Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ существующих способов получения тонких стальных армирующих элементов. цель и задачи исследования
1.1. Области применения стальных армирующих элементов и технологические возможности их получения
1.2. Возможности и перспективы применения метода получения АФЭ точением
1.3. Результаты анализа состояния вопроса. Цель и задачи исследования
2. Исследование особенностей изнашивания режущего инструмента и образования армирующих фиброэлементов в условиях вибрационного точения
Выводы по главе
3. Особенности силового и теплового нагружений инструмента при получении афэ методом вибрационного точения
3.1. Особенности силового нагружения лезвия инструмента при получении АФЭ точением с "отрывными" автоколебаниями инстру- мента
3.2. Особенности теплового нагружения лезвия инструмента при получении АФЭ точением с "отрывными" автоколебаниями инструмента
Выводы по главе
4. Определение рациональных областей частот собственных колебаний режущего инструмента и разработка рекомендаций по выбору соответствующих параметров его конструкции
Выводы по главе
5. Технико-экономические параметры процесса получения АФЭ методом вибрационного точения.
Построение целевой функции оптимизации
Анализ возможных схем получения АФЭ вибрационным точением
Выбор оптимальных параметров процесса получения АФЭ методом вибрационного точения
Выводы по главе
Заключение и общие выводы
Список литературы
Приложения
- Возможности и перспективы применения метода получения АФЭ точением
- Исследование особенностей изнашивания режущего инструмента и образования армирующих фиброэлементов в условиях вибрационного точения
- Особенности теплового нагружения лезвия инструмента при получении АФЭ точением с "отрывными" автоколебаниями инструмента
- Определение рациональных областей частот собственных колебаний режущего инструмента и разработка рекомендаций по выбору соответствующих параметров его конструкции
Введение к работе
При создании композиционных материалов особое внимание уделяется их дисперсному армированию, где в качестве армирующего элемента выступают отрезки относительно коротких волокон из различных материалов. Данное обстоятельство связано со стремлением существенно повысить прочность композитов на растяжение, ударную вязкость и трещиностойкость. Для этого используют различные металлические и неметаллические волокна, номенклатура которых чрезвычайно разнообразна: от весьма дефицитных - карбида и нитрида кремния, бора и углерода, до вполне доступных - полимерных, стеклянных и стальных.
Рассматривая металлические и неметаллические волокна, необходимо отметить, что методы дисперсного армирования предусматривают возможность получения направленной и свободной ориентации волокон в объеме упрочняемого материала. Причем направленная ориентация неметаллических волокон реализуется, главным образом, при использовании нитей, тканых и нетканых сеток, жгутов. Ориентация же стальных волокон осуществляется значительно проще - применением магнитного поля.
Развитие химической промышленности и появление новых высокопрочных полимеров обусловило перспективность их использования в качестве уп-рочнителя. Однако высокая стоимость полимеров, несмотря на возможность получения в ряде случаев уникальных результатов, не позволяет рекомендовать их для массового производства большинства изделий из композитов.
Кроме простоты ориентации в объеме упрочняемого материала, стальные волокна обладают и другими существенными преимуществами. К последним следует отнести относительную дешевизну, высокий модуль упругости, а также их прочную связь с матрицей. Все это определяет широкое применение стальных волокон при дисперсном армировании композиционных материалов.
В настоящее время существует ряд способов получения металлической фибры, в числе которых рубка проволоки с дальнейшим её профилированием, изготовление фибры из отработанных канатов, получение её с помощью фрезерования. Однако все указанные способы достаточно дорогостоящи, не обеспечивают высокой производительности, а в ряде случаев не позволяют получать фибру требуемой формы и размеров. В связи с этим весьма перспективным является новый метод изготовления стальной фибры достаточно малого поперечного сечения из массивной заготовки методом вибрационного точения [50]. Способ основан на точении материала в условиях интенсивных автоколебаний резца, при которых происходит периодический выход лезвия инструмента из контакта с заготовкой. Известно, что вибрации, сопровождающиеся появлением на поверхности резания вибрационного следа, всегда рассматривались как неблагоприятное явление, нарушающее нормальный ход процесса точения, ведущее к недопустимому ухудшению качества обработанной поверхности и интенсивному изнашиванию инструмента. Однако, как показали эксперименты, выполненные ранее при участии автора, выход резца из контакта с заготовкой и специфика профиля получаемого вибрационного следа, обеспечивают возмож- ность использования данного метода для успешного получения армирующих фиброэлементов (АФЭ), что открывает перспективу его промышленной реализации.
Указанные выше недостатки существующих в настоящее время способов получения АФЭ, а также почти полное отсутствие каких-либо научных рекомендаций по изготовлению методом вибрационного точения дешевой металлической фибры требуемого качества при высокой производительности процесса, определяют актуальность данной диссертационной работы.
Научная новизна. В результате выполненных исследований: обоснованы пути интенсификации процесса точения с автоколебаниями, обеспечивающими получение армирующих фиброэлементов требуемых размеров и качества методом вибрационного точения с автоколебаниями; выявлены причины возникновения процесса пакетирования АФЭ; установлены особенности силового и теплового нагружения лезвия инструмента при получении АФЭ методом высокочастотного вибрационного точения; разработана математическая модель процесса высокочастотного вибрационного точения в условиях потери контакта инструмента с заготовкой, позволяющая выбирать конструктивные параметры державки резца, обеспечивающего максимальную производительность получения АФЭ;
Практическая ценность работы заключается в: создании методики и алгоритма выбора геометрических параметров державки инструмента, обеспечивающих максимальную производительность получения заданных по качеству стальных армирующих фиброэлементов методом вибрационного точения; разработке методики и рекомендаций по определению режимов вибрационного точения, обеспечивающих получение требуемого качества АФЭ при высокой производительности процесса.
Реализация работы: АФЭ малого поперечного сечения, полученные методом вибрационного точения, используются государственным унитарным предприятием ЛСК "Радон" при изготовлении контейнеров для хранения радиоактивных отходов.
Изделия из сталефибробетона со специальными АФЭ малого поперечного сечения испытаны и признаны перспективными для применения в горнодобывающей отрасли.
Публикации: По материалам исследований опубликовано 5 работ.
Структура и объем работы: Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, выводов и приложения, изложенных на А-)/ страницах машинописного текста, содержит О / рисунка, Н таблиц, список литературы, состоящий из /У наименований.
Возможности и перспективы применения метода получения АФЭ точением
Метод, основанный на принципе вибрационного точения, позволяет формировать элементы с площадью поперечного сечения от 0,01 до 0,3 мм и длиной от 2 до 40 мм.
Процесс точения обеспечивает эффективность использования режущего инструмента и высокую производительность получения АФЭ, но требует применения надежного способа разделения стружки на отдельные элементы необходимого поперечного сечения. Из имеющихся литературных данных [1,9,41,46] вытекает, что надежное разделение стружки на элементы возможно получить, сообщая инструменту вынужденные колебания с определенной частотой. Однако предварительные исследования, выполненные в лаборатории СПбГТУ, показали, что при использовании для этой цели механических вибраторов невозможно иметь частоты колебаний выше 10 Гц. Кроме того, качественный продукт не удается получить без применения специальных методов автоподстройки фазы колебаний инструмента относительно фазы волны на поверхности резания. Учитывая это, был предложен вариант разделения стружки на отдельные элементы за счет создания интенсивных автоколебаний лезвия инструмента со значительной амплитудой, позволяющей ему выходить из контакта с заготовкой при каждом периоде колебаний [31]. Такой режим работы характеризуется специфической особенностью возникновения, развития и дальнейшего поддержания этих колебаний.
Как известно, при резании металлов могут возникать и существовать автоколебания различной интенсивности. Частоты этих колебаний определяются собственной частотой того или иного элемента системы, а природа их появления описывается разными авторами на основе различных гипотез [15,24,35,36, 57, 60,64]. Обычно автоколебания рассматриваются как неблагоприятное явле ниє, нарушающее нормальный ход процесса, ухудшающее качество обработанной поверхности и приводящее к преждевременному выходу инструмента из строя. Поэтому, традиционно используются различные методы предотвращения возникновения автоколебаний, а также способы активного и пассивного их подавления [60,39,20].
В то же время имеются публикации, в которых отмечается возможность интенсификации процесса обработки за счет введения в зону резания колебаний определенных амплитуды и частоты, обеспечивающих благоприятное изменение механизма стружкообразования [37,51,16] и повышение стойкости инструмента [15,21,26,47].
Для уточнения условий разделения стружки на отдельные регулируемые элементы за счет создания интенсивных автоколебаний инструмента были проведены соответствующие эксперименты [32]. В опытах изменялись параметры системы, способствующие развитию колебательного процесса: жесткость инструмента, ширина и толщина срезаемого слоя, высота расположения режущей кромки инструмента относительно оси вращения заготовки. Полученные данные подтвердили возможность получения автоколебаний режущего лезвия, сопровождающихся выходом его из контакта с заготовкой при каждом периоде колебаний и появлением на обработанной поверхности характерного рисунка, образованного высокой волнистостью. Возможность создания высоких частот (более 2000 Гц) позволяет получать стружку в виде отдельных игл, имеющих хорошую однородность по форме и площади поперечного сечения (рис. 1.3).
Однако уже первые попытки использования автоколебательного процесса для получения АФЭ выявили, что в условиях весьма интенсивных колебаний державка инструмента не обладает достаточной долговечностью и после непродолжительной работы наступает её поломка [28]. Было установлено также, что для устойчивого возбуждения и поддержания интенсивных автоколебаний, при которых каждый период сопровождается потерей контакта инструмента с заготовкой и разделением стружки на отдельные иглообразные элементы, необходимо, чтобы для конкретной конструкции инструмента толщина срезаемого слоя была меньше некоторой критической величины, а определенное соотношение жесткости и прочности резца обеспечивало бы устойчивость процесса колебаний без поломки инструмента. Кроме того, необходимо, чтобы перемещение лезвия инструмента при вибрациях происходило под некоторым углом к поверхности резания, обусловливающее заглубление вершины резца в материал заготовки (рис. 1.4). Следует отметить, что для реальной конструкции инструмента существует оптимальная область изменения этого угла. При меньших его значениях возможно образование непрерывной стружки, а при превышении определенной величины этого угла происходит поломка державки инструмента [18].
Исследование особенностей изнашивания режущего инструмента и образования армирующих фиброэлементов в условиях вибрационного точения
Как указывалось в работе [28], для повышения производительности процесса получения армирующих фиброэлементов методом вибрационного точения необходимо стремиться к повышению частоты колебаний консольной части резца. При этом отмечалось, что резцы следует изготавливать из высокопрочных материалов, обладающих малыми плотностью и модулем упругости, а также стремиться к поиску оптимальных форм консольного участка державки инструмента.
Полученные теоретические и экспериментальные данные позволили создать конструкции державок переменного по высоте поперечного сечения их консольного участка, выполненные из высокопрочного алюминиевого сплава В95 и обеспечивающие частоты собственных колебаний порядка 3000 Гц. Однако производительность данного процесса определяется не только частотой колебаний державки резца, но и стойкостью лезвия инструмента, обусловливающей допустимую скорость резания. При использовании же вышеуказанных резцов данный вопрос оставался невыясненным.
В той же работе отмечалось, что за период стойкости инструмента следует принимать время до начала соединения образующихся элементов в пакеты. Однако не объяснялись причины возникновения процесса пакетирования.
Для выяснения ответов на все вышеперечисленные вопросы необходимо было провести ряд экспериментов, направленных на выявление влияния параметров вибрационного точения на стойкость режущего клина, в число которых входили: - выбор оптимального инструментального материала для лезвия резца; - выбор рациональной геометрии заточки инструмента; - выбор рациональных параметров режима вибрационного точения. Первые попытки проведения экспериментов на токарно-винторезном станке модели 1К62, имеющем достаточно большой диапазон изменения подач, показали, что жесткость узлов такого станка недостаточна, а их относительно малая масса приводит к возможности возникновения низкочастотных колебаний, нарушающих стабильность высокочастотного автоколебательного процесса резания. Поэтому все дальнейшие опыты проводились на токарном станке РТ-595, подвергнутому соответствующей модернизации, которая заключалась в увеличении передаточного отношения коробки подач в 30 раз. Это позволило получить значения продольных подач в диапазоне от 0,03 до 3,5 мм/об при приводе суппорта от ходового винта, что обеспечило более равномерное перемещение инструмента.
В качестве заготовки использовалась круглая поковка диаметром 420 мм из стали 20Х (ГОСТ 1050-74). Измерения размеров фаски и лунки износа инструмента и их фотографирование проводилось на микроскопе МИМ-7 с помощью фотоаппарата ZENIT-ET.
При проведении экспериментов использовался резец с частотой собственных колебаний 1-=2000 Гц, державка которого была выполнена из алюминия (рис. 2.1). Критериями долговечности эксплуатации инструмента в условиях точения с высокочастотными автоколебаниями должны служить не только стойкость режущего клина и возможности значительного количества их переточек, но и способность державки резца выдерживать знакопеременные деформации с частотой 2000 Гц и более в течение длительного времени. Последнее обстоятельство будет рассмотрено в одной из следующих глав, где обосновывается выбор конструкции державки и приведена программа расчета её оптимальной формы.
Выполненные эксперименты выявили, что врезание лезвия инструмента в материал заготовки и выход его из контакта с последней при точении с интенсивными автоколебаниями приводят к изнашиванию как передней, так и задней поверхностей режущего клина (рис. 2.2). Ленточка износа 1П, образующаяся в результате контакта стружки с передней поверхностью резца (рис. 2.4, а), возникает за счет адгезионного взаимодействия материала стружки и инструмента. Причем она развивается сразу по всей ширине пятна контакта стружки с передней поверхностью лезвия, что сопровождается увеличением шероховатости последней (рис. 2.3, а, б). Это, естественно, приводит к увеличению общей площади адгезионного схватывания и росту силы трения при контакте стружки с передней поверхностью.
Особенности теплового нагружения лезвия инструмента при получении АФЭ точением с "отрывными" автоколебаниями инструмента
Как известно [55,56], при непрерывном точении теплота в процессе резания образуется в результате внутреннего трения, возникающего при пластической деформации в зоне резания, трения стружки о переднюю поверхность резца и трения поверхности резания о заднюю поверхность инструмента. Теплотой диспергирования обычно пренебрегают. При этом A.M. Вульф [8] указывает на то, что, пренебрегая работой трения по задним граням инструмента (которая мала при достаточно острой режущей кромке и большом заднем угле), можно полагать, что подавляющее количество теплоты должно сосредоточиться в стружке. Опыты Н.Н. Саввина [61], Я.Г. Усачева [69], С.С. Можаева [49], а также данные Т.Н. Лоладзе [44] и А.Н. Резникова [55], показали, что в зависимости от скорости резания, глубины резания и подачи при обработке конструкционной стали в стружке содержится до 80% всей теплоты резания, а при скоростных режимах свыше 90%. В условиях же получения АФЭ вибрационным точением, как отмечалось ранее, врезание лезвия резца в материал заготовки осуществляется таким образом, что скорость их друг относительно друга в направлении оси Z близка к нулю. Поэтому, происходящее смятие материала заготовки задней поверхностью не оказывает, по-видимому, существенного влияния на температуру резания. На передней поверхности лезвия, в процессе его врезания и выхода из контакта с заготовкой, происходит постепенное накопление обрабатываемого материала, сопровождаемое незначительным его скольжением по передней поверхности инструмента, которое также не может существенно воздействовать на температуру резания. При движении же лезвия инструмента навстречу вектору скорости вращения заготовки, в процессе которого происходит отделение стружки от заготовки, скольжение её по передней поверхности инструмента будет влиять на указанную выше температуру. В то же время контакт задней поверхности лезвия о поверхность резания в силу достаточно большого заднего угла весьма мал, и влиянием этого источника можно пренебречь. Следовательно, основным источником теплообразования остается внутреннее трение, возникающее в процессе образования стружки.
Расчет температуры резания в процессе получения АФЭ проводился по методике А.Н. Резникова [55,56]. Рассматривая метод получения АФЭ вибрационным точением, как процесс прерывистого резания, следует отметить, что последний состоит из периодически повторяющихся рабочего хода, во время которого инструмент нагревается, и холостого, во время которого в режущий клин теплота не поступает. Для случая работы острым инструментом, когда теплообменом по задней поверхности можно пренебречь, и учитывая вышеизложенное, использовалась следующая формула для определения средней температуры контактной поверхности инструмента 0 к концу его рабочего хода:
Выполненные для различных периодов времени тр (необходимо учитывать при нестационарности процесса), при оптимальных скоростях вращения заготовки 160-170 м/мин, расчеты показали, что температура резания в процессе получения АФЭ методом вибрационного точения, не превышает 250С. При скоростях вращения заготовки порядка 220-230 м/мин температура резания повышается до 500С.
Для подтверждения правильности результатов расчетов были проведены соответствующие эксперименты. Опыты выполнялись с применением метода естественной термопары и с использованием данных Т.Н.Лоладзе [45], интерполяция которых позволила построить тарировочные кривые для термопары "сталь 20Х - твердый сплав Т30К4". Полученные экспериментальные значения температур резания для скоростей вращения заготовки 167 м/мин и 230 м/мин соответственно, находились в пределах 250-270С и 450-500С, что с удовлетворительной точностью подтверждает приведенные выше расчетные данные.
Как известно, прочность твердого сплава зависит от температуры и, в частности, от температуры резания, возникающей при контакте инструмента с заготовкой. Применительно к сплавам Т5К10 и Т15К6, в работе [8] указывается то, что их усталостная прочность при нагреве до температуры 200С повышается, а с дальнейшим ростом температуры значительно падает. Полагая, что изменение предела выносливости твердого сплава Т30К4 в зависимости от температуры имеет тот же характер, можно построить соответствующую зависимость, представленную на рис. 3.18. Исходя из того, что температура в зоне резания в процессе получения АФЭ вибрационным точением находится в пределах 200-500С, можно ожидать, что предел выносливости твердого сплава Т30К4 в данном случае не ниже предела выносливости, соответствующего температуре 20С.
Определение рациональных областей частот собственных колебаний режущего инструмента и разработка рекомендаций по выбору соответствующих параметров его конструкции
Изложенные ранее результаты теоретических и экспериментальных исследований показывают, что оптимизация процесса получения АФЭ требуемых размеров вибрационным точением должна производиться во взаимосвязи с конструктивными параметрами инструмента и технологическими режимами обработки. Поэтому особый интерес представляет задача выбора оптимальных форм консольного участка резца в сочетании со свойствами материала его державки, рациональный выбор которых может существенно повысить производительность изготовления АФЭ. Для реализации поставленной задачи было необходимо разработать оптимизационную модель, позволяющую осуществить выбор параметров процесса и конструкции державки режущего инструмента, обеспечивающих максимальную производительность получения АФЭ точением с "отрывными" автоколебаниями.
Величины F3Ji и 1Эд задаются в соответствии с требуемыми условиями на получаемый продукт, а значения Sup связаны с ними. Поэтому, как вытекает из формулы (4.1), для повышения производительности изготовление АФЭ необходимо стремиться к увеличению частоты колебаний резца. При этом поиск оптимальных параметров процесса, а также материала и формы державки инструмента для высокопроизводительного получения АФЭ заданных параметров, должен проводиться на базе анализа целевой функции производительности с учетом ряда ограничений.
Помимо этого, при выборе физико-механических свойств материала тела инструмента необходимо учитывать тот факт, что резец в процессе получения АФЭ вибрационным точением испытывает высокочастотные циклические на-гружения, в результате которых может произойти усталостное разрушение его державки. Следовательно, в качестве допускаемых напряжений следует принимать во внимание такую более низкую прочностную характеристику материала, как предел его выносливости на изгиб .
При расчете прочностных характеристик державки следует учитывать и то, что на прогиб резца влияют не только силы, необходимые на срез элемента с поверхности заготовки, но и динамические нагрузки, возникающие в процессе колебаний инструмента. Причем в тот момент, когда его лезвие выходит из контакта с заготовкой, динамические силы могут превышать силы, возникающие в процессе резания, что может привести к поломке резца.
Исследования, выполненные ранее для резцов постоянного поперечного сечения [28], показали, что на частоту их собственных колебаний наибольшее влияние оказывают геометрические параметры державки (размеры её поперечного сечения и вылет), а также физико-механические свойства её материала. К числу последних относятся плотность материала резца, модуль упругости и прочность.
Однако ранее не рассматривалась возможность повышения частоты собственных колебаний державки резца посредством изготовления её с переменным поперечным сечением с целью создания конструкции режущего инструмента, обеспечивающего максимальную производительность процесса вибрационного точения.
В этой конструкции следует стремиться к тому, чтобы наибольшие нормальные напряжения во всех сечениях были одинаковы. Этому соответствует балка равного сопротивления изгибу. Теоретически, такая конструкция державки резца обеспечивает наибольшее облегчение его консольной части. Однако технологически она является несколько сложной при изготовлении. Поэтому более перспективен резец с консольной частью в виде клина по высоте или ширине. Причем расчеты, выполненные для клиновых державок резцов и последующий анализ полученных данных показали, что клин с постоянной шириной и переменной высотой (рис. 4.1, 4.2) имеет частоту собственных колебаний в 1,2-1,3 раза меньше, чем клин той же массы, но с переменной шириной и постоянной высотой (рис. 4.3, 4.4), что говорит о целесообразности применения последнего. Однако, как указывалось ранее, конструкция державок резцов должна обеспечивать не только их максимальную собственную частоту, но и определенный прогиб, что необходимо для получения АФЭ с заданной площадью поперечного сечения. Расчеты же прогибов вышеуказанных балок показали, что балки с постоянной высотой имеют прогиб в 1,5-1.6 меньше, чем балки с постоянной шириной. Увеличение же их прогиба посредством уменьшения высоты сечения державки, приводит к недопустимому снижению частоты собственных колебаний. Исходя из этого, в процессе дальнейших исследований использовались резцы с постоянной шириной и переменной высотой державок.
