Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературных данных и постановка задач исследования 7
1.1. Анализ существующих методов повышения обрабатываемости сталей и сплавов и повышения износостойкости инструмента 7
1.2. Анализ метода обработки деталей резанием с предварительным пластическим деформированием 13
1.3. Постановка задач исследования 16
Глава 2. Методика проведения исследования 18
2.1. Экспериментальная установка. 18
2.2. Инструментальные и обрабатываемые материалы 19
2.3. Методика применения опережающего пластического деформирования 23
2.4. Методика исследования контактных процессов при резании 25
Глава 3. Исследование закономерностей пластического деформирования сталей и сплавов 40
3.1. Исследование деформированного состояния поверхностного слоя детали 40
3.2. Определение режимов предварительного пластического деформирования 66
3.3. Выводы 70
Глава 4. Особенности процесса резания сталей с предварительным пластическим деформированием . ...71
4.1. Особенности процесса резания сталей перлитного класса с предварительным пластическим деформированием 71
4.2. Особенности процесса резания сталей аустенитного класса с предварительным пластическим деформированием 98
4.3. Выводы 118
Глава 5. Исследование закономерностей износа инструмента и формирования микропрофиля обработанной поверхности при резании с предварительным пластическим деформированием 119
5.1. Факторы, влияющие на износостойкость инструмента 119
5.2. Закономерности износа инструмента при резании с Предварительным пластическим деформированием 123
5.3. Формирование микропрофиля обработанной поверхности с предварительным пластическим деформированием 140
5.3. Практические рекомендации по использованию рациональных режимов предварительного пластического деформирования с целью повышения износостойкости режущего инструмента и снижению шероховатости обработанной поверхности 150
5.4. Выводы 153
Выводы по работе 155
Список использованной литературы 156
- Анализ метода обработки деталей резанием с предварительным пластическим деформированием
- Методика применения опережающего пластического деформирования
- Определение режимов предварительного пластического деформирования
- Особенности процесса резания сталей аустенитного класса с предварительным пластическим деформированием
Введение к работе
Повышение требований к эксплуатационной стойкости и надежности деталей машин вызывает необходимость появления новых конструкционных материалов, что, в свою очередь, требует и совершенствования методов их получения, создания и разработки методов повышения эффективности процессов механической обработки, интенсификации процесса резания, повышения стойкости инструмента, производительности производства и качества поверхности обрабатываемых деталей.
Так, вопросами повышения эффективности процесса резания и неразрывно с ним связанной проблемой исследования механизмов и закономерностей контактного взаимодействия инструмента и обрабатываемого материала занимались такие ученые, как Зорев Н. Н., Бобров В. Ф., Резников А. Н., Подураев В. Н, Камалов В. С, Талантов Н. В. и многие другие.
В настоящее время существует значительное количество методик и способов совершенствования операций механической обработки и ее оптимизации, направленных на решение этой задачи.
Необходимость усовершенствования эффективности процессов механической обработки, повышения качества поверхности и точности выпускаемых деталей требует создания новых и совершенствования существующих технологических методов. При этом особое внимание придается методам чистовой обработки, которые наряду с высокой производительностью должны обладать технологической простотой и универсальностью.
Кроме того, современные технологические приемы должны иметь под собой четкую научную и практическую базу, что позволило бы максимально надежно и эффективно использовать возможности механических производств.
В данной работе исследуется способ повышения обрабатываемости сталей аустенитного и перлитного классов путем использования предварительного пластического деформирования при получистовом и чистовом точении.
5 Данный метод позволяет повысить производительность и качество поверхности обработанных деталей при получистовом и чистовом точении сталей перлитного и аустенитного классов. Способ обладает высокой технологичностью, простотой и универсальностью, что делает возможным его эффективное использование в условиях современного производства.
Цель работы - повышение износостойкости режущего инструмента и качества обработанной поверхности сталей перлитного и аустенитного классов путем использования предварительного пластического деформирования обрабатываемой поверхности.
Для решения данной цели были поставлены следующие задачи:
Выяснение характера контактного взаимодействия при резании сталей перлитного и аустенитного классов с предварительным пластическим деформированием.
Анализ процесса стружкообразования при различных параметрах предварительного пластического деформирования.
Исследование особенностей износа инструмента при резании с предварительным пластическим деформированием. * 4. Исследование формирования микропрофиля обрабатываемой поверхности при резании с предварительным пластическим і деформированием.
5. Разработка рекомендаций по использованию рациональных режимов обработки при резании сталей перлитного и аустенитного классов с предварительным пластическим деформированием.
Все исследования проводились на твердых сплавах групп ВК и ТК. В качестве обрабатываемых материалов применялись углеродистые стали » перлитного класса и жаропрочные нержавеющие стали аустенитного класса.
Исследования, представленные в работе, являются частью проблемы ^ "Исследование физических основ процесса резания и повышение эффективности механической обработки", разрабатываемой на кафедре "Технология машиностроения" Волгоградского государственного технического университета.
Анализ метода обработки деталей резанием с предварительным пластическим деформированием
В связи с появлением новых материалов, а также необходимостью повышения производительности механической обработки встает вопрос о повышении эффективности обрабатываемости сталей и снижении износа инструмента. Под улучшением обрабатываемости понимают снижение интенсивности изнашивания инструмента в диапазоне режимов обработки, применяемых на современных предприятиях; уменьшение сил, действующих при резании; повышение качества поверхностного слоя. Снижение интенсивности изнашивания позволяет повысить режимы резания, что приводит к повышению производительности обработки, а также увеличить стойкость инструмента, что приводит к экономии инструментального материала.
Вопросами повышения эффективности процесса резания и неразрывно с ним связанной проблемой исследования механизмов и закономерностей контактного взаимодействия инструмента и обрабатываемого материала занимались такие ученые, как Зорев Н. Н., Бобров В. Ф,, Резников А. Н., Подураев В. Н, Камалов В. С, Старков В. К., Лоладзе Т. Н., Кабалдин Ю. Г., Талантов Н. В. и многие другие.
Так, в работах Н. В. Зорева рассматривается взаимосвязь характеристик процесса резания и их влияние процесс механической обработки. В работах А. Н. Резникова рассматриваются аспекты тепловых явлений, протекающих в процессе резания. Работы В. Ф. Боброва, В. Н. Макарова и Кабалдина Ю. Г. посвящены рациональному выбору режимов обработки, материала и геометрии режущего инструмента и описанию закономерностей процесса резания. Вопросом повышения обрабатываемости сталей путем подогрева обрабатываемого материала занимались Подураев В. Н, Талантов Н. В., Лоладзе Т. Н. Исследованиями процесса резания с использованием ультразвука и вибраций занимались Сатель Э. А., Камалов В. С, Марков А. И. и другие. Большой вклад в вопрос исследования процесса резания и повышения обрабатываемости сталей внес Талантов Н. В. Под его руководством были проведены исследования механизма контактного взаимодействия, повышения обрабатываемости сталей путем использования резцов с покрытиями, подогрева обрабатываемого материала, введения в зону резания тока высокой частоты и многие другие. К традиционным методам снижения интенсивности изнашивания инструмента можно отнести следующие: 1. - создание новых износостойких инструментальных материалов и правильный выбор марки инструментального материала для тех или иных условий резания [10, 45, 57]; 2. - назначение оптимальной геометрии режущей части инструмента [23, 45]; 3. - назначение оптимальных режимов резания [13, 48, 59, 64]; 4. - создание новых смазочно-охлаждающих технологических сред (СОТС), правильный их выбор и оптимальный метод подвода в зону резания. За достаточно большой период применения механической обработки по этим направлениям проведено значительное количество исследований, результаты которых внедрены на машиностроительных предприятиях России [64,105]. Имеются и другие пути снижения интенсивности изнашивания инструмента: а) изменение структурного состояния обрабатываемого металла путем термической обработки [105]; б) введение при плавке или разливке различных химических элементов или соединений [15]; в) обработка металлов в нагретом состоянии [52, 105]; г) обработка металла после предварительного пластического деформирования [64]. Обрабатываемость сталей также можно улучшить путем введения в зону резания различных энергетических полей: ультразвуковых колебаний [62, 66, 84], электромагнитных полей высокой напряженности [51], лазерного воздействия [64, 66], постоянного электрического тока различной величины [64,66,105,106]. Традиционные пути повышения обрабатываемости и снижения изнашиваемости инструмента широко используются в промышленности, но требуют в современных условиях новых путей и методов. В мировой практике давно накоплен значительный опыт улучшения обрабатываемости сталей путем введения в них различных химических элементов и соединений. Так, в стали могут вводиться сера, свинец, селен, теллур, кальций и др. [15, 105]. За счет введения серы [15] можно увеличить стойкость твердосплавных резцов до 5 раз. Содержание серы может достигать 0,35 %. Этот эффект увеличивается с повышением скорости резания. Значительно улучшает обрабатываемость внедрение в сталь селена (Se) и теллура (Те). Однако наибольший эффект повышения обрабатываемости сталей достигается путем изменения морфологии неметаллических включений, путем добавления при плавке и литье силикокальция SiCa [15]. Улучшение обрабатываемости стали путем введения в ее состав при плавке SiCa в решающей степени связано со значительным увеличением содержания в ней сульфидов и оксисульфидов. Как правило, это сульфиды кальция, а также оксисульфиды в виде зерен оксида кальция, "одетого в рубашку", состоящую из комплексных сульфидов кальция и марганца. Причем количество и размер неметаллических включений определяется химическим составом стали, технологией ее производства и количества вводимых SiCa и S. Для более интенсивного формирования сульфидов и оксисульфидов, улучшающих обрабатываемость стали, содержание серы в стали увеличивают до 0,06-0,09 %. Сульфиды и оксисульфиды в стали имеют глобулярный вид и расположены не по границам зерен в виде цепочек или колоний, а в объеме перлитных и ферритных зерен с равномерным распределением по объему в целом. Неметаллическая фаза представлена мелкими комплексными сульфидами, расположенными в основном в ферритной составляющей. Оксидная фаза встречается реже.
Методика применения опережающего пластического деформирования
При механической обработке пластичных материалов отделению материала срезаемого слоя от основной массы заготовки предшествует весьма интенсивное его пластическое деформирование [38, 41, 43]. Поэтому процесс резания такого рода материалов рассматривается как процесс локализованной пластической деформации, доводимой по определенным поверхностям до разрушения. Следовательно, в этом случае основная доля работы резания расходуется на пластическое деформирование снимаемого металла. Учитывая это, многие применяемые в настоящее время способы совершенствования процесса резания, построены, в значительной мере, на снижении работы, затрачиваемой на пластическую деформацию [38, 98], либо за счет непосредственного воздействия на зону стружкообразования поверхностно-активных жидкостей [64, 100, 105], косвенного воздействия на физико-механические характеристики срезаемого материала, например, путем применения предварительной термической обработки [64, 66, 105].
Решение этой задачи может быть обеспечено использованием предварительного пластического деформирования [66]. Таким образом, эффект метода предварительного пластического деформирования заключается в следующем: к моменту начала воздействия режущего инструмента на материал срезаемого слоя часть работы, затрачиваемой на пластическое деформирование в процессе стружкообразования при обычном резании, уже предварительно выполнена накатным устройством. Следовательно, при резании с предварительным пластическим деформированием режущим инструментом совершается не вся работа, а только ее часть. Это приводит к снижению силы резания, температуры и, как следствие, повышению стойкости инструмента и производительности обработки [66]. На чистовых операциях, выполняемых абразивным инструментом, опережающее пластическое деформирование под действием силы Р используется прежде всего как средство улучшения качества поверхности. Для достижения обоих эффектов — повышения стойкости и класса чистоты при протягивании, например, впереди режущих зубьев выполняют выглаживающие зубья; они производят опережающее пластическое деформирование по обрабатываемой поверхности [66]. Впервые применение предварительного пластического деформирования при резании предложено В. Н. Подураевым в 1971 г. [66]. Однако до настоящего времени механизм этого процесса изучен недостаточно полно. В настоящей работе выполнены исследования по изучению закономерностей взаимодействия обрабатываемого и инструментального материалов с использованием предварительного пластического деформирования при обработке сталей перлитного и аустенитного классов. Сущность указанного способа обработки резанием состоит в совмещении двух операций: предварительного пластического деформирования и резания и может осуществляться по одной из двух схем: 1. предварительное пластическое деформирование обрабатываемой поверхности + резание. 2. предварительное пластическое деформирование поверхности резания + резание. Различие способов заключается в том, что для первой схемы требуются меньшие нагрузки деформирования, однако техническое оснащение в этом случае значительно сложнее. Второй способ требует более простой оснастки, но тогда необходимо учитывать глубину деформированного слоя. В данной работе использовалась вторая схема. Резание с предварительным пластическим деформированием является одним из наиболее технически простых способов улучшения обрабатываемости материалов и снижения износа инструмента, поэтому он и принят в качестве цели настоящих исследований. Так, согласно проведенным исследованиям Подураева В. Н., стойкость инструмента при резании с предварительным пластическим деформированием существенно возрастает. Для стали Х18Н9Т стойкость резца может возрастать до 4,5 - 5 раз, для 50РАСШ до 3,5 - 4 раз, для 40ХСШ до 2,5 - 3 раза [66]. Более того, эксплуатационные характеристики деталей, обработанных таким способом, также повышаются. Увеличение предела выносливости таких деталей может достигать величины 65 %. Таким образом, обработка резанием с предварительным пластическим деформированием позволяет совместить повышение обрабатываемости материалов и износостойкости инструмента с процессом улучшения эксплуатационных характеристик изготовляемой детали. Последнее обусловлено увеличением твердости и прочности поверхностного слоя вследствие наклепа металла и формированием остаточных сжимающих напряжений. Тем не менее, влияние предварительного пластического деформирования на процесс резания сталей в настоящее время изучен не достаточно. Так, в частности, не понятно, как и каким образом, первоначальная деформация влияет на износ инструмента и качество обработанной поверхности при получистовой и чистовой обработке. Кроме того, также мало изучены особенности контактного взаимодействия в зоне резания при обработке с предварительным пластическим деформированием. Для практического применения метода необходимы также и обоснованные практические рекомендации по его применению, которые бы имели под собой практическую и теоретическую базу.
Определение режимов предварительного пластического деформирования
Для проведения исследований процесса контактного взаимодействия при резании с предварительным пластическим деформированием необходимо спрогнозировать характеристики деформированного материала и рассчитать режимы упрочнения, обеспечивающие требуемые свойства поверхностного слоя материала. Подобный расчет произведен по методике, разработанной профессором Сидякиным Ю. И. [53]. Во-первых, необходимо определить основные механические свойства материала, такие как, тт - предел пропорциональности (предел текучести для остаточной деформации),; т02 - условный предел текучести; &в - временное сопротивление разрыву (предел прочности) материала; Se - максимальная степень физического упрочнения; SK сопротивление разрыву; ц/в - относительное равномерное сужение.
По величине у/в рассчитывают предельную равномерную деформацию єр. Предельная равномерная деформация является одной из механических характеристик материала и определяется как по истинной диаграмме растяжения, так и по результатам обычных стандартных испытаний образцов на растяжение: Величина ер имеет физический смысл критической интенсивности деформации не только при одноосном растяжении, но также при других, включая и весьма сложные способы деформирования, реализуемых, в частности, в процессе обкатки деталей шариками и роликами. Приближенные, но достаточно точные значения ер можно находить и при отсутствии результатов испытаний на растяжение, если знать пластическую твердость HD (контактный модуль упрочнения) материала по зависимости [53]: где HD берется в МПа. Кроме того, можно использовать и выражение, в котором уе определяют либо по эмпирической зависимости, содержащей только стандартные характеристики механических свойств материалов, либо по приближенной формуле: где ё5 - величина относительного продольного удлинения пятикратного образца. Для стали 45 ц/в = 1,056. При выборе рациональной глубины наклепа zs следует учитывать, что реальный ощутимый эффект от предварительного пластического деформирования будет иметь место при величине наклепа, большей глубины резания г. Иначе говоря, если мы собираемся назначить глубину резания t = 0,5 мм, то zs должен быть больше этого значения примерно вдвое. Диаметр шарика DUI рекомендуется принимать из конструкторских соображений. В нашем случае Ош - 15 мм.
Особенности процесса резания сталей аустенитного класса с предварительным пластическим деформированием
При обработке сталей аустенитного класса твердосплавным инструментом со скоростями, превышающими диапазон существования нароста и пульсирующей зоны [105], полный контакт стружки с передней гранью инструмента по его длине разделяется на пластический и вязкий контакты. Свободная поверхность стружки практически параллельна передней грани инструмента.
При изменении условий резания, которые приводят к повышению интенсивности тепловыделения и снижению интенсивности стока тепла в ходе пластического деформирования, на конечной границе зоны стружкообразования возникают температурные условия, при которых интенсивность температурного разупрочнения начнет опережать интенсивность температурного упрочнения, то будет нарушено термодинамическое равновесие, и зона стружкообразования начнет поворачиваться в сторону увеличения угла сдвига р. Процесс поворота зоны стружкообразования приводит, во-первых, к уменьшению "действительной скорости резания" - скорости перемещения набегающих объемов металла относительно поворачивающейся зоны стружкообразования; во-вторых, к уменьшению скорости сдвига, определяемой для подвижной зоны стружкообразования по формуле:
Результатом этого является снижение скорости деформации в пределах толщины зоны стружкообразования, снижение интенсивности тепловыделения и, следовательно, снижение температуры на конечной границе поворачивающейся зоны стружкообразования. При этом скорость поворота изменяется по определенному закону, обеспечивающему на конечной границе зоны стружкообразования такую температуру, при которой устанавливается равенство интенсивности деформационного упрочнения и температурного разупрочнения.
Завершится процесс поворота при таком угле сдвига, когда, в связи с уменьшением скорости сдвига, а, следовательно, с уменьшением интенсивности тепловыделения, температура на конечной границе уже неподвижной зоны стружкообразования будет иметь такие значения, при которых устанавливается равенство интенсивности деформационного упрочнения и температурного разупрочнения. Это те условия, при которых уменьшение скорости сдвига за счет уменьшения угла сдвига исключает необходимость поворота зоны стружкообразования для уменьшения "действительной скорости резания". При определенных температурно-деформационных условиях величина угла сдвига достигает предельно возможного значения Д=%, так как известно, что при Р п/л деформация сдвига заменяется сжатием [105]. Описанный поворот зоны стружкообразования является первой фазой процесса стружкообразования. При обработке аустенитных сталей процесс формирования циклических стружек наблюдается весьма наглядно (рис. 4.13).
При достижении угла сдвига, близкого по абсолютной величине %, начинается вторая фаза образования циклических стружек - фаза сжатия.
В течение этой фазы в связи со снижением температуры в зоне контактных пластических деформаций и ростом сопротивления пластическому деформированию на участке упрочнения этой зоны направление линий действия максимальных касательных напряжений разворачивается в сторону уменьшения угла /?, а величина напряжений, действующих по этому направлению, растет.
Однако сдвиг в период этой фазы не завершается. И только тогда, когда при определенном значении угла сдвига непрерывно возрастающие по величине касательные напряжения достигнут значения предела текучести, зарождается фаза деформации сдвига следующего цикла.
Существование описанного выше неустойчивого процесса стружкообразования подтверждается следующими экспериментальными данными: колебаниями угла сдвига, замеренного на микрошлифах корней стружек, полученных в различные моменты цикла; существованием на стружке участков с ярко выраженной текстурой, сформированных в период второй фазы; изменением по длине стружки микротвердости в соответствии с этими участками (падение микротвердости на участке, сформированном в период фазы сдвига), и изменением уровня микротвердости на участке упрочнения зоны контактных пластических деформаций в течение полного цикла (рост в период фазы сжатия); колебанием сил и температур резания. Причиной появления циклических стружек является низкая теплопроводность обрабатываемой стали.
Анализ микрошлифов корней стружек (рис.4.13) и измерение микротвердости подтверждают протекание описанного цикла. В период первой фазы структура стружки имеет ярко выраженный характер сдвигового деформирования. Микротвердость этой части стружки существенно выше. Во время второй фазы - фазы сжатия, происходит незначительная деформация зерен стали под воздействием сжимающих напряжений. Микротвердостиь этих объемов незначительно превышает микротвердость исходного материала.
Похожие диссертации на Повышение эффективности процесса резания сталей перлитного и аустенитного класса путем использования предварительного пластического деформирования
