Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Состояние проблемы технологического обеспечения шероховатости поверхности и точности формы в процессе изготовления детали «шток» гидроцилиндра 13
1.1 Анализ основных причин и видов повреждений гидроцилиндров горного оборудования 13
1.2 Факторы, влияющие в технологическом процессе изготовления детали «шток» гидроцилиндра на точность формы и параметры шероховатости поверхности 17
1.3 Обзор методов технологического обеспечения шероховатости и точности формы детали «шток» гидроцилиндра 28
1.4 Обзор литературных источников, постановка цели и задач исследования 40
ГЛАВА 2 Способ технологического обеспечения качества поверхности деталей типа «тел вращения» на основе предварительного локального лазерного воздействия 44
2.1 Метод предварительного локального лазерного воздействия на поверхностный слой заготовки 46
2.2 Формирование метастабильной структуры в поверхностном слое сталей при взаимодействии с лазерным излучением 48
2.3 Моделирование тепловых процессов в поверхностном слое сталей при локальном лазерном воздействии 50
2.4 Решение дифференциального уравнения теплопроводности при локальном лазерном воздействии на поверхность сталей 54
2.5 Исследование влияния режимов лазерного воздействия на геометрические размеры метастабильной структуры 58
2.6 Выводы по второй главе 73
ГЛАВА 3 Динамическая модель технологической системы механической обработки детали «шток» с учетом предварительного локального лазерного воздействия 75
3.1 Упрощение нелинейной математической модели технологической системы механической обработки деталей типа «тел вращения» 75
3.2 Моделирование динамических процессов технологической системы механической обработки деталей типа «тел вращения» на основе переходного процесса 88
3.3 Имитационное моделирование влияния локальной метастабильной зоны на динамическую стабильность в технологической системе механической обработки детали типа «тел вращения» 104
3.4 Выводы по третей главе 108
ГЛАВА 4 Экспериментальные исследования влияния метастабильной структуры на технологическое обеспечение в процессе механической обработки шероховатости и точности формы детали «шток» гидроцилиндра 109
4.1 Экспериментальные исследования влияния локальной метастабильной структуры в обрабатываемом материале на процесс динамической устойчивости механической обработки 109
4.2 Экспериментальные исследования влияния предварительного локального лазерного воздействия на стойкость инструмента 114
4.3 Экспериментальные исследования параметров шероховатости поверхности при использовании метода предварительного локального лазерного воздействия 116
4.4 Экспериментальные исследования точности формы детали «шток» гидроцилиндра с использованием метода предварительного локального лазерного воздействия 126
4.5 Экспериментальные исследования влияния локального лазерного воздействия на сегментацию сливной стружки при механической обработке в технологическом процессе изготовления детали «шток» гидроцилиндра 131
4.6 Рекомендации по технологическому обеспечению шероховатости поверхности и точности формы при механической обработке детали «шток» гидроцилиндра с применением локального лазерного воздействия 135
4.7 Выводы по четвертой главе 140
Заключение 142
Список литературы 145
- Факторы, влияющие в технологическом процессе изготовления детали «шток» гидроцилиндра на точность формы и параметры шероховатости поверхности
- Формирование метастабильной структуры в поверхностном слое сталей при взаимодействии с лазерным излучением
- Моделирование динамических процессов технологической системы механической обработки деталей типа «тел вращения» на основе переходного процесса
- Экспериментальные исследования влияния предварительного локального лазерного воздействия на стойкость инструмента
Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Особенность эксплуатации горно-шахтного оборудования на этапе проводимых подземных горных выработок обуславливается сложными условиями агрессивной окружающей среды, химической активностью шахтных вод, переменными динамическими нагрузками, взрывоопасностью атмосферы. В результате к машинам и элементам горного производства предъявляется целый комплекс специальных требований: возможность надежного и легкого монтажа - демонтажа узлов и механизмов; соблюдение жестких требований по безопасности; детали горных машин должны обладать достаточным запасом прочности.
Одним из видов механизированных комплексов, отвечающим всем выше перечисленным требованиям, является шахтная крепь, в которой ответственным элементом считаются гидроцилиндры. Основной их функцией служит поддерживание пород кровли в пространстве очистного забоя, исполнение передвижения секций крепи, подъем основания.
Как показывает практика, в процессе эксплуатации гидравлического оборудования возникают непредвиденные отказы и поломки, нарушающие функциональные назначения гидроцилиндров. Проведенный анализ этих причин позволил установить, что основным фактором является разрушение уплотнительной системы детали шток.
В свою очередь, на разрушение уплотнительной системы влияют предварительно сформированные качественные показатели поверхности детали штока при шлифовальной операции, на этапе которой возникает эффект шаржирования, образуются концентраторы напряжения, снижающие износостойкость, а также усталостную прочность изготавливаемой детали.
Следовательно, поверхность штока, имеющая вкрапленные абразивные частицы, в совокупности с ударно-вибрационными нагрузками приводит к интенсивному износу уплотнений, нарушая герметизацию гидроцилиндра. По этой причине на трущиеся контактные поверхности попадают микрочастицы породы и пыли, образуя коррозионные и механические повреждения.
Устранить вышеописанные недостатки возможно за счет изменения технологической последовательности изготовления детали
шток посредством замены шлифовальной обработки. При этом качественные показатели стоит формировать на этапе механической обработки за счет динамической стабилизации технологической системы.
Наиболее перспективным методом, позволяющим осуществить технологическое обеспечение параметров шероховатости и точности формы изготовления за счет подавления интенсивности вибраций является применение локального лазерного воздействия на обрабатываемую поверхность с последующей механической обработкой. Использование данного метода также позволит повысить стойкость режущего инструмента, увеличить производительность, исключить шлифовальную операцию и решить задачу по сегментации стружки на станках с ЧПУ.
Объектом исследования является обеспечение геометрических параметров точности формы и шероховатости поверхности в технологическом процессе изготовления детали «шток» гидроцилиндра.
Предметом исследования является шероховатость поверхностного слоя и точность формы детали «шток» гидроцилиндра.
Цель работы заключается в технологическом обеспечении заданных показателей шероховатости поверхности и точности формы детали «шток» гидроцилиндра горного оборудования на основе подавления возникающих вибраций в технологической системе механической обработки посредством предварительного локального лазерного воздействия на поверхностный слой обрабатываемого изделия.
Методы исследования работы базировались на основных теоретических положениях технологии машиностроения, теории резания однолезвийным инструментом, теории колебаний. Экспериментальные исследования осуществлялись с применением современных средств компьютерного моделирования LabVIEW 2013, COMSOL Multiphysics 5.2а и высокоточных приборов VibxpertEx., SURFTEST SJ-210, MMQ 400 CNC.
Достоверность полученных результатов и выводов в диссертационной работе обеспечиваются: точными физико–математическими постановками задач и методов их решения; применением в исследовательской части работы современных методов технологии ма-
шиностроения, теории резания материалов, динамики технологической системы и современных вычислительных приборов; высокими показателями сходимости теоретических и экспериментальных значений; положительным опытом внедрения разработанных методик и рекомендаций на предприятиях отечественного машиностроения.
Научная новизна заключается в решении актуальной задачи, направленной на выявление связей между заданными показателями качества поверхности изделия и динамическими свойствами технологической системы, позволяющих разработать новый технологический процесс изготовления детали «шток» гидроцилиндра за счет использования предварительного локального лазерного воздействия на поверхность изделия с последующей механической обработкой.
Составляющими научной новизны являются:
– выявление закономерностей, влияющих на возникновение и интенсивность автоколебаний при механической обработке в процессе изготовления детали «шток» гидроцилиндра;
– выявление подсистем, оказывающих доминирующее влияние на процесс возбуждения автоколебаний при изготовлении в технологическом процессе детали «шток» гидроцилиндра;
– разработка математической модели технологической системы с учетом механических свойств метастабильной структуры и процесса стружкообразования для оценки динамической устойчивости механической обработки при изготовлении деталей типа «тел вращения»;
– установление закономерностей влияния предварительно созданной метастабильной структуры в поверхностном слое изделия на технологическое обеспечение параметров шероховатости поверхности и точности формы детали «шток» гидроцилиндра.
Практическая ценность работы:
разработанный метод изготовления детали «шток» гидроцилиндра на основе предварительного локального лазерного воздействия по специальной траектории с обеспечением заданных геометрических показателей точности формы, размеров и шероховатости поверхности;
предложенный технологический процесс изготовления ответственных поверхностей детали «шток» гидроцилиндра на основе метода предварительного локального лазерного воздействия на этапах
механической обработки с обеспечением дробления стружки и требуемых параметров шероховатости и точности формы поверхностного слоя (патент № 2578875 «Способ механической обработки с дроблением стружки»);
- рекомендации для выбора параметров предварительно создаваемой в поверхностном слое метастабильной структуры, положительно влияющей на снижение интенсивности автоколебаний при механической обработке, с последующим обеспечением шероховатости и точности поверхности детали «шток» гидроцилиндра в технологическом процессе.
На защиту выносятся следующие научные положения:
1. Способ технологического обеспечения параметров шерохова
тости и точности формы при изготовлении деталей типа «тел враще
ния» за счет предварительного воздействия на поверхность изделия
локальным лазерным излучением с последующей механической об
работкой.
2. Математическая модель, учитывающая влияние параметров
метастабильной зоны, формируемой на этапе предварительного ла
зерного воздействия с последующим снятием этого припуска для
обеспечения устойчивого процесса механической обработки и сег
ментирования витков стружки в диапазоне 150…200 мм при техноло
гическом обеспечении параметров шероховатости и точности формы
деталей типа «тел вращения».
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научно-практических конференциях: Всероссийская конференция – конкурс студентов выпускного курса (г. Санкт-Петербург, 2013 г.); Международный форум – конкурс молодых ученых «Проблемы недропользования» (г. Санкт-Петербург, 2013 г.); 1-ая Региональная межвузовская научно - практическая конференция «Инновационные системы планирования и управления на транспорте и в машиностроении» (г. Санкт-Петербург, 2013 г.); 2-ая Международная научно - практическая конференция «Инновационные системы планирования и управления на транспорте и в машиностроении» (г. Санкт-Петербург, 2014 г.); Международный молодежный научно – промышленный форум «ПРОРЫВ» (г. Екатеринбург, 2015 г.);
Международный форму – конкурс молодых ученых «Проблемы недропользования» (г. Санкт-Петербург, 2016 г.); 4-ая Международная научно - практическая конференция «Инновации на транспорте и в машиностроении» (г. Санкт-Петербург, 2016 г.); Дом ученых им. М. Горького РАН секция «Технология машиностроения и приборостроения» (г. Санкт-Петербург, 2016 г.).
В полном объеме диссертация заслушана и одобрена на заседании кафедры «Машиностроения» ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский горный университет» в 2017 г.
Основные положения работы и результаты исследований отражены в НИР в рамках выполнения проектной части государственного задания № 9-2642-2014/К от 11 июля 2014 г. Проект: «Разработка и исследование микроструктуры режущей керамики, ее влияние на управление работоспособностью инструмента и параметры качества обработки на станках с ЧПУ».
Методика использования предварительного локального лазерного воздействия на этапе механической обработки опробована в производственном процессе предприятия ООО «Научно-производственный центр «ЛКТ».
Отдельные научные положения работы приняты к внедрению в учебный процесс подготовки бакалавров по направлению 15.03.01 – Машиностроение, профилю «Технология, оборудование и автоматизация машиностроительных производств» ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский горный университет».
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ, 4 из них входят в перечень журналов, рекомендованных ВАК Минобрнауки России. Получен патент на способ № 2578875 от 27.11.2014 г.
Структура и содержание. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Диссертационная работа изложена на 166 страницах машинописного текста, в том числе содержит 28 таблиц, 94 рисунка, 103 наименований литературы.
Работа соответствует паспорту специальности - 05.02.08 «Технология машиностроения». Согласно формуле специальности, в
ней «совершенствуются существующие и разрабатываются новые методы обработки и сборки с целью повышения качества изделий машиностроения и снижения себестоимости их выпуска» в соответствии с пунктом (4), а также «соблюдается технологическое обеспечение и повышение качества поверхностного слоя, точности и долговечности деталей машин» в соответствии с пунктом (7).
Факторы, влияющие в технологическом процессе изготовления детали «шток» гидроцилиндра на точность формы и параметры шероховатости поверхности
На данный момент не существует общего мнения в особенностях возникновения возбуждения автоколебаний в технологической системе механической обработки. Однако существует большое количество различных гипотез возникновения самовозбуждающихся колебаний, обуславливающих сложность данного процесса.
Исследованию и изучению вопроса возникновения автоколебательного процесса при механической обработке посвящены ряды работ известных отечественных: И.С. Амосова; В.Л. Вейца; Д.В. Василькова; Н.А. Дроздова; И.Г. Жаркова [37]; В.Л. Заковоротного; В.В. Зарса; В.А. Кудинова; Л.К. Кучмы; Л.С. Мурашкина; С.Л. Мурашкина; В.Н. Подураева [56]; Н.И. Ташлицкого; М.Е.Эльясберга, а также иностранных ученых: В. Ву; И. Тлустого; С. Тобиаса и др.
Впервые вопросы об автоколебательном движении системы при обработке затронуты Н.А. Дроздовым [35]. Его исследования показали, что вибрации не объясняются совпадением частот скалывания стружки с частотой собственных колебаний заготовки. За основу при анализе автоколебаний в своих работах А.И. Каширин [42] положил зависимость силы трения от параметра скорости резания. Им рассмотрена переменность сил трения о резец вследствие изменения скорости колебаний инструмента относительно заготовки и переменности силы резания, образующихся при изменении углов резца в процессе вибрации. Такой же точки зрения придерживаются ученые В.В. Зарс [40], Л.С. Мурашкина [52, 33], С.Л. Мурашкина[54]. В этом направлении Л.С. Мурашкина, С.Л. Мурашкина предполагают, что неустойчивый процесс возникает в результате падающей характеристики силы резания от скорости. А.П. Соколовский в научной работе рассмотрел станок как колебательную систему с одной степенью свободы, в которой нелинейная зависимость силы резания от скорости колебательного движения приводит к самовозбуждающимся колебаниям. Физически образование вибраций объясняется неравномерностью сил резания относительно врезания инструмента в недеформированный слой и последующего отталкивания при снятии наклепанного металла.
В основу своих исследований [41] по автоколебаниям И.И. Ильницкий указывает переменную силу, действующую на задней границе инструмента и возникающую в результате периодического изменения заднего угла в процессе вибраций. Значения силы трения, действующие на задней границе, в полупериоде прогиба инструмента совершающего движение вниз – увеличиваются, вверх – уменьшаются, тем самым поддерживаются не затухающие колебания.
По работам И.С. Амосова [3] совместно с В.А. Скраганом [38] установлена связь взаимного относительного перемещения заготовки и вершины резца. Такой метод взят за основу И. Тлустым [75] и В.А. Кудиновым, позволивший им сформулировать новый подход к вопросу о причине автовозбужения колебаний при обработке.
В.А. Кудинов [45] впервые ввел понятие динамической характеристики резания, как элемента станка, представляющегося зависимостью приращения силы резания от процесса, вызвавшего изменения, относительно смещения заготовки и инструмента. Внесено понятие постоянной времени стружкообразования с указанием ее зависимости от скорости обработки. Возникновение силы при резании отстает по фазе от изменения толщины снимаемого слоя и совершает работу, поддерживая в технологической системе автоколебательный процесс. Схожую гипотезу в своих работах выбрали М.Е. Эльясберг, Л.К. Кучма, Н.И. Ташлицкий [72].
Исследования В.В. Зарса позволили подразделить возникновение автоколебаний на первичное и вторичное. К первичной относятся: взаимодействия системы станка с процессами, определяющие зависимость силы резания и силы трения от скорости; координатная связь; смещение силы по отношению к толщине среза вследствие врезания и отталкивания, а так же запаздывание пластической деформации. Ко второй причине относится возникновение при недостаточной жесткости и демпфировании системы волнистой поверхности, что при столкновении с задней границей резца приведет к импульсному возмущению. Эта теория взята как основная в работе В.Ву, а М.Е. Эльясберг [84, 85, 86] указал на сдвиг фазы колебаний инструмента относительно формы следа, являющейся недетерминированной величиной.
На основании вышеизложенных гипотез можно выделить основные факторы возникновения автоколебаний в процесс механической обработки: врезание инструмента и отталкивание от упрочненного слоя в обрабатываемом материале; наличие координатной связи в упругой системе; запаздывание сил резания по отношению к изменяющейся глубине срезаемого слоя.
С физической точки зрения наиболее обоснованной гипотезой является запаздывание силы резания, связанной с процессом стружкообразования [13, 17, 18]. При исследовании технологической системы силы резания представляются квазистатическими, что не отражает в полной мере свойства динамической системы. Это приводит к тому, что не учитывается нестационарный характер процесса пластического деформирования, определяемый свойствами материала, и оказывающий существенное влияние на специфический процесс стружкообразования [13, 49]. На рисунке 1.15 представлена классификация способов и методов динамической стабилизации процесса механической обработки через подсистему «инструмент-заготовка» и станок.
Формирование метастабильной структуры в поверхностном слое сталей при взаимодействии с лазерным излучением
Главным динамическим критерием устойчивости технологической системы механической обработки являются условия эксплуатационной пригодности. Анализ вибраций, возникающих в подсистеме «инструмент заготовка», заключается в определении влияния на динамику технологической системы, а также влияния свойств системы на стабильность работы исследуемой подсистемы. Оценить влияние подсистемы на динамическое состояние технологической системы механической обработки позволит построение границ устойчивой области. Для этого необходимо решить ряд задач [17, 18, 19, 20]: - построить математическую модель замкнутой автоколебательной технологической системы механической обработки с учетом особенностей инерционных и упруго-диссипативных свойств; - произвести переход от сложной многомерной к упрощенной динамической модели, учитывающей периодически в локальной области обрабатываемого материала измененные механические свойства и особенности процесса стружкообразования.
В целях проведения качественного динамического анализа на устойчивость технологической системы механической обработки деталей типа «тел вращения» необходимо произвести переход от многомерной модели к более упрощенной. Для описания полного процесса происходящего в технологической системе необходимо выбрать схему модели, связанной с выделением подсистем и выявлением структурных связей, определением числа степеней свободы, а также вида координат. Так, технологическая система представляется в виде сложной подсистемы с элементами, объединенными в блоки.
Поэтому следует выделить основные особенности технологической системы: - технологическая система считается автономной и замкнутой; - при соотношении пространств определяется взаимодействие между элементами системы, что позволяет привести характеристику данного процесса к зависимости сил взаимодействия от смещения элементов; - координаты, описывающие смещения, являются выходными координатами рассматриваемого элемента технологической системы и входными координатами соответствующего рабочего процесса. Это приводит к тому, что силы, вызывающие смещение, вносят или рассеивают энергию. Следовательно, изменяются условия силового взаимодействия, происходит перекачка энергии в замкнутом цикле, в результате изменяется динамическое состояние, становящееся неуправляемыми; - возникающие автоколебания в технологической системе являются нелинейными; - среди смещенных в технологической системе можно выделить группу элементов, являющуюся главной в процессе механической обработки заготовки. К основным смещениям относят координату, определяющую перемещение инструмента по нормали к заготовке. Тогда адекватный переход к модели пониженной размерности производится исходя из ограниченности частотного диапазона возмущений и слабо рассеивающих свойств технологической системы. Упрощение модели, осуществляемой по методике В.Л. Вейца [17, 18, 19, 20], обосновывается близостью спектральных характеристик с исходной моделью.
Исходная и упрощенная модель считаются равносильными, если выполняется условие: p(W,Wm) Em, (3.1) (, ) = (, ), (3.2) где , - матрица частотных характеристик модели исходной и упрощенной, (, ) - метрика, задающая расстояние между и , - заданная величина ошибок. Условия обобщенной (3.1) и упрощенной (3.2) модели обеспечиваются близостью амплитудно-частотных и фазовых характеристик. В данной работе объектом исследования выбран токарно-винторезный станок модели - 2040 , общий вид которого представлен на рисунке 3.1. Конструкция станка состоит из следующих основных элементов: 1 - шпиндельный узел; 2 - суппорт; 3 - задняя бабка; 4 - режущий инструмент; 5 – заготовка.
Пространственные координаты осей для станка ориентируются по следующему принципу: параллельно продольной оси подачи выбирается координата ; параллельно поперечной оси подачи выбирается координата ; - перпендикулярна осям и .
Моделирование динамических процессов технологической системы механической обработки деталей типа «тел вращения» на основе переходного процесса
Как известно, на повышение интенсивности износа инструмента во многом оказывает влияние динамически неустойчивое состояние технологической системы, приводя к постепенному изменению расстояния между заготовкой и режущей кромкой, что нередко при механической обработке приводит к возникновению отклонений в геометрических показателях точности формы и параметров шероховатости поверхности детали «шток» гидроцилиндра в процессе технологического изготовления.
Экспериментальные исследования, направленные на определения влияния метастабильной структуры в поверхностном слое изделия при механической обработке на стойкость инструмента, проводились для режущих материалов из твердого сплава ТІ 5Кб и металлокерамики марки ВОК —63. На этапе токарной операции стали 40Х с измененными в локальной зоне механическими свойствами при постоянных показателях скорости, подачи, а также различных соотношений глубины воздействия и снимаемого припуска, позволило выявить следующую тенденцию, представленную на рисунке 4.8 для получистовой и на рисунке 4.9 для чистовой обработки.
Из графиков на рисунке 4.8 видно, что при точении детали шток из стали 40Х с режимами обработки V = 100 м/мин, S = 0.15 мм/об, t = 0,25 мм при глубине метастабильной структуры 4 - tm = 0.27 мм, 3 - tm = 0 мм (точение без лазерного воздействия), 2 - tm = 0,25 мм, 1 - tm = 0.23 мм, происходит снижение изнашивания режущей части инструмента за исключением случая под цифрой 4, когда глубина метастабильной зоны больше величины снимаемого припуска.
При обработке детали шток на этапе чистового точения (см. Рисунок 4.9) с режимами механической обработки V = 130 м/мин, S = 0.1 мм/об, t = 0.15 мм и глубиной метастабильности 4 - tm = 0.2 мм, 3 - tm = 0 мм (точение без лазерного воздействия), 2 - tm = 0.15 мм, 1 - tm снижаются значения износа инструмента.
По итогам выполненного исследования можно сделать вывод, что предложенный метод предварительного нанесения локального лазерного воздействия на обрабатываемую поверхность с последующим этапом обработки, где метастабильный слой имеет отличные от основного металла механические свойства, позволяет снизить интенсивность износа режущей части инструмента.
Как уже отмечалось ранее, превышение значений глубины метастабильной структуры по сравнению со срезаемым припуском в процессе механической обработке не позволяет добиться необходимого эффекта по повышению стойкости инструмента.
Для проведения экспериментального исследования, позволяющего оценить влияние созданной под воздействием лазерного излучения в поверхностном слое изделия метастабильной структуры на показатели шероховатости поверхности изготавливаемой детали «шток» гидроцилиндра, производились измерения, как обычного процесса механической обработки, так и обработки с предварительным воздействием.
При помощи представленного на рисунке 4.10 прибора модели «Surftest SJ-210» производства фирмы «Mitutoyo» (Япония) производился ряд экспериментов по выявлению значений шероховатости после механической обработки заготовки с локальным лазерным воздействием и без него. Измерение шероховатости поверхности осуществлялись в нескольких различных точках исследуемой обработанной поверхности заготовки не менее трех раз.
Исследования влияния шероховатости обработанной поверхности производились на деталях с диаметром от 30 мм до 45 мм, произведенных из стали 40Х. Механическая обработка таких деталей, в поверхностном слое которых создана локальная метастабильная зона, проводилась по наружному диаметру, другими слова имитировались этапы получистовой, чистовой и тонкой обработки.
На основании проанализированной технической литературы, связанной с назначением режимных параметров на технологических операциях точения, а также справочной литературы и паспортных значений технического оборудования, позволило для этапов механической обработки заготовки из стали 40Х принять следующие диапазоны значений: V = 80 ... 210 м/мин; S = 0.05 ... 0.45 мм/об; t = 0.1... 0.9 мм. Параметры глубины метастабильной структуры, в свою очередь, варьировались для стали 40Х в диапазоне tm = 0.15 ... 0.47 мм, а ширина воздействия hm = 1.15 ...4.2 мм.
На этапе получистовой механической операции эксперимент производился с изменяющейся скоростью резания, значениями глубины и подачи режущего инструмента. Снятия показаний профилометром осуществлялось для обычного процесса и при точении заготовки с измененной в локальной зоне структурой. Шероховатость поверхности заготовки измерялась в диапазоне режимов точения: V = 80 ... 100 м/мин; S = 0.25 ... 0.45 мм/об; t = 0.5 ... 0.9 мм.
Результаты эксперимента показали, что процесс обработки заготовки с метастабильной структурой на этапе получистовой операции снижает микронеровности по значению шероховатости поверхности Ra для данной стали. Как видно из графиков на рисунке 4.11, 4.12 и 4.13, в случае с обычным процессом точения происходит наоборот ухудшение микронеровностей профиля обрабатываемого изделия по сравнению с процессом механической обработки, основанным на лазерном принципе воздействия. Влияние локальной метастабильности на этапе получистового точения сведены в таблицу в зависимости от изменяющейся скорости (4.1), подачи (4.2) и глубины резания (4.3).
Экспериментальные исследования влияния предварительного локального лазерного воздействия на стойкость инструмента
Обеспечение заданных в технологическом процессе показателей шероховатости поверхности по значению Ra, а также геометрической точности формы и размеров при изготовлении детали «шток» гидроцилиндра необходимо придерживаться следующих рекомендаций, которые выработаны и обоснованы проведенными теоретическими и экспериментальными исследованиями.
Во - первых, на каждом из этапов механической операции необходимо наносить предварительное локальное лазерное воздействие по прямой траектории. Это позволяет при пересечении плоскости резания с локальной зоной, состоящей из метастабильной структуры, подавлять интенсивность возникающих в процессе механической обработки вибраций, что положительно отразиться на шероховатости поверхности и точности формы изготавливаемой детали «шток» гидроцилиндра, подтверждающейся экспериментальными исследованиями.
Для достижения максимального эффекта по подавлению интенсивности возникающего колебательного процесса на этапах механической обработке детали шток рассчитаны межоперационные припуски и установлены диапазоны значений глубин метастабильного слоя, при которых обеспечивается стабильность в процессе точения, решая параллельно проблему по сегментации стружки и положительно влияя на стойкость инструмента.
Расчет припусков между операциями производились аналитическим методом, результаты которого сведены в таблицу 4.13. Как показали проведенные экспериментальные исследования, на получистовой операции диапазон глубины метастабильной области в процентом содержании должен иметь не более 72 ... 97% от глубины резания. В свою очередь при чистовом и тонком точении глубина воздействия не должна превышать 66 ...96% от снимаемого припуска. где Rz - высота неровностей профиля по десяти точкам, Ra - среднеарифметическое отклонение профиля (шероховатость поверхности), рзаг - пространственные отклонения для заготовки.
На основании проведенных расчетов и полученных экспериментальных исследований построена схема расположения допусков и припусков с назначенными глубинами метастабильной структуры (Рисунок 4.31).
Стоит отметить, что подвергая предварительно обрабатываемую поверхность заготовки предварительному локальному лазерному излучению, а затем производить снятие припуска на глубину воздействия, должно строго соблюдаться условие tm t. В противном случае, когда локальные изменения механических свойств в поверхностном слое заготовки достигнут глубины последующей обработки, это может негативно сказаться на эксплуатационных свойствах изготавливаемой детали.
Обеспечение технологических параметров шероховатости поверхности и точности размеров на этапах механической обработки с учетом режимов предварительного лазерного воздействия Во - вторых, для механической обработки детали с локальной метастабильной структурой важным моментом является выбор металлорежущего материала и инструмента. Установлено, что в качестве режущего инструмента на этапе черновой и получистовой наружной механической обработки с локальным лазерным воздействием необходимо применять токарный проходной резец. Марка режущего материала должна обладать достаточной вязкостью и хорошо сопротивляться истиранию. Поэтому для материала рабочей части выбран твердый сплав Т15К6, имеющий повышенную прочность, сопротивляемость ударам, вибрациям, выкрашиванию, а также необходимую износостойкость сплава. Материал корпуса резца – сталь 45, сечение корпуса резца 12х12 мм, длина резца 10 см.
Для операции чистовой и тонкой механической обработки выбрана цельная державка, изготовленная из марки стали 40Х с сечением корпуса 12х12 мм и длинной 10 см. В качестве инструментального материала выбрана неперетачиваемая трехгранная сменная пластина из оксидо 138 карбидной керамики марки ВОК-63. Выбор такой марки режущего материала пластины для державки характеризуется высокой теплостойкостью, не способствует усадке стружки и формированию наростообразования. Однако недостатком минералокерамического сплава является его относительно небольшая и нестабильная прочность на изгиб (хрупкость), что стоит учитывать при точении заготовки с глубиной воздействия, превышающей снимаемый припуск.
В – третьих, как показала практика по отработке технологии изготовления детали «шток» гидроцилиндра, все этапы механической обработки заготовки с метастабильной структурой непосредственно должны производиться на современных высокопроизводительных токарных станках с ЧПУ. В качестве примера на рисунок 4.32 приведена обработка заготовки с метастабильной структурой на станке модели EMCO Concept TURN 250, технические характеристики которого представлены в таблице 4.14.