений зависит от характера расположения однородных дислокаций по отношению к поверхности детали. При преобладании у поверхности отрицательных дислокаций возникают макронапряжения растяжения. А при преобладании у поверхности положительных дислокаций на параллельных плоскостях скольжения возникают положительные макронапряжения. Температура в зоне резания и состав обрабатываемого материала также влияют на количество избытка дислокаций одного знака, а следовательно, и на характер макронапряжения.
На величину и знак остаточных напряжений существенное влияние оказывают метод обработки и режимы резания. Фрезерование способствует возникновению растягивающих и сжимающих напряжений. Остаточные напряжения возникают в детали от действия силового, температурного факторов и действия структурно-фазовых превращений.
Превалирующее влияние оказывает сила трения по передней и задней поверхностям. Между силовым воздействием и остаточными напряжениями существует тесная связь, найти которую можно, опираясь на теорию упругости. Для начала определим напряженно-деформированное состояние в поверхностном слое детали. Б.А. Кравченко предложил методику по определению напряжений в зоне резания [29]: Напряженное поле под задней поверхностью инструмента зависит от внешних сил PN и F (рис. 2.1).
Пример определения структурно-фазового состава поверхностного слоя по разработанной методике
Шероховатость поверхности - совокупность неровностей с относительно малыми шагами, образующих рельеф поверхности.
Шероховатость поверхности после механической обработки - это геометрический след режущего инструмента, искажённый в результате пластической и упругой деформации и сопутствующей процессу резания вибрацией технологической системы станок - приспособление - инструмент -деталь (ТС).
Геометрия неровностей тесно связана с физико-механическими процессами разрушения металла при обработке резанием. Шероховатость поверхности при обработке хрупких материалов представляется в виде треугольных углублений, отвечающих форме вырванных зёрен.
Для технологического обеспечения оптимальной шероховатости поверхности из условий эксплуатации изделия важно знать взаимосвязь между критериями шероховатости поверхности и технологическими факторами (методами и режимами резания, геометрии, износа и материала режущего инструмента, смазочно-охлаждающих сред, жёсткости и виброустойчивости технологической системы СПИД и др.), а также между физико-механическими свойствами обрабатываемого материала.
Задачей данного исследования является разработка методики расчёта шероховатости с корректировкой её для учёта особенностей ВСО, так как необходимо учитывать и механику хрупкого разрушения.
Причинами, обуславливающими видоизменение и искажение (трансформацию) основного геометрического профиля, являются также копирование микронеровностей рабочих кромок резца и образование зубцов нароста, упругое восстановление материала детали после прохода режущего инструмента и другие технологические факторы, определяющие условия механической обработки (зазоры во вращающихся деталях станка, несбалансированность их и др.).
В формуле (1.2), предложенной Б.Н. Леоновым для расчёта берётся не фиксированное значение подачи, а её величина в виде функции от а. Определение толщины среза аі в зависимости от технологических и геометрических факторов процесса резания, а также от физико-механических свойств обрабатываемого материала может быть получено путём совместного решения относительно ai критериального уравнения процесса резания [49] и уравнения для определения тангенциальной составляющей силы резания [50].
Силин получил расчётную формулу для определения высоты неровностей при точении (1.2). Данная формула сложна для практического применения, так как содержит много переменных. К тому же, в ней содержатся коэффициенты, зависящие от соотношения радиуса режущей кромки pi и толщины среза. Воспользуемся расчетной формулой для определения величины шероховатости обработанной поверхности, предложенной В.Ф. Бобровым [90]. где Sz - подача на зуб; q - главный угол в плане, р\ - вспомогательный угол в плане. Данная формула учитывает как углы резания, так и режимы (подачу). 2.3 Расчёт микротвёрдости поверхностного слоя при ВСО Существуют несколько способов расчётного определения глубины наклёпа. Например В. А. Кривоухов [28] применил рентгенструктурный анализ для определения глубины наклёпа. Он установил, что глубину наклёпа можно приближённо рассчитать по формуле (1.3). Однако для адекватного представления о глубине залегания наклёпанного слоя данная формула не годится, так как не учитывает влияние множества факторов. Для случая свободного резания В. Н. Курицын и И. Б, Кравченко [29] получили зависимость для определения глубины упрочнения поверхностного слоя детали при механической обработке (1.7): Исследования показали, что между степенью наклёпа и его глубиной существует взаимная однозначная связь, так как они вызываются одними и теми же физическими явлениями [67]. В общем виде эта зависимость может быть записана следующим образом: Для нормализованных конструкционных сталей, обрабатываемых торцевым фрезерованием, К = 40 - 60, для жароупорного сплава ЭИ-473 при точении К = 80-100. Формула (1.7) позволяет рассчитать величину наклёпа лишь приблизительно. Для эффективного управления наклёпом при высокоскоростном торцевом фрезеровании выведем эмпирические формулы, учитывающие как свойства обрабатываемого металла, так и режимы резания. 2.4 Методика исследования структурно-фазового состава поверхностного слоя. Схема определения процентного содержания В процессе ВСО обрабатываемая поверхность находится в зоне интенсивного теплового воздействия и нагревается до высокой температуры. Это оказывает значительное влияние на структуру и механические свойства обрабатываемой поверхности. Проведенное исследование температурных полей в поверхностном слое обрабатываемой детали показывает, что максимальная температура, возникающая при фрезеровании на исследуемых режимах составляет 394 С. При обработке закаленных сталей нагрев до подобной температуры способен вызвать превращения в поверхностном слое -происходит образование сорбитно-трооститной структуры [6]. Механические свойства данных структур характеризуются меньшей твердостью, что отличается от характеристик закаленного слоя. Таким образом, для управления качеством поверхностного слоя и получения изделий с заданными характеристиками необходимо создать методику определения структурно-фазового состава поверхностного слоя.
Анализ экспериментально-аналитической тепловой модели высокоскоростного резания
Как видно из рисунков 3.20 и 3.21, амплитуда колебаний сигнала при увеличении скорости резания смещена в сторону отрицательных значений. А при плоском шлифовании (рис. 3.22), когда, согласно теории, из-за высокой температуры должны образовываться растягивающий остаточные напряжения, величина сигнала увеличивается и переходит в область положительных значений. Таким образом, можно сделать предположение, что вихретоковый метод позволяет находить знак остаточных напряжений в поверхностном слое обработанных деталей. Данные, полученные в ходе эксперимента хорошо согласуются с теоретической моделью нахождения остаточных напряжений в поверхностном слое, разработанной в 2-ой главе.
Для комплексной оценки качества поверхностного слоя обработанных деталей после ВСО были проведены экспериментальные исследования. Из анализа полученных данных можно сделать следующие заключения: 1. С увеличением скорости резания и уменьшения подачи и глубины величина шероховатости поверхности уменьшается. 2. На величину микротвердости фрезерованной поверхности наибольшее влияние оказывают скорость и глубина резания. С увеличением скорости резания при данной глубине и подачи микротвердость поверхности падает до минимального значения. Напротив, микротвердость возрастает с увеличением глубины резания и подачи. 3. Образцы из стали У8А, где поверхностный слой исходного образца представлял собой мелкоигольчатый мартенсит с отдельными вкраплениями перлита (около 5%), после высокоскоростного торцевого фрезерования сохранила исходную структуру. Образцы из стали 9ХС, имеющие до обработки структуру из мелкоигольчатого мартенсита, после ВСО также сохранили исходную структуру. Таким образом, можно сделать вывод, что ВСО с исследуемыми режимами не влияет или влияет очень незначительно на структурно-фазовый состав поверхностного слоя деталей. Приведенная в главе 2 методика позволяет с достаточной точностью определять процентное отношение структурно-фазового состава поверхностного слоя детали. 4. С увеличением скорости резания при высокоскоростном торцевом фрезеровании неоднородность свойств поверхностного слоя уменьшается. 5. При высокоскоростном торцевом фрезеровании закаленных сталей на исследуемых режимах в поверхностном слое обработанной детали образуются сжимающий остаточные напряжения. С увеличением скорости резания величина остаточных напряжений уменьшается, а с уменьшением подачи и глубины резания величина остаточных напряжений увеличивается. Целью проведения эксперимента было измерение максимальной температуры в поверхностном слое заготовки при ВСО. Методика экспериментального исследования тепловой модели процесса высокоскоростного торцевого фрезерования включала следующие этапы: 1. Выбор исследуемых образцов, оборудования и инструмента; 2. Подбор необходимой измерительной оснастки; 3. Нахождение оптимальной схемы измерения; 4. Составление плана проведения эксперимента; 5. Проведение экспериментов и получение данных; 6. Нахождение экспериментальной зависимости температуры в поверхностном слое обрабатываемой детали при высокоскоростном торцевом фрезеровании; 7. Апроксимация результатов экспериментов и проверка полученной модели на адекватность. Эксперименты проводились на универсальном горизонтально-фрезерном станке модели 6Р81. Исследуемые образцы представляли собой пластины прямоугольного сечения, изготовленные из материала сталь 9ХС. Обрабатывающим инструментом являлась фреза оригинальной конструкции со вставными твердосплавными пластинами из Т15К6. Для измерения температуры в данном исследовании использовалась искусственная термопара, которая имела диапазон измеряемой температуры от -20С до +1370C и подключалась к цифровому мультиметру DT-838 с функцией измерения температуры в диапазоне (-50 ч- 700С). На расстоянии 5 мм от боковой поверхности образца засверливались сквозные отверстия диаметром 0,75 мм. Схема измерения температуры при исследовании тепловой модели процесса высокоскоростного торцевого фрезерования закаленных сталей представлена на рис. 4.1.
