Содержание к диссертации
Введение
1. Современные представления о механике процесса резания лезвийным инструментом 6
1.1. Стружкообразование при резании остро-заточенным инструментом 6
1.2. Стружкообразование при резании инструментом со скругленным лезвием 14
1.3. Контактные процессы на передней поверхности инструмента 20
1.4. Оценка деформации в зоне резания 24
1.5. Формы износа инструмента при финишной обработке 30
1.6. Цель и задачи работы 36
2. Элементы модели трехмерного стружкообразования 39
2.1. Положение точки раздела 39
2.2. Эффективный передний угол 42
2.3. Эффективный задний угол 50
2.4. Предельный передний угол 55
2.5. Моделирование процесса резания при соизмеримости сечения среза и радиуса скруглення режущего лезвия 56
Выводы: 63
3. Методика 'экспериментальных исследований 65
3.1. Обрабатываемый материал, оборудование, инструмент, режимы резания 65
3.2. Методика проведения эксперимента 68
3.3. Методика определения размеров отпечатков контакта на рабочих поверхностях режущего инструмента 70
3.4. Методика исследования деформированного состояния с помощью делительной сетки 74
3.5. Определение напряжений, действующих в поверхности сдвига по твердости стружки 76
3.6. Методика определения компонент усадки стружки 77
3.7. Методика обработки экспериментальных данных 80
Выводы: 82
4. Экспериментальное моделирование финишного точения в условиях идеальной пластичности 83
4.1. Фактический объем металла, переходящий в стружку при резании инструментом с большими отрицательными передними углами 83
4.2. Форма контакта на переднеїі и задней поверхностях инструмента 87
4.3. Направления течения материала в пластической зоне 93
4.4. Усадка стружки и уширение поверхностного слоя 97
Вы коды: 106
5. Особенности механики финишного точения при обработке конструкционных материалов 107
5.1. Влияние различных факторов на относительный объем стружки 107
5.2. Особенности деформации в зоне резания при финишном точении 111
5.3. Контактные процессы 121
Выводы: 125
6. Усовершенствование технологии финишной обработки ответственных поверхностей деталей машин 126
6.1. Особенности формирования микропрофиля обработанной поверхности при отделочном точении 126
6.2. Влияние условий отделочного 'точения иа шероховатость и микротвердость обработанной поверхности 130
6.3. Достигаемая шероховатость на токарных станках 16К25 и 16Р25П, используемых па предприятии при изготовлении дорнов и матриц 139
6.4. Фактические рекомендации 141
Выводы: 144
Заключение 145
Библиографический список 147
Приложение 1. Акты внедрения 160
Приложение 2. Чертежи дорпа и матрицы 166
- Стружкообразование при резании остро-заточенным инструментом
- Положение точки раздела
- Обрабатываемый материал, оборудование, инструмент, режимы резания
- Фактический объем металла, переходящий в стружку при резании инструментом с большими отрицательными передними углами
- Влияние различных факторов на относительный объем стружки
Введение к работе
Актуальность работы. Проблема повышения эффективности механической обработки, то есть увеличения производительности при обеспечении высокого качества получаемых деталей в машиностроительном производстве, принадлежит к числу важнейших. Одним из перспективных направлений является замена технологических процессов шлифования на финишное лезвийное точение, что уже нашло широкое применение в России и за рубежом. Внедрение этого метода обработки стало возможным благодаря созданию новых инструментальных материалов с высокой теплостойкостью и износостойкостью: на основе керамики, кубического нитрида бора и других композиций в совокупности с применением высокоскоростного оборудования высокой точности с ЧПУ.
Процесс финишного точения имеет свои особенности. К ним можно отнести не только высокую скорость резания, но и снятие тонких стружек, когда устанавливаемая толщина сечения среза становится соизмеримой с естественным радиусом скруглення режущего лезвия, который присущ любому инструменту. С течением времени вследствие износа инструмента он увеличивается. В результате ухудшаются условия резания (увеличиваются силы резания, и как следствие повышается средняя температура, что отрицательно сказывается на стойкости инструмента), а само скругленное лезвие становится областью осложненного деформирования срезаемого металла. Успешное обеспечение в этих условиях требуемого качества поверхности деталей на протяжении всего периода стойкости резцов, осуществляющих финишную обработку, возможно только при глубоком понимании особенностей процесса резания при малых толщинах среза, Поэтому в связи с увеличением масштабов применения тонкого точения его углубленное изучение становится насущно необходимым.
Цель работы. Раскрытие особенностей процесса резания лезвийным инструментом при малых толщинах среза с учетом реальной геометрии режущего клина.
Методы исследования. В работе применены математический аппарат аналитической геометрии, основные положения теории резания и теории пластичности. Для моделирования процесса резания использован программный продукт MSC.MARC Mentat 2003 и ПК на базе процессора Intel Pentium IV. Для изучения объемного деформированного состояния, создаваемого процессом резания при больших отрицательных передних углах, разработана методика, основанная на использовании трехплоскостных составных образцов с нанесенными на них делительными сетками. Для обработки результатов экспериментов и расчетов привлечен Microsoft Excel 2003.
Научная новизна.
-
Предложена модель стружкообразования при резании инструментом с большими отрицательными передними углами, создаваемыми скругленной частью лезвия.
-
Аналитическим путем определены фактическая геометрия режущего клина, минимальная толщина среза и предельный отрицательный передний угол инструмента, при котором прекращается процесс резания.
-
С использованием шлифов корней стружек, выполненных в продольном и поперечном сечениях зоны резания, получено объемное представление о деформациях, создаваемых большими отрицательными передними углами.
-
Установлено положение граничной точки на скругленной части лезвия инструмента, в которой разделяются потоки металла, образующего стружку и идущего под заднюю поверхность.
-
Установлены закономерности изменения относительного объема металла, уходящего в виде стружки, степени деформации срезаемого металла, размеров площадок контакта на передней и задней поверхностях инструмента в зависимости от переднего угла в области больших значений радиуса скруглення режущего лезвия, режимных параметров.
-
Предложена геометрическая модель образования концентрированного износа лезвия инструмента, свойственного тонкому точению, которая получила экспериментальное подтверждение.
-
Показана связь между изменением шероховатости поверхности, получаемой при тонком точении, и радиусом вершины инструмента, радиусом скруглення лезвия инструмента в зависимости от времени обработки.
Практическая ценность.
-
По результатам проведенных исследований сформулированы подтвержденные производственными испытаниями рекомендации по применению тонкого точения и растачивания.
-
Разработана усовершенствованная технология окончательной обработки ответственных поверхностей деталей.
-
Результаты работы внедрены на заводе ОАО «Иркутсккабель», в ЗАО «Энер-пред» и ряде предприятий г. Иркутска. Общий экономический эффект составил более 500 тыс. рублей в год, что подтверждено актами внедрения.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы доложены на всероссийской научно-практической конференции «Современные технологии в машино-
строении - 2003» в г. Пенза, регионально!"! научно технической конференции «Перспективные технологии получения и обработки материалов» в г. Иркутске 2004 г., международной научно-технической конференции «Современные проблемы машиностроения» в г. Томске в 2004 г., на всероссийской конференции с международным участием «Математика, и ее приложения и математическое образование» в г. Улан-Удэ 2005 г. и ежегодных научно-технических конференциях факультета технологии и компьютеризации машиностроения Иркутского государственного технического университета (20()0...2006). Работа в целом доложена и обсуждена на научном семинаре факультета технологии и компьютеризации машиностроения иркутского государственного технического университета.
Публикации. Результаты диссертационной работы отражены в 12 публикациях.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, библиографического списка из 120 наименований и приложении, в которых представлены акты о внедрении результатов работы. Основной текст диссертации изложен на 162 страницах, содержит 96 рисунков, 17 таблиц и приложения.
Стружкообразование при резании остро-заточенным инструментом
Исследованию процесса резания металлов посвящено большое количество работ, например [8, 14, 17, 22, 61, 80, 96, 112 и другие]. Согласно современным представлениям в процессе резания отделяемый металл находится в сложном напряженно-деформированном состоянии, сопровождающимся в плоскости стружкообразования сдвигом смежным со сжатием [12, 19, 61, 65, 77, 93 и другие]. Присутствие в процессе резания деформации в направлении третьей главной оси также подтверждено экспериментально наблюдаемым уширением стружки [61, 89].
Результаты экспериментов многих авторов [8, 14, 17, 22, 61, 82, 103 и других] свидетельствуют о существенном уменьшении уширеиия стружки с ростом скорости резания. Это явление позволяет говорить о том, что с увеличением скорости резания вид деформированного состояния в зоне резания приближается к схеме плоской деформации. Па основании этого, пренебрегая очевидным уширением, считают напряженно-деформированное состояние в зоне стружкообразования простым сдвигом.
Исследования, проведенные металлографическими методами [44, 59] и методов координатных рисок и сеток [117, 118], позволили довольно точно определить границы области пластического деформирования. Согласно этим представлениям очаг деформации, в котором происходит стружкообразова-ние, состоит из зон первичной и вторичной деформации (рис. 1.1). Зона ОАВСО первичной деформации имеет форму клина с вершиной на лезвии инструмента. Ее нижняя граница ОА имеет вогнутую форму, пересекая линию среза. Верхняя граница ОБ зоны выпуклая. Её длина в 2...4 раза меньше длины линии ОА. Вся зона первичной деформации состоит из поверхностей сдвига (скольжения), на каждой из которых сдвигающие напряжения равны пределу текучести материала, уже получившего определенную степень упрочнения в результате предшествующей деформации. Линия ОВ представляет собой поверхность, на которой осуществляется последняя сдвиговая деформация; на ней сдвигающие напряжения г равны пределу текучести на сдвиг rv окончательно упрочненного материала, т. е. г= rs[14, 112].
Положение точки раздела
Процесс резания при соизмеримых толщине среза а и радиусе скруглення лезвия р можно охарактеризовать отношением р/а и углом дрейфа j, рассматривая его как угол между радиусом, проведенным в точку раздела О, и плоскостью N-N, перпендикулярной вектору скорости резания (рис. 2.1). Будем полагать, что точка раздела находится непосредственно на цилиндрической поверхности лезвия, нарост отсутствует, так как схема отвечает резанию идеально пластичного материала с высокой скоростью резания. Предположим также, что точка О в зависимости от толщины среза будет изменять свое местоположение на скругленной части лезвия таким образом, что х сможет принимать значения от 0 до 90.
Схема, представленная на рис. 2.1, позволяет определить угол дрейфа х для резца со скругленным лезвием. Из геометрических соображений его величину определяет зависимость где р - радиус скруглення режущего лезвия;
Для определения значения текущего угла дрейфа сделаем допущения о сохранении постоянства объема, сплошности и неразрывности обрабатываемого материала. Тогда имеем: где Усж- объем металла, уходящий иод лезвие; \\ - объем устанавливаемого среза; V - объем среза, уходящий в стружку.
Предварительно проведенные эксперименты показали, что зависимость отношения объема стружки к объему среза (в дальнейшем относительный объем стружки У0Ш=Уар/У р) от р/а можно аппроксимировать степенной функцией, вида:
Обрабатываемый материал, оборудование, инструмент, режимы резания
Для исследований были выбраны свинец марки РЬ 0 как материал, обладающий уникальными свойствами по своей пластичности и отсутствием упрочнения при пластическом деформировании, ряд конструкционных сталей, отличающихся прочностными характеристиками, и латунь. Физико-механические свойства этих материалов представлены в таблице 3.1.
Форма и размеры образцов предусматривали возможность реализации схемы свободного резания. Исследуемые образцы из свинца представляли собой пластины длиной 100 мм и шириной 30 мм. Их толщину варьировали от 0,5 до 10 мм. Образцы из конструкционных сталей и латуни представляли собой трубы диаметром 7()...110 мм. С целью количественного сопоставления размеров обработанных поверхностей и стружек представленных материалов, толщину пластин и толщину стенок труб обеспечивали с точностью ± 0,01 мм.
Экспериментальные исследования осуществляли на строгальном 7Б35 и токарно-винторезных 1К62, 16К20ФЗС32 станках. Технические данные использованных станков представлены в таблице 3.2.
Скорость резания при строгании образцов из свинца приняли равной 1,5...1,7 м/мин с учетом элементарного получения корней стружки. Скорость точения отвечала финишной обработке, которую варьировали в интервале от 150...500 м/мин. Обработку образцов осуществляли без применения смазоч-но-охлаждающих жидкостей.
Толщину среза а изменяли в пределах от 2,5 мкм до 2,0 мм, что при принятых значениях р позволило изменять отношение р/а от 0,25 до 20. Ширину среза b изменяли, варьируя ширину образцов от 0,5 до 10 мм. Значения ширины среза назначали таким образом, чтобы обеспечить, часто встречаемое в практике изменение отношения а/Ь в пределах 0,01 ...0,4.
Фактический объем металла, переходящий в стружку при резании инструментом с большими отрицательными передними углами
При комнатной температуре свинец является практически неупрочняе-мы.м материалом, что и определило его выбор для моделирования процесса резания идеально пластического материала. Такое решение весьма успешно было использовано в работах [79, 108]. Применение свинца позволяло достигать больших степеней деформации без разрушения срезаемого металла.
Прежде чем приступить к обсуждению результатов экспериментов, имеет смысл при описании работы инструмента со скругленным лезвием ввести понятие тонких и толстых стружек. У инструментов для финишной обработки фактический радиус скруглення режущего лезвия колеблется в пределах 30...60 мкм. В этой связи стружки, образующиеся в случае pla \ (т. е. а р), следует считать тонкими. В остальных случаях, когда pi а 1 их следует считать толстыми. В дальнейших рассуждениях мы будем придерживаться именно этой классификации.
На данном этапе исследования были проведены эксперименты при свободном резании свинца резцом со скругленным лезвием (р= 0,1...2 мм) и острозаточенным инструментом (у = 0...-65). Отношения Ь/а, использованные в экспериментах, полностью вписываются в общепринятые, которые применяются в случаях чистовой и отделочной лезвийной обработки.
Результаты проведенных экспериментов представлешл на рис. 4.1...4.3.
Как показывает анализ зависимостей, представленных на рис 4.1, а и рис. 4.3, а, в обоих случаях не весь объем устанавливаемого среза переходит в стружку. Его можно охарактеризовать отношением объема стружки к устанавливаемому объему среза (в дальнейшем относительный объем Vmu). Характер влияния толщины среза па относительный объем обусловлен различным влиянием плоской и цилиндрической частей передней поверхности на процесс резания, которое выражается в изменении формы и размеров физиче
В первом случае (рис. 4.1, а) увеличение толщины среза вызывает рост относительного объема стружки во всем диапазоне а, при этом чем меньше радиус округления, тем быстрее наступает стабилизация. Таким образом, можно сделать вывод о том, что влияние на относительный объем оказывают не только абсолютные значение радиуса и толщины среза, но и их отношение. Зависимость относительного объема от р/а, представленная на рис. 4.2, показывает, что он при постоянной ширине среза однозначно определяется этим отношением вне зависимости от радиуса округления. При увеличении значения pla в стружку переходит меньший объем металла и увеличивается доля металла, сминаемого скругленной частью лезвия.
Корреляционный анализ результатов, представленных на рис. 4.2, показал, что эга зависимость может быгь аппроксимирована функцией кусочного типа, а именно, на участке pla от 0 до 1 наибольшую достоверность показала линейная функция (97%), а при pla = 1 ...20 - степенная (97%). Различие функций на этих участках объясняется тем, что при малых отношениях pla начинает оказывать большее влияние плоская часть передней поверхности, тогда как при больших его величинах в резании участвует только цилиндрическая часть.
Влияние различных факторов на относительный объем стружки
Проведенные эксперименты на конструкционных материалах качественно повторили основные результаты, полученные на свинце (рис. 5.1). Данные для резца со скругленным лезвием могут быть аппроксимированы следующей эмпирической зависимостью, отражающей связь относительного объема снимаемого металла Fom с толщиной среза и радиусом скруглення лезвия /; с достоверность 96%: где в - основание натурального логарифма.
В случае острозаточенного инструмента при постоянном переднем угле экспериментальные точки хорошо аппроксимируются степенной функцией вида (4.6)). значения коэффициента с и показателя степени п приведены в табл. 5.1.
Вместе с тем было выявлено значительное влияние на относительный объем стружки физико-механических свойств обрабатываемого материала. Анализ связи между относительным объемом стружки и механическими характеристиками: пределом прочности Оц, пределом текучести (7(К2, относительным удлинение (), относительным сужением і//, истинным пределом прочности Sk и показателем упрочнения ///, показал, что наиболее достоверное и однозначное влияние, при постоянном переднем угле, оказывают SA и т. Полученные зависимости от других характеристик имеют экстремум и низкую достоверность аппроксимации (табл. 5.2). На рис. 5.2 приведен график-зависимости относительного объема стружки от истинного предела прочности и показателя упрочнения.
На графике нанесены точки для различных материалов, включая свинец. Для заданного переднего угла просматривается хорошая корреляция K-nrASk) и КтгЛт) ПРИ аппроксимации полиномом второго порядка между сталями, латунью и свинцом с высокой достоверностью (95...98%), несмотря на то, что скорость строгания свинца была значительно меньше скорости резания остальных материалов. Такой результат, весьма примечательный, очевидно обусловлен тем, что скорость резания мало влияет на характер деформации свинца вследствие его неупрочняемости.
Таким образом, для одинаковых условий резания и заданного переднего угла с увеличением Sk и т обрабатываемого материала относительный объем стружки увеличивается. Причем при малых и средних отрицательных передних углах 0... -45 кривые имеют подобный характер, а при углах, близких к предельному степень зависимости от свойств обрабатываемого материала снижается.
