Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ литературных источников по проблеме исследования и применения технологии пластического сверления 12
1.1. Развитие научных исследований в области пластического сверления 12
1.2. Область применения технологии пластического сверления 14
1.3. Исследование качества отверстий, получаемых методом пластического сверления 19
1.4. Проблемы выбора технологических режимов пластического сверления 22
1.5. Выводы по первой главе 31
1.6. Цель и задачи исследований 33
2. Разработка критериев, технических средств и методик выбора рациональных технологических режимов пластического сверления 35
2.1 Разработка критериев выбора рациональных режимов сверления 35
2.2 Разработка измерительного комплекса для исследования режимов пластического сверления 39
2.2.1 Технические характеристики экспериментальной установки 41
2.2.2 Описание установки 42
2.2.3 Методика испытаний 43
2.3. Проверка адекватности предложенных критериев выбора рациональных режимов обработки 44
2.4. Разработка методики выбора рациональных режимов пластического сверления 49
2.5. Выводы по второй главе 55
3. Разработка энергетической модели пластического сверления 56
3.1. Анализ тепловых потоков и разработка полуэмпирической энергетической модели пластического сверления 56
3.2. Исследование влияния температуры заготовки на производительность пластического сверления 68
3.3. Совершенствование технологии изготовления перфораторов для пластического сверления 70
3.4. Выводы по третьей главе 82
4 Исследование качества отверстий, получаемых методом пластического сверления 83
4.1. Макро- и микрогеометрия отверстий, получаемых методом пластического сверления 83
4.2. Структура материала в области пластического течения 86
4.2.1. Исследование макроструктуры зоны формирования отверстия 86
4.2.2. Исследование микроструктуры материала в зоне формирования отверстия 89
4.3. Механические свойства материала в области пластического течения 93
4.3.1. Дюрометрический анализ материала в области формирования отверстия 93
4.3.2. Исследование энергетических параметров деформации материала в области формирования отверстия 94
4.4 Выводы по четвертой главе 95
5. Выбор рациональных режимов пластического сверления для изделий ОАО «ГК Электрощит тм-самара» 103
5.1. Технические задачи завода по выбору рациональных режимов пластического сверления 103
5.2. Исследования по выбору рациональных режимов 104
5.3. Выбор альтернативного инструмента и смазки 106
5.4. Выводы по пятой главе 109
Основные результаты и выводы 111
Список использованной литературы
- Исследование качества отверстий, получаемых методом пластического сверления
- Технические характеристики экспериментальной установки
- Исследование влияния температуры заготовки на производительность пластического сверления
- Исследование микроструктуры материала в зоне формирования отверстия
Исследование качества отверстий, получаемых методом пластического сверления
Первые работы в направлении создания технологии пластического сверле ния относят к 1923 году, когда француз Жан-Клод де Валиэр попытался сделать инструмент, позволяющий сверлить металлы за счет высокой температуры тре ния. Однако его идея опередила время, поскольку в то время еще не было матери алов, обеспечивающих инструменту достаточную стойкость. Началом системати ческих исследований в этом направлении можно считать 70-е годы прошлого сто летия, когда стали появляться первые патенты [1,2,70,116,117,118,138], описыва ющие новый инструмент и нетрадиционную технологию формирования отвер стий в материалах за счет предварительного фрикционного разогрева поверхно сти. Этот период связан с работами отечественных и зарубежных ученых: В. Геф фена, А.И. Прагера, Л.Н. Дубровина, В. Стевенсона. В 80-е годы данные работы развиваются в исследованиях А.Дж. Хугенбума, К.А. Стру и др. [98,102,101,112]. Далее в 90-е годы наблюдается резкая интенсификация научных и практических аспектов изучения пластического сверления [72,100,101,105,115,124,125,129,131,135] благодаря работам Б.Г. Андерссона, Б. Даннара, Д.С. Олсона, М. Махони и др. Начало века продолжило бурное развитие новой технологии [73,74,103,107,108,110,126,128,145,146,148]. Примечательно, что в это же время в Алтайском государственном техническом университете им. И.И. Ползунова (г. Барнаул) формируется отечественная научная школа по исследованию и совершенствованию инструмента и технологии пластического сверления, где под руководством проф. Е.Ю. Татаркина [79,80] защищены диссертации В.В Хоменко [86-89] и О.В. Золотова [24-39]. С 2006г. появляются труды еще одной отечественной школы по изучению процесса пластического сверления, созданной в Южно-Уральском государственном университете (г. Челябинск) на кафедре технологии машиностроения [12]. В работах В.И. Гузеева и П.В. Шаламова проведены исследования технологических режимов пластического сверления отверстий под резьбу в заготовках из стали 08кп толщиной 0,8…2 мм [12-16,87,91-95,], проведен анализ прочности получаемых резьбовых соединений на срез и разработана конечно-элементная модель процесса пластического сверления. Среди зарубежных исследований можно выделить работы С. Миллера [132, 139-143].
В настоящее время наблюдается экспансия этой идей по другим направлениям машиностроения [23,104,144], в частности – сборке, когда технология сверления совмещается с образованием разъемных и неразъемных соединений двух тонкостенных деталей, преимущественно изготовленных из листовых материалов или трубок. Несмотря на относительно небольшое количество исследований, выполняемых в мире по совершенствованию технологии и инструмента для пластического сверления (в сравнении с традиционными методами механической обработки), тем не менее, многие аспекты данной технологии довольно хорошо освещены, включая изучение формы отверстий [106,127], металловедческие исследования состояния материала в зоне обработки [79,132], экспериментальные исследования по изучению технологических режимов технологических режимов на станках с ЧПУ [136,137,141], численные исследования с использованием МКЭ [139,140,142], изучение прочностных характеристик получаемых отверстий [120-122], анализ механизмов изнашивания перфораторов [113,114,130,133,134,143], оценка области применимости метода [124] и др.
Несмотря на достигнутые успехи, расширяющаяся сфера использования метода пластического сверления делает востребованными новые практические разработки в плане совершенствования конструкции и удешевления инструмента, поиску наиболее рациональных режимов технологической обработки, а также теоретические исследования по созданию научных основ пластического сверления, что в представляет собой весьма непростую задачу, поскольку требует выяв ления многих, подчас весьма сложных, связей между различными технологическими факторами (свойствами и формой инструмента, температурой и напряжениями в зоне обработки, свойствами обрабатываемого материала, наличием смазки и ее структурой и составом и др.). В этом плане состояние исследований пока находится лишь на начальном этапе.
В настоящее время технология пластического сверления находит широкое применение в различных областях промышленности (рис. 1.1), включая: автомобилестроение (сиденья, рулевые колонки, топливные рампы, подвески, выхлопные трубы); теплоснабжение (трубы, паяные соединения); фурнитура для мебели (столы, кресла, кровати, офисная мебель); медицинская техника (инвалидные коляски, носилки), тонкостенные конструкции с узлами крепления (корпуса, поддоны, крышки, теплообменники, коллекторы, элементы трубопроводов, компрессоры, воздушные баллоны, лестницы, парапеты, двери); спортивный инвентарь (тренажеры, велосипеды), а также многие другие сферы использования [65-69]. При помощи пластического сверления можно обрабатывать практически все тонкостенные детали из различных конструкционных металлов (кроме олова и цинка), в основном: стали, подвергаемые сварке; нержавеющая сталь; алюминий; медь; латунь; бронза; магнитные материалы; специальные сплавы. Несмотря на то, что наибольшее применение пластическое сверление находит в зарубежной промышленности, в данной технологии заложен огромный потенциал для развития отечественного машиностроения. В Самарской области данный метод формирования отверстий успешно используется для изготовления корпусных элементов электрических аппаратов и деталей гидроаппаратуры, что делает актуальными исследования в области совершенствования технологии пластического сверления, а также создания импортозамещающего инструмента.
Технические характеристики экспериментальной установки
Процедура формирования отверстий методом пластического сверления может быть организована различными способами – в ручном и автоматизированном режимах. Каждый из данных методов обладает своими преимуществами и недостатками.
В ручном режиме для использования технологии пластического сверления не требуется специального оборудования [65-67], для нее подходят недорогие станки сверлильно-фрезерной группы с качественным шпиндельным узлом, который имеет необходимые частоту вращения шпинделя до нескольких тысяч оборотов в минуту и достаточную мощность двигателя. В целом процедура обработки подобна той, которая используется при традиционном вырезании сквозных отверстий в листовых материалах сверлами: 1) в шпинделе станка закрепляется специальный цанговый патрон с охладителем из алюминиевого сплава; 2) в патроне зажимается перфоратор и проверяется на биение, которое не должно превышать 50 мкм; 3) деталь располагается на столе так, чтобы обрабатываемый участок располагался под вершиной перфоратора, а под намечаемым отверстием имелась полость для выхода инструмента и образования втулки; 4) запускают станок и оператор, регулируя нажим на перфоратор, формирует отверстие. Преимущество ручной обработки заключается в возможности оперативного управления силой нажима (при начале заклинивания инструмента или искривления заготовки – нажим ослабляется). Однако, вследствие относительно низкой производительности данный метод подходит для единичного и мелкосерийного производства.
В автоматизированном режиме используют более дорогие станки с ЧПУ, которые позволяют производить обработку деталей машин в серийном и крупносерийном производстве. Пример инструкции по пластическому сверлению отверстий под резьбы М6…М10 в стальных тонкостенных (2…4 мм) заготовках из углеродистых сталей в условиях ЗАО «ГК Электрощит ТМ-Самара» приведен в приложении 4. Эти режимы были найдены эмпирическим путем и требуют совершенствования с целью обеспечения максимальной производительности сверления.
Информация, размещенная на официальных сайтах зарубежных производителей перфораторов и информационных буклетах этих фирм указывает, что проблема выбора оборудования и технологических режимов пластического сверления для обработки заготовок различной толщины из различных металлов в первом приближении решена. Часть этой информации для примера приведена в таблицах 1.1, 1.2 и на рисунке 1.8. Однако выявление рациональных режимов обработки на основе имеющихся рекомендаций представляет собой сложную проблему, поскольку каждый объект обработки имеет множество индивидуальных особенностей (размеры и форма детали, температура материала, геометрия перфоратора, расположение отверстий, расположение и геометрия оснастки для фиксации детали на станке, используемая смазка, структура и механические свойства материала и др.). Сложность физических механизмов пластического сверления является причиной того, что до сих пор используется эмпирический подход к выбору технологических режимов.
Как видно из вышеприведенных таблиц производители перфораторов регламентировали требования к используемому оборудованию (частоте вращения шпинделя и мощности двигателя) с учетом диаметра получаемого отверстия. Например, чтобы получить методом термического сверления отверстие диаметром 10 мм в конструкционной стали, частота вращения наконечника должна составлять 2000 об/мин, мощность на шпинделе – 2,0 кВт. Рекомендованные таб личные величины могут варьироваться в пределах ±15%. Стандартный ряд диаметров отверстий имеет дискретность 0,1 мм, допуск на полученные отверстия +0,02.
На рис. 1.8 показаны рекомендуемые осевые нагрузки на перфоратор, но реализация данных усилий при реализации технологии пластического сверления в массовом производстве на станках с ЧПУ, на которых отсутствует непосредственный контроль усилий, действующих на инструмент, представляет собой проблему. Возникает необходимость управления силовыми параметрами пластического сверления опосредовано, например, за счет управления скоростью осевого перемещения инструмента с учетом всех существенных факторов, способных повлиять на показатели технологичности и качества обработки. Это требует специальных исследований. Методика проведения таких исследований в настоящее время отсутствует, и фактически на предприятиях пользуются эмпирически подобранными режимами для обработки применяемых материалов. При этом с одной стороны происходит разрушение большого количества инструмента, а с другой – нет уверенности, что найденные режимы являются рациональными.
Проблема заключается также в отсутствии научно обоснованных критериев выбора рациональных режимов пластического сверления. Для увеличения ресурса перфораторов фирма «Formdrill» [68] рекомендует выбирать по возможности большее число оборотов и максимальную подачу инструмента. Это приводит к уменьшению времени формирования отверстия. В то же время избыточное форсирование режимов (увеличение осевой подачи и частоты вращения) чревато повреждением (деформацией и разрушением) тонкостенной заготовки, заклиниванием и поломкой инструмента, формированию отверстия с рваными краями (по причине недостаточной температуры) ухудшением качества отверстий (рис. 1.9).
Для предотвращения заклинивания рекомендуется выбирать станки с повышенной мощностью, однако практика показывает, что такая мера помогает только до определенной степени. В условиях схватывания ухудшается качество поверхности отверстия, происходит перенос металла на инструмент. Поэтому приоритетным является не разрывать механически мостики сварки, а создавать условия для минимизации явления схватывания.
Исследование влияния температуры заготовки на производительность пластического сверления
Пластическое сверление может быть реализовано в двух основных вариантах: мягком (при заданной постоянной осевой нагрузке на перфоратор) и жестком (при заданной осевой подаче).
Мягкий режим реализуется на станках с ручной подачей, при этом гарантируется плавность течения материала и отсутствие повреждения (деформации или разрушения) детали из-за перегрузок. График изменения скорости осевого перемещения перфоратора во времени при мягком режиме сверления является нелинейным. Эта нелинейность обусловлена естественными механизмами течения металла под перфоратором. Недостатком мягкого режима является возможность возникновения ситуации, когда приложенной нагрузки может не хватить для интенсивного нагрева и размягчения материала. Либо, напротив, может произойти остановка шпинделя при заклинивании перфоратора в отверстии. Разновидностью мягкого режима является сверление в ручном режиме, когда оператор имеет возможность регулировать осевую нагрузку в зависимости от текущих параметров технологии сверления. Однако, такой режим неприемлем в серийном производстве.
Жесткий режим удобен для реализации на станках с ЧПУ (обрабатывающих центрах), на которых можно программно задавать необходимую величину осевой подачи перфоратора при сверлении. Недостатком жесткого режима пластического сверления является то, что внедрение перфоратора в обрабатываемую деталь без учета естественных кинетических процессов, происходящих в зоне контакта «металл-инструмент» чревато неконтролируемым повышением осевой нагрузки, спо-35 собной привести к повреждению детали или инструмента. Эмпирический подбор режимов «жесткого» сверления не гарантирует, что выбранные режимы будут оптимальны с точки зрения производительности данной технологии. Несмотря на указанные недостатки «жесткого» режима обработки требования технологичности операции все же приводят к необходимости разработки методики выбора рациональных режимов пластического сверления на станках ЧПУ. Для этого были разработаны следующие основные критерии (1), позволяющие обосновать рациональность найденных технологических режимов обработки:
1) На всем протяжении пластического сверления осевая нагрузка Fn должна быть максимальной, но не превышающей предварительно определенной критической для данной детали величины Fn , характеризующей ее механическую прочность. Это позволит обеспечить максимальную производительность сверления при отсутствии повреждения заготовки. Оценка Fn должна быть проведена с учетом геометрии и свойств обрабатываемых деталей аналитическим или численным методом, включая МКЭ.
2) Длительность операции сверления tc не должна превышать некоторого максимального значения tc , обусловленного требуемой производительностью технологии пластического сверления.
3) Температура локального разогрева Т обрабатываемого материала в области пластического сверления не должна превышать критической температуры T , выше которой в обрабатываемом материале могут начаться нежелательные фазовые превращения. Также можно выделить область низких температур, не превышающих порогового значения Тmin , при которой необходимой степени термического размягчения материала не происходит и обработка материала методом пластического сверления становится невозможной. Это может быть следствием либо недостаточной мощности трения, либо интенсивным отводом тепла из зоны обработки (поэтому материалы с высокой удельной теплопроводностью обрабатывать методом пластического сверления труднее). С учетом вышесказанного в математическом виде можно записать следующую систему условий обработки:
Из рисунка 2.1 видно, что рациональная величина осевой нагрузки в заданных условиях соответствует минимальной длительности обработки детали.
Если одновременное выполнение всех условий (2.1) невозможно (например, если осевые нагрузки, обеспечивающие Тmin превышают Fn ), в этом случае следует говорить о нерациональности применения метода пластического сверления в данной технологической операции. Таким образом, система условий (1) позволяет не только выбирать рациональные режимы обработки, но и определяет границы применимости данного метода.
Оценку осевой нагрузки необходимо выполнять с учетом того, чтобы максимальные напряжения в зоне обработки (рис. 2.2) не вызывали разрушения заготовки, а прогиб заготовки вблизи краев формируемого отверстия не превышал заданного допуска. Для заготовок со сложным профилем это можно сделать эмпирическим путем, либо путем анализа конечно-элементной модели пластического сверления. Для тонкостенных заготовок, изготовленных из листов, можно воспользоваться известными прочностными расчетами.
Согласно методике оценки максимальных напряжений сгmax при нагружении пластины по схеме, показанной на рисунке 2.2 (при действии сосредоточенной в центре силы), изложенной в справочнике И.А. Биргера [6] имеют место равенства =к. и =К« г, (2.2) где к аи Кш- безразмерные коэффициенты максимальных напряжений и прогибов пластины соответственно. При условии в = — « од, что близко соответствует размерам отверстия в технологической оснастке (опоры) по таблице находим значения ка= 1,595, К ю =0,536. Напряжения сгтах при пластическом сверлении должны быть не меньше предела текучести ат, но не выше предела прочности тв материала заготовки (для предотвращения механического разрыва краев отверстия). Таким образом, из (2.2) практически значимый диапазон осевых нагрузок должен лежать в пределах
Исследование микроструктуры материала в зоне формирования отверстия
Инструменты (перфораторы) для пластического сверления как правило спекаются из твердых сплавов [4,50,52,68,81], что повышает их стоимость. Это объясняется тем, что обычная технология получения твердосплавных изделий основана на длительном и энергоемкой технологии спекания порошков, которая включает следующую последовательность операций: смешивание порошков с пластификатором в специальных аттриторах, высушивание порошка в потоке инертного газа, прессование изделия, отгонку пластификатора (парафина), предварительное спекание в вакууме и, в заключение, окончательное спекание при избыточном давлении защитного газа для устранения пор в спекаемом изделии. Практика показывает, что получаемые по такой технологии перфораторы уязвимы для ударов и вибраций, недолговечны при наличии биений более 50 мкм. Технической задачей, решаемой в данном разделе диссертации, является разработка новой технологии изготовления инструмента, предназначенного для получения отверстий методом пластического сверления в тонкостенных деталях из материалов, снижающего теплоотвод из зоны обработки в шпиндель станка.
Исходя из условий эксплуатации перфораторов для пластического сверления и учитывая, что нагрев инструмента при сверлении достигает около половины от температуры плавления обрабатываемого материала, при совершенствовании технологии необходимо обеспечить следующий комплекс требований. 1. Инструмент должен сохранять прочностные свойства (красностойкость) при нагреве до 600…650С при обработке цветных сплавов и до 850…900С при пластическом сверлении стальных заготовок. При этом материал должен обладать достаточным запасом пластичности, чтобы не разрушаться от ударов и вибраций. 2. Технология изготовления перфоратора должна быть максимально простой и экономичной. 3. Инструмент должен быть энергоэффективным. Для этого материал перфоратора должен иметь низкую теплопроводность, чтобы производимое при трении тепло в большей степени расходовалось на образование отверстия, а не отводилось в шпиндель станка. 4. Поверхность инструмента должна обладать малой адгезией к обрабатываемому материалу и обладать высокой стойкостью к изнашиванию и коррозии.
Вышеописанные требования трудно обеспечить, при использовании одного материала. В таком случае наиболее рациональным решением будет использовать три материала - одного основного и двух функциональных покрытий. При этом материал основы должен удовлетворять первым двум требованиям, а покрытия -третьему и четвертому. Следовательно, важно обеспечить еще одно важное требование - метод нанесения покрытий и наносимые материалы должны обеспечивать хорошую адгезию между износостойким и теплоизолирующим покрытиями.
Исходя из анализа свойств конструкционных материалов, применяемых для изготовления металлообрабатывающего инструмента, в качестве материала основы целесообразно использовать быстрорежущие стали марок Р18, Р9, Р6М5 и др. Эти стали за счет высокого содержания вольфрама отличаются высокой красностойкостью. После закалки от 1280С в масле и трехкратного отпуска приобретают высокую твердость. Известно, что стали данных марок имеют относительно низкую теплопроводность и достаточно высокий по сравнению с твердыми сплавами запас пластичности.
Сложность использования покрытий для перфораторов заключается в том, чтобы обеспечить достаточно высокую адгезию к основному металлу, сохраняющуюся при нагревании инструмента до высоких температур. ГОСТом 9.302-88 предусмотрены испытания покрытий на адгезию при высоких температурах, но эти температуры ограничиваются диапазоном 150…250С, что существенно ниже, эксплуатационных температур перфораторов. В настоящее время существует множество перспективных износостойких функциональных покрытий, наносимых различными методами (электрохимические хром-алмазные покрытия, детонационные твердосплавные и керамические покрытия, твердые наплавки, ионно-плазменные карбидные и нитридные покрытия и др.). Эксперименты по изучению эксплуатационных свойств различных покрытий, наносимых на стальную основу, имеющую форму перфоратора, показали, что в условиях пластического сверления наиболее высокие технико-экономические характеристики имеют перфораторы с детонационными покрытиями [3,5,9,58,59,82,83]. Данный метод обладает множеством преимуществ. 1. Высокая производительность детонационных установок позволяет вести обработку изделий в промышленных масштабах с относительно низкой себестоимостью. 2. Имеется возможность нанесения многослойных, композиционных, градиентных и др. покрытий с хорошей адгезией между слоями. 3. Высокая адгезия покрытий к различным основам позволяет покрытиям функционировать при давлениях резания. 4. Энергосбережение при эксплуатации детонационных комплексов обеспе чивается использованием для напыления энергии взрыва газовых смесей. 5. Механические свойства твердосплавных детонационных покрытий практически не уступают по прочности спеченным твердым сплавам. 6. При детонационном напылении основа не подвергается значительному разогреву и деформации, как при наплавке. 7. Для нанесения детонационных покрытий требуется меньше производственных площадей и технологического оборудования, чем для спекания. 8. При нанесении покрытий дорогостоящие материалы (твердые сплавы) рас ходуются более экономно. Детонационное напыление (ДН) относится к газотермическим методам нанесения функциональных покрытий за счет напыления на обрабатываемую поверхность порошковых материалов путем осуществления серии последовательных выстрелов. Перед каждым выстрелом в ствол детонационной пушки поступает взрывчатая газовая смесь и насыпается дозированное количество порошка, после чего с помощью электрической искры инициируется взрыв газовой смеси. При этом выделяется большое количество тепловой энергии, нагревающей частицы порошка и образуется ударная волна, которая разгоняет частицы порошка по направлению к обрабатываемой детали до сверхзвуковых скоростей и вбивает расплавленные частицы в поверхность, формируя однородную и беспристую структуру покрытия, материал которого по свойствам приближается к монолитным изделиям. В момент достижения преграды (обрабатываемой поверхности) скорость частиц достигает (в зависимости от состава и соотношения компонентов детонирующей газовой смеси) до 1300 м/с и более, а температура частиц достигает до 1500…2500С, что обеспечивает возможность напыления как металлических, так и тугоплавких керамических покрытий. Высокая частота следования выстрелов от 4 Гц до 25 Гц обеспечивает высокую производительность детонационного напыления.
Данная технология реализуется на специальных пушках, т.н. автоматизированных детонационных установках (АДК) (рис. 3.13). В настоящее время имеется ряд отечественных поставщиков подобных установок, включая ЗАО «Амулет» (АДК "Керам 3000"), ЗАО «ПИИ СИТ «Нефтегазстройизоляция» (установка УДН-2М), Научно-инженерный центр "АДМ" (АДМ-4Д), ОАО НИИТавтопром (установки «Корунд-2», «Корунд-3»), Институт гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН (АДК «Обь», «Дракон»).
