Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Основные направления повышения эффективности глубокого сверления маломерных отверстий. цель и задачи исследований 11
1.1. Особенности силового и теплового взаимодействия контактирующих объектов при глубоком сверлении спиральными сверлами 11
1.2. Пути и средства снижения теплосиловой напряженности процесса глубокого сверления отверстий спиральными сверлами за счет СОЖ 17
1.3. Возможности снижения теплосиловой напряженности процесса глубокого сверления маломерных отверстий использованием УЗК...23
1.4. Выводы. Цель и задачи исследование 38
ГЛАВА 2. Теоретико-экспериментальные исследования процесса проникновения сож в зону глубокого сверления маломерных отверстий спиральными сверлами с использованием энергии модулированных УЗК 40
2.1. Физические основы использования УЗК д ля повышения проникающей способности СОЖ при глубоком сверлении маломерных отверстий вращающимся осевым инструментом 40
2.1.1.Физические основы использования УЗК для повышения технологической эффективности СОЖ 40
2.1.2.Влияние условий наложения и параметров ультразвукового поля на проникающую способность СОЖ 47
2.2. Методика экспериментальной оценки проникающей способности СОЖ при глубоком сверлении маломерных отверстий 55
2.3. Экспериментальные исследования проникающей способности СОЖ при глубоком сверлении маломерных отверстий 64
ГЛАВА 3. Моделирование тепловых процессов при глубоком сверлении 70
3.1. Математическая модель теплового взаимодействия объектов, контактирующих в процессе глубокого сверления маломерных отверстий 70
3.2. Численное решение задачи теплообмена при глубоком сверлении спиральными сверлами 82
3.3. Методика экспериментального исследования теплосиловой напряженности глубокого сверления маломерных отверстий 88
3.4. Экспериментальные исследования теплосиловой напряженности глубокого сверления 89
3.4.1.Экспериментальные исследования силовой напряженности глубокого сверления 89
3.4.2. Экспериментальные исследования контактных температур при глубоком сверлении отверстий 107
3.5. Выводы 109
ГЛАВА 4. Теоретико-экспериментальные исследования технологической эффективности и точности глубокого сверления маломерных отверстий с использованием энергии модулированных УЗК 110
4.1. Математическая модель увода сверла при глубоком сверлении 110
4.2. Методика исследования технологической эффективности и точности глубокого сверления маломерных отверстий 122
4.3. Экспериментальные исследование технологической эффективности и точности обработки при глубоком сверлении маломерных отверстий 124
4.3.1. Экспериментальные исследования точности обработки при глубоком сверлении 124
4.3.2. Исследование технологической эффективности обработки и стойкости сверла 128
ГЛАВА 5. Технико-экономическая эффективность и основные результаты опытно-промышленных испытаний уз-техники при глубоком сверлении маломерных отверстий 141
5.1. Методика опытно-промышленных испытаний УЗ-техники в условиях действующего производства 141
5.1.1. Условия испытаний 141
5.1.2. Периодичность и условия контроля 142
5.1.3. Порядок проведения испытаний 142
5.2. Результаты опытно-промышленной апробации и ее анализ 142
5.3. Расчет экономической эффективности от внедрения результатов исследований 144
5.3.1. Источники экономической эффективности 144
5.3.2. Методика расчета экономической эффективности 145
5.3.3. Расчет экономического эффекта от внедрения новой технологии глубокого сверления с использованием энергии УЗ-поля на операции сверления смазочных отверстий в коленчатом вале 7305-4116 150
Заключение 154
Библиографический список 156
Приложения 167
- Пути и средства снижения теплосиловой напряженности процесса глубокого сверления отверстий спиральными сверлами за счет СОЖ
- Методика экспериментальной оценки проникающей способности СОЖ при глубоком сверлении маломерных отверстий
- Методика экспериментального исследования теплосиловой напряженности глубокого сверления маломерных отверстий
- Методика исследования технологической эффективности и точности глубокого сверления маломерных отверстий
Введение к работе
Актуальность темы. Глубокое сверление маломерных отверстий (L > 10Д D до 8 - 10 мм) остается одним из "узких" мест в технологических процессах изготовления ответственных деталей машин (коленчатые валы, крепежные детали летательных аппаратов, детали аппаратуры впрыска топлива, систем охлаждения, смазки и др.) вследствие интенсивного затупления и низкой стойкости спиральных сверл, а также большой вероятности их поломок, часто приводящих к необходимости электроэрозионного извлечения отломившейся части инструмента из заготовки, либо к браку почти готового изделия. Наиболее перспективными путями совершенствования технологии глубокого сверления маломерных отверстий является рациональное применение смазочно-охлаждаю-щих жидкостей (СОЖ), в том числе подача их непосредственно в контактную зону обработки и, прежде всего, к наиболее теплонагруженным ее участкам, а также использование энергии ультразвукового (УЗ) поля для реализации эффекта снижения трения, кавитационного и звукокапиллярного эффектов, обеспечивающих глубокое проникновение жидкости в капилляры, трещины и стесненные зоны контакта под действием ультразвуковых колебаний (УЗК).
Применение энергии УЗ-поля при обработке маломерных отверстий приводит к существенному снижению теплосиловой напряженности процесса глубокого сверления, повышению периода стойкости и точности обработки, снижению крутящего момента и составляющих силы резания, увеличению проникающей способности СОЖ.
Тема диссертации, направленной на повышение технологической эффективности операций глубокого сверления путем использования энергии УЗ-поля, отвечает запросам производства, что обусловливает ее актуальность.
Работа выполнена в рамках НИР госбюджетной программы Министерства образования и науки РФ по проекту 201.09.01.003 "Новые ультразвуковые ресурсосберегающие технологии механической обработки заготовок из труднообрабатываемых материалов в машино- и приборостроении"
Автор защищает: 1. Результаты теоретико-экспериментальных исследований проникающей способности СОЖ при глубоком сверлении маломерных отверстий с использованием УЗК и, в частности, результаты теоретической оценки проникающей способности СОЖ, новую методику экспериментальной оценки проникающей способности при глубоком сверлении маломерных отверстий, новые устройства и способы использования энергии УЗ-поля при сверлении, результаты экспериментальных исследований проникающей способности СОЖ.
2. Результаты теоретико-экспериментальных исследований теплосиловой напряженности процесса глубокого сверления маломерных отверстий и, в частности, теплофизическую модель nprnyrca rTiytWftro f руртт-ынд маломерных от-
I РОС НАЦИОНАЛ !.Ч, ,. '
] БИБЛИОТЕКА
4 верстий с использованием энергии УЗ-поля, результаты экспериментальных исследований сил резания и контактных температур при сверлении с УЗК.
3. Результаты теоретико-экспериментальных исследований производи
тельности и точности глубокого сверления маломерных отверстий с использо
ванием энергии модулированных УЗК и, в частности, математическую модель
увода сверла при обработке с наложением УЗК, результаты экспериментальных
исследований увода сверла и разбивки отверстий, а также стойкости сверл при
наложении УЗК.
4. Результаты опытно-промышленных испытаний новых способов и уст
ройств на операции сверления смазочных отверстий в коленчатых валах на
ОАО "Волжские моторы" (г. Ульяновск).
Цель работы. Повышение эффективности глубокого сверления маломерных отверстий спиральными сверлами путем использования новых методов применения энергии УЗ - поля.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решены следующие задачи:
-
Разработана математическая модель проникновения СОЖ в зону обработки маломерных отверстий под действием УЗК.
-
Дано математическое описание и разработана методика расчета температурных полей в инструменте и заготовке численными методами при глубоком сверлении маломерных отверстий с учетом влияния СОЖ и УЗК, накладываемых на СОЖ и сверло.
-
Экспериментально оценена возможность усиления проникающей способности СОЖ и снижения теплосиловой напряженности сверления под действием УЗК, накладываемых на инструмент и СОЖ.
-
Разработана математическая модель и экспериментально исследованы причины увода сверла и разбивки маломерных отверстий при глубоком сверлении спиральными сверлами и предложены методы их устранения на основе рационального использования энергии УЗ-поля.
-
Разработаны новые способы и устройства для сверления глубоких маломерных отверстий с использованием энергии УЗ -поля, выявлены их технологические возможности и экономическая эффективность.
Научная новизна. Разработаны и экспериментально проверены математическая модель, методика и способ оценки проникающей способности СОЖ при глубоком сверлении с применением УЗК.
Получена теоретически и экспериментально проверена математическая модель теплового взаимодействия инструмента и заготовки при глубоком сверлении спиральными сверлами с учетом влияния УЗК, накладываемых на сверло и СОЖ.
Разработана математическая модель увода спирального сверла при сверлении маломерных глубоких отверстий с использованием УЗК.
Практическая ценность и реализация работы. Разработанные методика и программное обеспечение дают возможность моделировать тепловое состояние контактирующих объектов при глубоком сверлении спиральными сверлами маломерных отверстий с учетом их реальной формы, элементов режима резания, влияния СОЖ и УЗК, накладываемых на инструмент и СОЖ.
Предложены новые способы и устройства для использования УЗК при глубоком сверлении маломерных отверстий, защищенные семью патентами РФ.
Как показали опытно-промышленные испытания, проведенные на операции сверления смазочных отверстий в коленчатых валах 7305-4116 в условиях действующего производства ОАО "Волжские моторы", новая техника применения УЗК способствует повышению периода стойкости на 23 % при существенном уменьшении вероятности поломок сверл, расчетный годовой экономический эффект составил 94790 руб. на одну операцию.
Апробация работы. Основные результаты работы доложены на научно-технических конференциях (НТК) Ульяновского государственного технического университета (УлГТУ) в 2001 - 2004 г.г.; на Всероссийской НТК "Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники", Москва - Звенигород, 2002 г.; международных НТК "Физические и компьютерные технологии в народном хозяйстве", Харьков, 2002 г.; "Высокие технологии в машиностроении", Самара, 2002 г.; "Машиностроение и техносфера XXI века", Севастополь, 2003, 2004 г.г.; международном форуме по тепломассообмену ММФ - 2004, Минск, 2004 г.; на научно-технических семинарах кафедр "Технология машиностроения" и "Металлорежущие станки и инструменты" УлГТУ, 2003, 2004, 2005 г.г.; на заседании научно-технического совета машиностроительного факультета УлГТУ в 2005 г.
По теме диссертации опубликовано 12 работ, получено 7 патентов на изобретения.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы (133 наименования) и приложений (36 страниц), включает 221 страницу машинописного текста, 68 рисунков и 16 таблиц.
Пути и средства снижения теплосиловой напряженности процесса глубокого сверления отверстий спиральными сверлами за счет СОЖ
Основными средствами снижения теплосиловой напряженности глубокого сверления, как и любого другого процесса механической обработки, является эффективное применение СОЖ. СОЖ оказывают непосредственное влияние на производительность и качество обработки металлов резанием, осуществляя охлаждающее, смазочное, моющее и другие функциональные действия.
К числу основных функциональных действий СОЖ относят смазочное и охлаждающее действия. Смазочное действие СОЖ заключается в уменьшении силы трения и вероятности возникновения схватывания и адгезии на контактирующих поверхностях инструмента, заготовки и стружки. Охлаждающее действие СОЖ состоит в отводе тепла от контактирующих объектов в процессе обработки.
К функциональным действиям СОЖ относятся также моющее, диспергирующее и демпфирующее действия. Моющее действие СОЖ заключается в удалении с рабочей поверхности режущего инструмента, заготовки и деталей станка продуктов износа инструмента, мелкой стружки и других отходов обработки. Под диспергирующим или режущим и пластифицирующим действием СОЖ понимают способность жидкости облегчать пластическое деформирование обрабатываемого материала и разрыв связей в нем при внедрении инструмента. Функциональные действия СОЖ тесно связаны с возможностями изменения периода стойкости инструмента, обрабатываемостью заготовок и качеством поверхностного слоя обрабатываемых деталей. Рациональное применение СОЖ обеспечивает [103]:- снижение избыточной деформации стружки и заготовки (облегчение развития пластической деформации в зоне стружко образования), что уменьшает силу резания;- уменьшение пластической деформации выступающих микронеровностей на поверхностях контактирующих объектов за счет локализации и пластической деформации в тонком поверхностном слое обрабатываемого материала заготовки, что уменьшает силу трения между инструментом и стружкой (заготовкой);- уменьшение налипания обрабатываемого материала на инструмент.
Проникновение жидкости в зону резания является неоходимой предпосылкой для реализации всех функциональных действий СОЖ, а особенно смазочного действия. Наиболее важно смазочное действие при проникновении жидкости непосредственно в зону контакта режущего инструмента и заготовки, где другие действия несущественны ввиду малого количества проникнувшей СОЖ. Особенно высокие требования к проникающей способности СОЖ предъявляются при затруднениях с подводом жидкости непосредственно к зоне контакта инструмента с заготовкой при шлифовании, хонинговании, суперфинишировании, растачивании, развертывании и при глубоком сверлении маломерных отверстий.
Существует несколько объяснений механизма проникновения СОЖ в зону резания [21,103, 108].1. В результате отрыва нароста. На месте разрушившегося нароста на мгновение создается разреженная полость, куда и попадают частицы жидкости.2. Под воздействием вибраций (в том числе и ультразвуковых), в результате которых происходит систематическое нарушение контакта между инструментом и заготовкой, а также инструментом и стружкой. При этом может образовываться микрощель с пониженным давлением, куда устремляется СОЖ.3. По капиллярам. Вследствие интенсивного деформирования поверхностных слоев контактирующие поверхности стружки и заготовки испещрены поперечными разрывами, идущими на большую глубину. На контактных поверхностях непрерывно создается и разрушается сеть каналов и резервуаров. При резании размеры капилляров достигают 4-8 мкм [103], что достаточно для проникновения даже крупных молекул СОЖ. Скорость проникновения СОЖ по капиллярам достигает 3,5 — 4 м/с [103]. Движущими силами проникновения жидкости по капиллярам могут быть: разность давлений и вибрации (основная причина), силы химического взаимодействия, адсорбционные взаимодействия, внешние электрические и магнитные поля и др.4. Под воздействием сил адсорбции. Молекулы СОЖ устремляются в зону резания под действием сил химического взаимодействия с образующимися ювенильными поверхностями. Если на поверхности успела образоваться пленка хемосорбированного вещества, то молекулы смазки могут мигрировать в виде плотного монослоя поверх этой пленки с достаточно большой скоростью и обеспечивают смазочный эффект в среднем диапазоне скоростей. 5. Посредством диффузии. Проникновение атомов, молекул или ионов СОЖ в контактные зоны возможно непосредственно через слой стружки. Для этого имеются все условия, преимущественно в зоне пластической деформации, где существуют некоторые пустоты (плотность металла в стружке меньше плотности исходного материала заготовки минимум на 2 ... 3 %).
Проникающее действие улучшается при уменьшении размеров атомов и молекул дисперсионной фазы СОЖ, ее вязкости, при повышении смачиваемости, скорости и направленности, а также при наложении на объекты контактирования при резании колебаний. На наш взгляд, при глубоком сверлении маломерных отверстий в заготовках следует особое внимание уделять усилению проникающего действия СОЖ. При этом основными механизмами проникновения СОЖ следует считать вибрационное воздействие и каппилярный эффект.
При глубоком сверлении СОЖ должны оказывать особенно интенсивное смазочное, охлаждающее, моющее, режущее, пластифицирующее действия и обладать высокими проникающими свойствами, реализация которых в процессе обработки зависит в основном от способа их подачи в зону обработки.
Современные СОЖ, как известно, изготавливаются из дорогостоящих и дефицитных компонентов. Использование таких СОЖ в технологических процессах механообработки значительно увеличивает себестоимость изготавливаемых деталей, что негативно сказывается на экономическом потенциале предприятия - изготовителя [132]. В этой связи наиболее актуальной становится проблема поиска такой техники применения СОЖ, которая обеспечивала бы при максимальной производительности обработки минимальный ее расход. Применяемые способы подвода СОЖ перечислены в табл. 2 и представлены на рис, 5.
Методика экспериментальной оценки проникающей способности СОЖ при глубоком сверлении маломерных отверстий
Исследование проникающей способности СОЖ в зону глубокого сверления {D — 4 мм, L — 50 мм) проводили на оригинальной установке (рис. 17), на заготовках из стали 40Х с наложением на инструмент и СОЖ синусоидальных и модулированных по частоте и амплитуде УЗК, что существенно увеличивает диапазон размеров паровоздушных пузырьков в жидкости, способных кавитир овать. Для оценки проникающей способности СОЖ был разработан специальный метод, позволяющий оценить объем СОЖ, поступившей в зону резания при различной глубине обрабатываемого отверстия. При этом в плоской заготовке 2 и прозрачных накладках из оргстек ла 3 (рис. 17) перпендикулярно оси обрабатываемого отверстия заранее (до обработки) были просверлены отверстия ("капилляры") малого ( 0,5 мм) диаметра. Прозрачные накладки 3 с двух сторон были приклеены к заготовке 2.
При сверлении глубокого отверстия спиральными сверлами из стали Р18 (ТУ2-03 5-600-77) диаметром 4 мм в момент перерезания поперечных отверстий диаметром 0,5 мм СОЖ, проникшая на глубину расположения данных отверстий, начинает их заполнять. По длине заполненного жидкостью отверстия в прозрачных накладках можно было качественно оценивать расход и давление (с использованием образцовых микроманометров) СОЖ, поступившей в зону резания на данной глубине. В качестве СОЖ использовали 3 % - ный водный раствор концентрата Синхо-2М (ТУ 381011060-86), которую подавали к зоне резания при однофакторных экспериментах с расходом 3 дм3/мин через штатное сопло поливом и через специальное устройство с наложением УЗК одновременно на сверло и СОЖ. Устройство для наложения УЗК на струю СОЖ представлено на рис. 18. В конструкции нового устройства [81] предложено возбуждать УЗК (в том числе модулированные по амплитуде и частоте) непосредственно в насадке (волноводе) для направления жидкостного потока к зоне сверления (см. рис. 18). При этом, для того чтобы УЗК, возбуждаемые в сопле, наиболее полно передавались СОЖ, конструкция обеспечивает максимальную амплитуду колебаний сопла-волновода 1. Этот новый способ подачи СОЖ универсален и нетребует каких-либо существенных изменений в технологической оснастке. Однако, при такой технике подачи СОЖ энергия акустического поля порождает непосредственно в зоне контакта инструмента с заготовкой УЗК небольшой мощности и амплитуды, что уменьшает полезный кавитационный эффект. Поэтому были предприняты попытки передачи колебаний непосредственно на режущий инструмент.
В отличие от ранее известных методов наложения УЗК вдоль оси вращающегося осевого инструмента [60], связанных с существенной модернизацией технологического оборудования и необходимостью использования УЗ-генераторов достаточно большой мощности, предложено накладывать УЗК на сверло в радиальном направлении через направляющую втулку - волновод [80] (рис. 19). При этом УЗК возбуждается непосредственно в зазоре между сверлом и заготовкой, а активация СОЖ, подаваемой к зоне резания через штатное сопло станка поливом, происходит по всем контактным зонам вследствие колебаний сверла. Учитывая, что размер волновода рассчитан с учетом возбуждения максимальной амплитуды непосредственно в центре кондукторной втулки (на оси спирального маломерного сверла), наиболее активная кавитация СОЖ (образование большого числа кавитационных пузырьков) будет происходить на
Другим вариантом использования энергии акустического поля является одновременное наложение УЗК в радиально-осевом направлении на инструмент и на СОЖ перед зоной обработки [82] (рис. 20). Для этого «волновод — кондукторная втулка», расположенный под острым углом к инструменту, имеет центральное отверстие для подвода СОЖ, сообщающееся с отверстием в кондукторной втулке для направления сверла. В результате УЗК возбуждаются в СОЖ перед зоной резания при прохождении ее по каналу на волноводе и непосредственно в зоне резания от колеблющегося сверла. Это еще более увеличивает интенсивность кавитации в СОЖ. Расчет длины волновода и описание работы данного устройства приведены в приложении 1.
Как упоминалось ранее (см. п. 2.1.2), для каждой частоты УЗК существует верхний предел размеров газовых пузырьков, являющихся зародышами кавитации: в процессе кавитации участвуют лишь те пузырьки, размер которых меньше резонансных [27].
Чтобы обеспечить кавитацию пузырьков, имеющих различные начальные размеры, путем расширения как спектра частот колебаний, так и диапазона амплитуд звукового давления, применяли ам-плитудно- или частотно-модулированные УЗК. По нашему мнению, использование частотно-модулированных УЗК позволит также уменьшить коэффициент трения инструмента о заготовку и стружку. В связи с этим перспективно использование одновременного амплитудно-частотного модулирования УЗК. Для этой цели использовали разработанный в Ульяновском государственном техническом университете УЗ генератор Техма-ЗМ [39]. Параметры и форма УЗ-сигнала, подаваемого на волновод с генератора Техма-ЗМ, представлены в табл. 8 и рис. 21 соответственно.
Для проведения исследований использовали экспериментальную установку, смонтированную на базе настольно-сверлильного станка НС-12 (рис. 22).С целью бесступенчатого изменения скорости подачи сверла был разработан и смонтирован на станке электромеханический привод от двигателя постоянного тока. СОЖ в зону обработки подавали по шлангу из ванны-отстойника электрической помпой. Измерение
Методика экспериментального исследования теплосиловой напряженности глубокого сверления маломерных отверстий
Для измерения температуры была разработана экспериментальная установка, представленная на рис. 34. Оценка температуры производится методом многократно перерезаемой полуискусственной термопары.
Установка состоит из составной заготовки 3, в плоскость разъема которой на различной глубине закладывается перерезаемая проволока — термоэлектрод 2, для чего на одной из частей заготовки прорезаются канавки глубиной на 10 % меньше диаметра термоэлектродов. Изоляция термоэлектрода производится с помощью пластинок слюды. Части заготовки соединяются друг с другом при помощи винтов 4. Таким образом, проволока оказывается защемленной по всей длине. Благодаря этому, при сверлении отверстии по плоскости разъема заготовки, происходит перерезание термоэлектрода и замыкание с заготовкой. В месте контакта проволоки, заготовки и режущего инструмента (в момент перерезания) возникает термо-ЭДС, которая фиксируется и преобразуется в цифровую форму аналого-цифровым преобразователем 5, а затем передается для записи и обработки на ПЭВМ.
Исследование силовой напряженности процессов обработки резьбовых отверстий проводили на установке, описанной в главе 2 и показанной на рис. 22 с помощью универсального динамометра УДМ —100.
Специфика глубокого сверления заключается в повышенной (по сравнению с обычным сверлением) теплосиловой напряженности процесса, что существенно снижает период стойкости режущего инструмента и иногда приводит к его поломке. Эти факторы значительно снижают производительность глубокого сверления.
В главах 1 и 2 было показано, что улучшение проникновения СОЖ в зону обработки является эффективным средством снижения тепловой и силовой напряженности глубокого сверления. Проникновение СОЖ в зону обработки можно увеличить, воздействуя на нее ультразвуковыми колебаниями различной формы.
Измерения крутящего момента и осевой силы при сверлении показали, что они зависят от глубины обрабатываемого отверстия (рис. 35 - 40). Сначала (до глубины 4 — 6D) они постоянны, а затем происходит их резкий рост. Данная зависимость объясняется тем, что при увеличении глубины сверления наступает такой момент, когда стружка перестает свободно выходить из отверстия, вследствие чего увеличиваются силы трения. Также это связано с увеличением площади контакта заготовки с режущей кромкой ленточки сверла.
Наложение на СОЖ УЗК различной формы позволяет уменьшить силовую напряженность процесса глубокого сверления (рис. 35 — 40). Проведенные эксперименты свидетельствуют, что при использовании УЗ-техники подачи СОЖ происходит снижение крутящего момента и осевой силы, причем это начинается с глубины примерно (5 — 1)D (рис. 35 — 40), а наибольший эффект достигается при L/D — 9 - 11. Это говорит о том, что при малой глубине отверстия СОЖ относительно легко попадает в зону резания, с увеличением глубины СОЖ проникает все труднее. Ультразвуковая техника подачи СОЖ несколько увеличивает ее проникающую способность, вследствие чего снижаются крутящий момент и осевая сила (по сравнению с подачей СОЖ поливом), при дальнейшем увеличении глуби- ны сверления (свыше 10 - 1Ш) проникающая способность СОЖ начинает снижаться из-за затухания колебаний. Поэтому все приводимые ниже значения крутящего момента и осевой силы на рис. 35 - 40 и в табл. 11 будут соответствовать глубине 10D. Данные об эффективности различных способов подачи СОЖ с применением УЗК различной формы представлены в табл. 11.
Так, наложение УЗК постоянной частоты и амплитуды перед зоной резания (способ 1) обеспечило по сравнению с подачей СОЖ поливом снижение Мф на 7 % (что составляет 0,16 Н-м) при обработке 40Х и на 3 % (0,12 Н-м) при обработке 12Х18Н10Т, снижение Рх на 2 % (22 Н) при обработке 40Х и на 1 % (12 Н) 12Х18Н10Т. Наложение УЗК постоянной амплитуды и частоты на сверло в радиальном направлении (способ 4) снижает Мкр соответственно на 28 % (0,63 Н-м) (40Х) и 14 % (0,68 Н-м) (12Х18Н10Т), Рх снижается на 19 % (210 Н) (40Х) и 5 % (61 Н) (12Х18Н10Т). При одновременном наложении УЗК на СОЖ и сверло (способ 7) Мкр снижается на 25 % (0,55 Н) (40Х) и 15 % 12Х18Н10Т, Рх соответственно снижается на 18 % (153 Н) при обработке 40Х и 5 % (55 Н) при обработке 12Х18Н10Т. б) Рис. 35. Зависимость крутящего момента М (а), осевой силы (б) от глубины L, диаметра D и формы УЗК при сверлении отверстий в заготовках из стали 40Х: с наложением УЗК на СОЖ, подаваемую поливом перед зоной резания: 1, 2, 3, 4 - соответственно без УЗК, с УЗК традиционно синусоидальной формы, с амплитудной модуляцией УЗК, с частотной модуляцией УЗК. Сверло: Р18, D = 4 мм. Режим сверления: =17,5 м/мин, S = 0,03 мм/об, Q = 4 дм3/мин силы (рис. 35 - 40 и табл. 11). Это объясняется тем, что интенсифицируется процесс кавитации за счет вовлечения в этот процесс большего количества пузырьков и усиливает поникающие и охлаждающие свойствасож.
Так, наложение амплитудно-модулированных УЗК перед зоной резания (способ 2) обеспечило, по сравнению с подачей СОЖ поливом, снижение Мф на 9 % при обработке 40Х и на 4,5 % при обработке 12Х18Н10Т, падение Рх на 3 % при обработке 40Х и на 1,7 % при обработке І2Х18Ш0Т. При наложении амплитудно-модулированных УЗК на сверло (способ 6) Мф снижается (по сравнению с подачей СОЖ поливом) соответственно на 37 % (40Х) и 18 % (12Х18Ш0Т), Рх снижается на 20 % (40Х) и 6 % (12Х18Н10Т). При одновременном наложении амплитудно-модулированных УЗК на СОЖ и сверло (способ 9) Мкр снижается на 38 % (40Х) и 19 % (12Х18Н10Т), Рх соответственно снижается на 19 % и 6,1 %.
Методика исследования технологической эффективности и точности глубокого сверления маломерных отверстий
Точность обработанных отверстий (отверстия глухие) оценивали по величине увода сверла F, мм, и разбивке отверстий AR.
Для оценки увода сверла проводили измерение координат оси входной и выходной части отверстия. У обработанных заготовок (рис. 51) срезали нижнюю необработанную часть Я, затем измеряли координаты оси отверстия относительно баз заготовки и вычисляли координату увода сверлагде Хь Х2, Х3, Х4 и Yh Y2, Y3, Y4 - соответственно размеры от образующей начала и конца отверстия до баз поХк 7 (рис. 53).
За критерий оценки технологической эффективности принимали период стойкости.Разбивку отверстий AR измеряли на часовом проекторе ЧП. Для этого из заготовки с просверленными отверстиями (на глубинах О, 10, 20, ЗО, 40, 50 мм) вырезали перпендикулярно оси сверления на электроэрозионном станке нитевидным электродом тонкие пластинки толщиной 0,5 мм, которые затем сканировали на часовом проекторе. По увеличенному изображению определяли максимальный диаметр Dmax отверстия на исследуемой глубине сверления и вычисляли его разбивку:
Период стойкости инструмента тс определяли по времени его работы до предельного износа. Последний находили путем прямых измерений по передней и задней поверхностям и ленточки (максимально допустимый износ, в соответствии с рекомендациями [105], составляет для спирального сверла 0 4- 0,35 мм).
Величины фасок износа измеряли на микроскопе отсчетного типа МПБ-2 с ценой деления 0,05 мм и погрешностью показаний 0,02 мм. Для облегчения измерения применяли приспособление, позволяющее проводить измерение фасок износа перпендикулярно главной режущей кромке и ленточке (рис. 52). Измерение износа сверла проводили после обработки каждого отверстия длиной 50 мм.
Наложение УЗК, как упоминалось ранее, оказывает существенное влияние на силу трения и на процесс пластического деформирования при резании как при нормальной, так и при параллельной ориентации колебательных смещений относительно контактных поверхностей. Естественно, это отражается и на составляющей силы резания Рх и крутящем моменте Мкр, величины которых, как показывают выполненные исследования (табл. 13), начинают особенно интенсивно уменьшаться по сравнению со сверлением без УЗК уже на глубине просверленного отверстия свыше 5D.
Это не может не оказать влияния на увод сверла и разбивку отверстий. Результаты основных экспериментальных исследований по оценке величины увода сверла представлены в табл. 15 и на рис. 53 -56.Рис. 54. Зависимость увода сверла 0 4 мм на глубине отверстия 50 мм от формы УЗК и схемы их наложения при сверлении отверстий в заготовках из стали 40Х: 1, 2, 3, 4 — соответственно без УЗК, с синусоидальными УЗК без модуляции, амплитудная модуляция УЗК, частотная модуляция УЗК; СИ — наложение УЗК на сверло в радиальном направлении; - наложение УЗК на сверло и СОЖ в радиально-осевом направлении. Условия и обозначения см. в подписи к рис. 55
Из анализа данных табл. 15 следует, что наименьшие значения увода сверла зафиксированы при наложении УЗК с частотной модуляцией в радиально-осевом направлении с одновременной подачей СОЖ через волновод и кондукторную втулку. Несколько большие значения величины F наблюдаются при наложении УЗК в радиальном направлении и подаче СОЖ поливом. Существенная разница в результатах наблюдается с увеличением отношения глубины отверстия к его диаметру (рис. 53,54), причем наличие модуляции ощутимо уже при L/D 2.
Наибольшая разбивка отверстий наблюдается, главным образом, в начале сверления (до L/D 7). При этом ощутимо влияние различной формы и направления УЗК (рис. 55, 56). Далее, с увеличением соотношения L/D разбивка отверстий монотонно уменьшается, а влияние формы и направления действия УЗК на сверло нивелируется.
Таким образом, наибольшее влияние форма и направление УЗК оказывают на увод сверла. Использованием модулированных сигналов при воздействии УЗК на вращающееся маломерное сверло мож но уменьшить увод сверла на 25 — 42 % и существенно снизить вероятность его поломки даже при L/D 10.
Выполненные экспериментальные исследования показали, что применение новой УЗ — техники при глубоком сверлении приводит к уменьшению темпа износа сверла, роста сил резания, а также к существенному повышению периода стойкости инструмента, а следовательно, и производительности труда. Так, если при наложении УЗК на СОЖ перед зоной резания при сверлении отверстий в заготовках из стали 40Х после первой минуты сверления Рх и Мкр ниже, чем при традиционной подаче СОЖ поливом соответственно на 2 — 4 % и 4 — 7 %, то к концу 10-й минуты -на5-8%и8-10% (рис. 57). Наложение УЗК без модуляции непосредственно на сверло в радиальном направлении обеспечивает после первой минуты уменьшение Рх и Мкр соответственно на 6 — 10 % и 9 - 12 %, к концу 10-й минуты на 7 - 12 % и 15 - 20 % (рис. 58). Амплитудная модуляция дополнительно уменьшает Рх и М в первом и во втором случае еще на 3 — 7 %, а частотная на 8 — 12 % (рис. 56, 58). Однако наилучшие результаты получены с использованием новой УЗ-техники с наложением УЗК одновременно на СОЖ и сверло в радиаль-но-осевом направлении (рис. 59): по сравнению с традиционной технологией и с подачей СОЖ поливом, крутящий момент Мкр при сверлении отверстий в заготовках из стали 40Х уменьшился в 1,5 — 3 раза, а осевая составляющая силы резания Рх — в 1,4 — 1,9 раза (рис. 59). При сверлении отверстий в заготовках из стали 12Х18Ш0Т с наложением УЗК на СОЖ перед зоной резания в сравнении с обработкой по традиционной технологии использование энергии УЗ — поля оказалось малоэффективным (рис. 60). Однако наложение УЗК на сверло в радиальном (рис. 61) и радиально-осевом направлении (рис. 62) показывает примерно такие же (в некоторых случаях несколько меньшие) результаты как и при сверлении стали 40Х по относительному уменьшению крутящего момента Мкр и силы Рх (рис. 61, 62).
Уменьшение показателей силовой напряженности процесса глубокого сверления маломерных отверстий при использовании новой ульт- развуковой техники убедительно свидетельствует о возможных резервах повышения производительности сверлильных операций за счет сокращения основного (машинного) времени. Другим возможным путем увеличения производительности (за счет сокращения вспомогательного и подготовительно-заключительного времени) является увеличение периода стойкости режущего инструмента.
