Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Технологические особенности процессов обработки сложных поверхностей лезвийными композиционными материалами (Литературный обзор и постановка задачи научного исследования) 8
IX О свойствах лезвийных композиционных материа лов 8
1.2. Основные закономерности резания материалов инструментами из композитов 13
1.3. Качество и точность деталей при чистовой лезвийной обработке композитами 16
1.4. О возможности применения композиционных инструментальных материалов для обработки сложных поверхностей деталей 24
1.5. Выводы по литературному обзору. Постановка задачи научного исследования 31
ГЛАВА 2. Методика экспериментальных исследований 34
2Л. Технологическое оборудование, оснастка и характеристика условий экспериментальных исследований 34
2.2. Технологический классификатор исследуемых деталей и поверхностей 40
2.3. Математический аппарат и обработка результатов исследований 44
ГЛАВА 3. Шероховатость обработанной поверхности 53
3.1. Нормативные значения высоты неровностей 53
3.2. Влияние условий контакта инструмент - обрабатываемая поверхность заготовки на формирование шероховатости 56
3.3. Влияние режимов резания на шероховатость 63
3.4. Влияние геометрии режущей части инструмент на шероховатость 69
3.5. Влияние упругих деформаций на шероховатость 73
3.6. Влияние твердости материала заготовки на шероховатость обработанной поверхности 77
3.7. Модуль определения параметра шероховатости обработанной поверхности 77
Выводы 80
ГЛАВА 4. Упрочнение (наклеп) и микроструктура поверхностного слоя 81
4.1 * Общие положения 81
4.2. Влияние режимов резания на наклеп 83
4.3. Влияние геометрических параметров инструмента и его износа 87
4.4. Влияние свойств материала детали 91
4.5. Связь степени наклепа с температурным фактором и прерывистостью обработанной поверхности 92
4.6. Микроструктура поверхностного слоя 97
Выводы 100
ГЛАВА 5. Применение результатов исследования в практической деятельности 101
5.L Технологическое обеспечение процессов обработки сложных поверхностей деталей лезвийными композиционными материалами 101
5.2. Методика определения полученного экономического
эффекта от внедрения инструмента из композитов 105
Выводы 109
Общие выводы 109
Список литературы
- Качество и точность деталей при чистовой лезвийной обработке композитами
- Технологический классификатор исследуемых деталей и поверхностей
- Влияние режимов резания на шероховатость
- Влияние геометрических параметров инструмента и его износа
Введение к работе
В силу ряда причин» неустойчивости процессов, происходящих в жизни нашего общества, в последнее десятилетие в России произошел серьезный спад промышленного производства, машиностроения и металлообработки в частности. В особенности это коснулось отдаленных регионов Российской Федерации, к которым относится и Забайкалье.
Восстановление промышленного потенциала всех отраслей народного хозяйства невозможно без обладания передовой техникой и технологией машиностроительного производства. Широкое внедрение прогрессивных технологий должно дать импульс массовому изготовлению техники нового поколения, способной обеспечить многократное повышение производительности труда.
Необходимость создания новых машин и механизмов, ремонт и восстановление утраченной работоспособности модернизируемых машин, в том числе и оборонного назначения, связаны с проблемами обеспечения высоких требований по исходным характеристикам качество поверхностного слоя, влияющим на эксплуатационные показатели качества деталей.
В этом плане существенная роль принадлежит технологическим процессам лезвийной обработки* обладающим высокой производительностью и являющимся основным методом достижения заданной геометрической и размерной точности и качества обработки.
Внедрение подобных технологий не требует существенных капиталовложений, они относятся к так называемым "дешевым технологиям4, без коренной перестройки существующего машиностроительного производства.
Одним из таких направлений в металлообработке является возможность использования лезвийных сверхтвердых инструментальных материалов на основе нитрида бора ( торговая марка - композиты ), которые благодаря своим исключительным физико-механическим и режущим свойствам
позволяют решить проблему обработки самых сложных и точных поверхностей деталей машиностроительного назначения и достигнуть высоких показателей качества обработанной поверхности.
Таким образом, совершенствование технологии изготовления деталей с конструктивно и технологически сложными поверхностями лезвийными композиционными материалами, за счет полного раскрытия их технологических возможностей с обеспечением высоких требований по исходным характеристикам качества поверхностного слоя, является актуальной научной и практической задачей.
Цель работы - повышение эффективности чистового точения деталей с прерывистыми и наплавленными поверхностями за счет выявления факторов, влияющих на качество поверхностного слоя при обработке инструментом из композита.
Научная новизна работы состоит в следующем:
Выявлены общие закономерности формирования качества поверхностного слоя деталей различной конструктивной сложности, зависящие от технологических условий процесса чистового точения композитом.
Установлена степень влияния геометрических параметров инструментов, режимов обработки на шероховатость, упрочнение и микроструктуру поверхностного слоя деталей из различных конструкционных материалов при точении прерывистых и наплавленных поверхностей композитом.
3. Установлено влияние прерывистости обработки на микрогеометрию и
физико-механическое состояние поверхностного слоя прерывистых и на
плавленных поверхностей инструментом из композита.
Автором разработаны и доведены до практического использования на ряде заводов Забайкалья технологические процессы изготовления деталей с разнообразными по конструктивной и технологической сложности поверхностями.
Практическая ценность диссертационной работы подтверждается высокой технологической и экономической эффективностью от разработки и
внедрения результатов в производство ряда машиностроительных заводов Забайкальского региона.
Диссертационная работа выполнена в рамках региональной программы восстановления промышленного потенциала Забайкалья. При ее выполнении использованы результаты предыдущих научных исследований направления «Комплексное обеспечение качества продукции машиностроительного назначения Забайкальского региона», разрабатываемого кафедрой «Технология машиностроения» Читинского государственного технического университета.
Общий экономический эффект от внедрения результатов составил свыше 101,2 тыс.руб. (в ценах 2000 г.)
Качество и точность деталей при чистовой лезвийной обработке композитами
Анализируя результаты исследований, можно сделать вывод, что основное влияние на увеличение микротвердости поверхностного слоя оказывают подача, радиус округления режущей кромки и радиус при вершине резца [16,99,102],
На поверхности легированного чугуна, обработанного резцами из композита 10, возникают в основном остаточные напряжения сжатия атах=30...650МПа, глубина их распространения h-«j=0,05...0,45 мм.. Микротвердость обработанной поверхности повышается в 1,3-1,4 раза.
С увеличением значений указанных параметров возрастают силы резания, которые благоприятствуют упрочнению поверхностного слоя.
Многочисленные примеры свидетельствуют о неоспоримых преимуществах композитов перед всеми известными и применяемыми в настоящее время инструментальными лезвийными материалами. Можно сформулировать основные области применения композитов: финишная чистовая обработка закаленных сталей, в том числе при прерывистом резании; чистовое точение как подготовительная операция под последующую финишную обра 25 ботку; чистовая обработка поверхностно закаленных материалов с мягкой сердцевиной [41].
Однако следует отметить противоречивость многих данных отечественных и зарубежных литературных источников, значительные расхождения рекомендуемых режимов обработки, геометрии режущей части инструмента, подбора марки композита и другое, что создает определенные трудности в практической деятельности по обеспечению заданной точности и качества обработки.
В табл.1.4 - 1.6 приведены обобщенные рекомендации разных авторов по выбору и назначению режимов обработки различных по конструктивной и технологической сложности деталей из разнообразных конструкционных материалов [1,77,95,107 и др.].
Следует отметить, что ожидаемый эффект от использования инструментов из композитов достигается оптимальным сочетанием большого количества основных технологических факторов и таких как правильный выбор оборудования, инструмента и другого технологического обеспечения.
Например для высоких скоростей резания, рекомендуемых для композитов, необходимы станки с большими частотами вращения шпинделя. Технологическое оборудование должно обладать достаточной жесткостью, поскольку при резании прерывистых поверхностей высока вероятность вибраций оборудования, что крайне нежелательно. Это приводит не только к ухудшению шероховатости обработанной поверхности, но и является одной из причин выкрашивания режущих элементов.
Из всех известных марок композитов, выпускаемых отечественной промышленностью и серийно используемых в металлообработке, ученые и практики отдают преимущество инструментальному материалу - композит 10, Характерной особенностью этого инструментального материала является относительно малый размерный износ, что позволяет обрабатывать большие партии деталей с прерывистой поверхностью (шлицы, пазы, отверстия и т,д.) с точностью не хуже 7-го квалитета и шероховатостью не более Ra - 1525 мкм.
Многими исследователями указывается на то обстоятельство, что при назначении режимов обработки обязательно следует учитывать теплофизику процесса чистового точения прерывистых поверхностей и вносить соответствующие коррективы [1,7,8,37,77 и др.]
Следует отметить, что при чистовом прерывистом резании композитами с высокими скоростями увеличивается количество тепла в зоне резания, но в то же время сокращается длительность термического цикла в зоне кон -такта инструмент - деталь.
При этом тепло распространяется в деталь только на незначительную глубину - около 25 мкм, имеет место значительный температурный градиент (уменьшение температуры от 700,..800С до 50,..100С), Отмечено, что при увеличении прерывистости обработки температурный градиент уменьшается.
Эти особенности процесса прерывистого резания определяют высокое качество поверхностного слоя, отсутствие на обработанной поверхности микротрещин и прижогов [2].
Металлографический и рентгеноструктрный анализы показали, что в поверхностном слое закаленных сталей после обработки композитами в широком диапазоне режимов резания не происходит структурных изменений, несмотря на достаточно высокие (до 1200 С) контактные температуры, что объясняется малыми площадями контакта, а также тем, что большая часть тепла уходит со стружкой. Существенным преимуществом процесса точения является и то, что в поверхностном слое глубиной 50 - 70 мкм создаются сжимающие напряжения (тогда как при шлифовании - растягивающие), что также повышает эксплуатационные свойства деталей из чугунов и закаленных сталей, рисЛ.10, [41].
Композиционные инструментальные материалы позволяют эффективно заменить шлифование закаленных деталей (HRCa 50.,.60) лезвийной обработкой, гарантирующей отсутствие вкраплений абразивных частиц в обработанную поверхность [65,87,102].
Технологический классификатор исследуемых деталей и поверхностей
В этой схеме цифры 1,2 ... 11,12 обозначают номера позиций технологического классификатора.
Кодирование детали (поз.1) выполняется строчной буквой русского алфавита в соответствии с перечнем деталей табл.23.
Кодирование обрабатываемой поверхности детали (поз.2) выполняется двузначным кодом от 10 до 90, в соответствии с конструктивными особенностями, табл.2.3.
Кодирование детали по размерной характеристике выполняется тремя знаками (поз.3,4,5) по данным прил.2.1.
У деталей класса «Тела вращения» первым знаком (поз.З) кодируется наибольший наружный диаметр; вторым знаком (поз.4) кодируется длина детали (может быть высота); третьим знаком (поз.5) кодируется диаметр центрального отверстия.
При кодировании центрального отверстия учитывается диаметр только круглых поверхностей, независимо от наличия в них шпоночных пазое или шлицев.
В ступенчатом центральном отверстии кодируется диаметр ступени с наивысшим квалитетом точности, а при равной точности двух или более ступеней - отверстие большего диаметра.
В конусном отверстии кодируется размер меньшего диаметра конуса. Кодирование детали по состоянию обрабатываемой поверхности выполняется одним знаком (поз.6) - прил.2.2. Кодирование по квалитету точности размеров детали, выполняется двузначным кодом (поз.7,8). Позиция 7 обозначает наивысший квалитет точности внутренних поверхностей, прил.2.3. Параметр шероховатости или отклонения формы и расположения поверхностей кодируется одним знаком (поз.9), по наименьшей шероховатости и, с учетом наличия требования отклонения формы и расположения поверхностей, прил.2А и 2.5. Материал детали кодируется одним знаком (поз. 10) по данным прил.2.6. Термическая обработка, твердость обрабатываемой поверхности кодируется одним знаком (позЛ 1)? прил.2.7. Масса детали кодируется одним знаком (поз.12) по данным прил. 2.8, Примеры кодирования приведены в табл. 2.5.
Процесс резания отличается большой сложностью. При его исследовании результаты опытов определяются большим числом контролируемых и неконтролируемых факторов. Кроме этого, воздействие каждого из факторов на исследуемую величину осложняется влиянием взаимодействий факторов. Поэтому в последнее время наряду с детерминированным описанием процесса резания все чаще рассматривают этот процесс с вероятностно-статистических позиций, а при экспериментальном исследовании используют методы планирования эксперимента, базирующиеся на идеях математической статистики и математической теории эксперимента [88-91].
При поиске оптимальных характеристик качества поверхностного слоя при лезвийной обработке материалов композитами может быть использован метод крутого восхождения, предложенный Боксом и Уилсоном.
Этот метод позволяет резко сократить число опытов, получить количественные оценки влияния отдельных факторов и их взаимодействий на изучаемый параметр и обеспечивает более высокую точность результатов. Для крутого восхождения используем линейную модель вида у = b0 Ч-ft +Ъ2Х2 + +64х4 +Й5Х5, (2.1)
В качестве параметра оптимизации (у) при реализации ряда экспериментов были рассмотрены: шероховатость поверхности при врезании инструмента (Rai), при выходе инструмента (Каэ) и в середине между пазами (Паз) ; микротвердость поверхности при врезании инструмента (Hi), при выходе инструмента (Н2) и в середине между пазами (Н3); глубина наклепа при врезании инструмента (hi), при выходе инструмента (Ьг) и в середине между пазами (h3).
Проверка гипотезы адекватности модели проведена по -критерию Фишера из условия Fp FT, где Fp=S2y/S2ad. Крутое восхождение начато с центра плана, т.е. из точки с координатами х{ = х2 = хъ = хЛ = х5- 0, что в каждой серии опытов соответствовало геометрическим параметрам режущих инструментов (а, у, \, р, т); v, s, t, HRCa (HB), марке композита и др. Шаг движения по градиенту вычислен по формуле: Д,=ДГ6 / (2.6) где А\ - принятый шаг движения по градиенту для 1-го фактора; Єт и Є] - интервалы варьирования 1-го и і-го факторов.
Вычислив шаг движения по градиенту для каждого фактора, приступали к расчету опытов в направлении градиента. Для этого, для определения условий первого опыта, к основному уровню каждого из факторов прибавлено соответствующее значение шага движения по градиенту. Для определения условий каждого последующего опыта к значению каждого из факторов в предыдущем опыте прибавлено соответствующее значение шага.
Влияние режимов резания на шероховатость
Влияние режимов резания на шероховатость обработанной поверхности композитами рассмотрено на примере моделей (табл.2.2.) имитирующих процесс обработки различных по конструктивной и технологической сложности гладких и прерывистых поверхностей реальных деталей.
Проведен полный факторный эксперимент применительно к обработке наплавленных поверхностей. В качестве переменных были выбраны скорость резания v, подача s и глубина резания t.
Методом Бокса - Уилсона получены оптимальные значения скорости резания, подачи и глубины резания, обеспечивающие минимально возможные значения шероховатости обработанных поверхностей деталей из углеродистых и легированных сталей, чугунов.
Уровни факторов и интервалы варьирования приведены в табл.3.1, матрица полного факторного эксперимента 23 - табл.3.2.
Так как а акру гипотезу об однородности дисперсий принимаем. Доверительный интервал Abj коэффициентов составляет ДЬ, =±tKp -5{6;}=±ЗД8-0,0094286 = 0,03 (3.22) где t = 3,18 - табличное значение критерия Стьюдента при 5%-ном уровне значимости и числе степеней свободы f=3. Коэффициенты Ьп, Ьв, Ь2э, Ьшпо абсолютной величине меньше доверительного интервала, поэтому их можно считать статистически незначимыми и исключить из уравнения регрессии. Уравнение запишется следующим образом: Г = 0,953 -0,415 + 0,084 + 0,032. (3.23) Для проверки адекватности уравнения вычисляем дисперсию N к Sld , & = 8,723891-8,708112 = ад N-(k+\) 8-(3 + 1) (3 24) Адекватность уравнения проверяем по F-критерию Фишера. Находим расчетное значение F-критерия: S2ad 0,0039 S2{Y] 0,0007 3-25
Табличное значение F-критерия при 5%-ном уровне значимости и числе свободы f=3 равно 9,1. Так какРр Рт, то линейная модель адекватна. Следовательно, зависимость шероховатости от режимов резания при лезвийной обработке наплавленных поверхностей с достаточной точностью можно представить уравнением: &а — С V о t (3.26) Для получения уравнения в натуральных значениях факторов X необходимо вместо X подставить его значение согласно формуле преобразования (3.17). 2(ln ,-lnJ,max);1 + 0,084 + 1 lnRa = 0,953-0,415 2(Ш ,-1ііЛГЯи 1) + 1 lnX3_-lnX3min После преобразования получим ІпДа = 9Д2-Ц3281пу + 0,3291п5 + 0Д)921пЛ (3.27) В результате была получена следующая зависимость шероховатости от режимов резания при обработке конструкционных сталей композитом 10: Ra = С . 29-Л092 v !,Э2Й , МКМ (3.28)
Для оценки математического ожидания параметра Ra генеральной совокупности выбираем способ образования выборки с возвратом. Считаем, что исследуемая случайная величина подчиняется нормальному закону распределения.
Если исследуемая случайная величина подчиняется нормальному закону распределения и ее среднее квадратическое отклонение известно, то используем зависимость — О" P{X- ={M{X + t a)-9it). Так как в данном случае о неизвестна, то предварительно берем пробную выборку и по ее данным делаем приближенную оценку параметра а . Эту оценку подставляем в формулу п = t2-a2 которая принимает вид п А3 где S2 - выборочная дисперсия пробной выборки; tnp — значения ї - распределения Стьюдента, соответствующее числу наблюдений п и вероятности р. Выборочная дисперсия подсчитывалась на основе 20 наблюдений S2 = 0,0038. При этом, для доверительной вероятности 0,95 и числа наблюдений равном =2,086. Откуда (2,086)2 -0,0038 _ 0,0165 Д2 " А2 ; Имея зависимость п = f(A) можно подсчитать размеры выборки для различных степеней точности Л=0,02 0,0165 А1 п = — =- = 41 (0,02)2
Проанализировав полученную зависимость, делаем вывод, что наиболее существенное влияние на параметры микрогеометрии обрабатываемой поверхности оказывают величина подачи и скорость резания: с увеличением подачи шероховатость обработанной поверхности увеличивается, а с увеличением скорости резания - значения шероховатости уменьшаются. Глубина резания незначительно влияет на шероховатость обработанной поверхности, рис.3.6.
В исследованном диапазоне режимов резания минимальное значение подачи и максимальное значение скорости резания способствуют получению минимально возможному значению шероховатости. Как недостаток, отметим, что минимальные подачи существенно снижают производительность, а значению максимальной скорости резания препятствуют проблемы обработки наплавки (возможные посторонние включения, перепады неровностей наплавки, колебания твердости и др.).
Влияние геометрических параметров инструмента и его износа
Исследования термомеханических процессов закладывает теоретические основы для формирования технологии чистового точения и обеспечения требуемых параметров качества при осложненной лезвийной обработке инструментами из композита.
Неэлектропроводносгь композитов является большой проблемой при экспериментальном исследовании температуры резания, что затрудняет использование общепринятого метода естественной термопары и связано с погрешностями существенно искажающими результаты исследования [57,77,83].
Из наиболее приемлемых, рассмотрено несколько схем, с помощью которых можно проследить за изменением температуры в некотором сечении резца и выбрать наиболее отвечающую поставленным условиям исследования.
К таким методам относится измерение температуры перерезаемой термопарой. Этот метод впервые использован А.Н.Резниковым для исследования распределения температуры по контактным поверхностям резца, и для сверхтвердых материалов С.Л,Проскуряковым и др.[77], рис.4.9а.
Существенным недостатком является создание особых условий обработки, отличающихся от реальных (точение колец из обрабатываемого материала базовой заготовки).
Метод искусственной термопары, спай которой находится в теле резца, оснащенного композитом, на некотором расстоянии от рабочих поверхностей, использован в диссертационной работе А.Н.Рыкунова [83], рис.4.9б.
Учитывая, что для закладки термопары необходимо отверстие в теле резца, весьма проблематично получить его в пластине композита, тем более в лабораторных условиях, поэтому оно делается только в основном металле державки резца на значительном удалении от места контакта инструмент -обрабатываемая поверхность заготовки.
Другие общеизвестные методы (калориметрический, термокраски и др.) еще менее пригодны в рассматриваемых условиях, поскольку предусматривают обязательный контакт чувствительного элемента с поверхность, объекта измерения.
Поэтому применен бесконтактный контроль температуры с помощью пирометрического преобразователя.
Основные составляющие элементы пирометра - оптическая система, чувствительный элемент (тепловой детектор) и электронный блок.
Экспериментальные исследования (табл.4.1) свидетельствуют о том, что при точении наплавленной поверхности температура меньше, чем при непрерывном резании, с увеличением прерывистости обработки тепловое воздействие менее выражено, это показано на рис.4.10.
Известно, что при непрерывном резании после окончания значительного по продолжительности периода резания разница температуры между поверхностными и основными глубинными слоями металла обрабатываемой детали достигает значительных величин - порядка 85,.,95С. Верхние слои разогретого металла резко охлаждаются и сжимаются, но их сжатию препятствуют глубинные слои, которые остались холодными. Это является причиной образования на поверхности детали (примерно на глубину наклепанного слоя) остаточных напряжений растяжения, а в глубинных слоях — уравновешивающих их напряжений сжатия.
Действием двух факторов - механического, создающего только сжимающие напряжения, и теплового, образующего только растягивающие напряжения, можно объяснить механизм перераспределения микро напряжений при прерывистом резании.
На повышение температуры наибольшее влияние оказывает скорость резания, в меньшей степени подача и еще в меньшей степени - глубина резания. Это следует из того, что увеличение скорости резания приводит к росту работы трения, в то же время как площадь контакта стружки с инструментом и возможность отвода тепла в инструмент уменьшаются.
