Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса 12
1.1. Служебное назначение и техническая характеристика гайки прижима 12
1.2. Анализ эффективности принятой технологии обработки гайки прижима 18
1.3. Выбор перспективного способа чистовой низкоскоростной обработки гайки прижима 20
1.4. Цель и задачи исследований 37
Выводы 38
2. Методика и условия проведения экспериментальных исследований 39
2.1. Общая методика исследований 39
2.2. Технологическое обеспечение экспериментальных исследований
2.3. Методика испытаний и измерений 43
2.4. Методика планирования и обработки результатов экспериментальных исследований 46
Выводы 50
3. Теоретическое исследование процессов, сопровождающих низкоскоростное точение крупногабаритных деталей МО из алюминиевых бронз широкими резцами 51
3.1. Стружкодробление при низкоскоростном точении алюминиевых бронз широкими резцами 51
3.2. Теоретический анализ закономерностей формирования следов дробления при низкоскоростном точении крупногабаритных деталей из алюминиевых бронз широкими резцами 73
3.3. Теоретический анализ закономерностей формирования шероховатости обработанной поверхности при низкоскоростном точении крупногабаритных деталей из алюминиевых бронз широкими резцами 85
3.4 Обобщение результатов теоретического исследования процесса низкоскоростного точения крупногабаритных деталей из алюминиевых бронз широкими резцами 94
Выводы 101
4. Экспериментальное исследование процессов, сопровождающих низкоскоростное точение гайки прижима из алюминиевых бронз широкими резцами 103
4.1. Экспериментальное исследование стружкодробления при низкоскоростном точении алюминиевых бронз широкими резцами. 103
4.2. Экспериментальное исследование закономерностей формирования следов дробления при низкоскоростном точении гайки прижима из алюминиевых бронз широкими резцами 109
4.3. Экспериментальное исследование закономерностей формирования шероховатости обработанной поверхности при низкоскоростном точении гайки прижима из алюминиевых бронз широкими резцами 114
4.4. Экспериментальное исследование закономерностей формирования погрешности формы обработанной поверхности при низкоскоростном точении гайки прижима из алюминиевых бронз широкими резцами 124
Выводы 129
5. Рекомендации промышленности и технико-экономическая эффективность работы 131
5.1. Рекомендации по промышленному применению результатов работы 131
5.2. Экономический эффект разработок 134
Выводы 136
Общие выводы и результаты 137
Библиографический список
- Анализ эффективности принятой технологии обработки гайки прижима
- Технологическое обеспечение экспериментальных исследований
- Теоретический анализ закономерностей формирования следов дробления при низкоскоростном точении крупногабаритных деталей из алюминиевых бронз широкими резцами
- Экспериментальное исследование закономерностей формирования следов дробления при низкоскоростном точении гайки прижима из алюминиевых бронз широкими резцами
Введение к работе
Актуальность темы. Крупногабаритные детали, изготовленные из бронз, широко применяются во многих отраслях промышленности, в том числе, в металлургии. За исключением подшипников скольжения, они, как правило, изготавливаются из алюминиевых бронз, что обусловлено их относительно низкой стоимостью и приемлемой износостойкостью. Учитывая большие размеры деталей металлургического оборудования (МО), а также необходимость периодической замены быстроизнашивающихся бронзовых деталей, для них необходима высокопроизводительная обработка. Одной из деталей МО, которая объединяет отмеченные требования, является гайка редуктора прижима электропушки доменной печи.
Электропушка является важнейшим механизмом литейного двора доменной печи, ответственным за выпуск чугуна. Для ее перемещения в главный желоб, наклона, прижатия ее носка к летке и выдавливания леточной массы используется редуктор прижима, в котором преобразование вращения вала главного электродвигателя электропушки в поступательное перемещение захвата, заводимого в скобу на кожухе доменной печи, осуществляется с помощью передачи типа винт - гайка. Гайка прижима (гайка редуктора прижима электропушки доменной печи) является быстроизнашивающейся деталью и для снижения коэффициента трения изготавливается из различных видов бронз (в частности, алюминиевых). Ее остаточный ресурс лимитируется износом внутренней трапецеидальной резьбы. При значительном износе резьба срезается, в результате чего нельзя заполнить летку леточной массой и прекратить выпуск чугуна — возникает авария, устранение последствий которой связано со значительными затратами. Для предотвращения данной ситуации необходима частая замена гайки прижима.
Учитывая значительные габариты гайки прижима (0 300 х 1000 при массе заготовки ~ 260 кг), перед специалистами ремонтных цехов остро стоит задача ее высокопроизводительной обработки. В настоящее время в ремонтных
6 цехах металлургических предприятий для достижения требуемой точности и качества обработанной поверхности применяют точение призматическими резцами со вспомогательным углом в плане. Однако повышение производительности точения гайки прижима в этом случае затруднено. В первую очередь, требования техники безопасности не допускают применения высоких скоростей резания для крупных деталей, а большие габариты станков обуславливают их тихоходность. Повышение производительности за счет увеличения подачи сдерживается увеличением шероховатости обработанной поверхности. Образующаяся непрерывная стружка является потенциальным источником травматизма, препятствует механизации процессов ее уборки, транспортировки и дальнейшей переработки.
Повысить производительность обработки за счет увеличения подачи позволяют широкие резцы (резцы с зачистной кромкой). Относительная дешевизна данного инструмента, высокая жесткость применяемых в ремонтных цехах станков позволяет в полной мере реализовать их возможности.
Однако различие геометрических параметров главной режущей и зачистной кромок резцов разных производителей (Sandvik Coromant, Dijet и др.) для одинаковых условий эксплуатации свидетельствует об отсутствии единого взгляда на процесс их назначения, в результате чего выбор необходимого инструмента представляет собой сложную задачу.
Фрагментарность знаний закономерностей образования и дробления стружки при наличии зачистной кромки сдерживает создание научно-обоснованных методик расчета геометрических параметров широкого резца и выбора режимов резания.
Кроме того, техническая информация по эксплуатации широких резцов, в большинстве случаев, носит рекомендательный характер. В результате, для конкретных условий обработки необходимо экспериментальное определение рациональных режимов резания. Задача их поиска осложняется тем, что широкие резцы склонны к вибрациям, приводящим к следам дробления на обработанной поверхности. Подобные случаи на производстве приводят не
только к снижению качества готовой продукции, но и в отдельных случаях — к браку.
Следовательно, повышение эффективности точения крупногабаритных деталей металлургического оборудования из бронз является актуальным.
Работа выполнялась в соответствии с научным направлением «Технологическое и инструментальное обеспечение производительности и качества обработки крупногабаритных цилиндрических деталей» кафедры технологии машиностроения Липецкого государственного технического университета (ЛГТУ) в рамках тематического плана научно — исследовательских работ, проводимых Федеральным агентством по образованию в 2008 г., и направлением «Технологическое и инструментальное обеспечение качества деталей машин» Орловского государственного технического университета (ОрелГТУ).
Целью работы является повышение эффективности низкоскоростного точения широкими резцами крупногабаритных деталей МО из алюминиевых бронз на примере гайки прижима.
Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:
1. Разработать на примере гайки прижима метод
высокопроизводительной низкоскоростной механической обработки
крупногабаритных деталей МО из алюминиевых бронз.
2. На основе теоретического анализа разработать модель, позволяющую
определять границы благоприятного дробления стружки алюминиевых бронз с
учетом формирования ее необходимой длины.
Выявить наиболее значимые параметры состояния стружки алюминиевых бронз, определяющие ее склонность к дроблению на низких скоростях резания.
Исследовать влияние технологических факторов механической обработки и геометрических параметров широкого резца на стружкодробление при низкоскоростном точении алюминиевых бронз.
Выявить причины возникновения следов дробления на поверхности гайки прижима при ее низкоскоростной обработке широкими резцами.
Разработать теоретическую методику расчета и выявить область технологических факторов низкоскоростного точения широким резцом и его геометрических параметров, при которых следы дробления на поверхности гайки прижима отсутствуют.
Разработать теоретическую методику прогнозирования шероховатости поверхности при низкоскоростном точении гайки прижима широкими резцами.
8. Исследовать влияние технологических факторов низкоскоростного
точения широким резцом и его геометрических параметров на шероховатость и
погрешность формы гайки прижима.
9. Разработать на примере гайки прижима технологические рекомендации
по выбору рациональных режимов низкоскоростного точения
крупногабаритных деталей МО из алюминиевых бронз широким резцом и его
геометрических параметров и оценить технико - экономическую
эффективность их внедрения.
10. Провести апробацию работы в производственных условиях.
Методы исследований.
Результаты работы получены на основе фундаментальных положений технологии машиностроения и теории резания, теории колебаний, теории планирования эксперимента и статистической обработки данных. В экспериментальных исследованиях использовалось современное станочное и измерительное оборудование и вычислительная техника.
На защиту выносятся:
1. Модель дробления стружки, учитывающая влияние угла скалывания, определенного с учетом глубины впадины на свободной поверхности стружки, на размеры элемента суставчатой стружки, и позволяющая определять границы благоприятного стружкодробления с учетом формирования ее необходимой длины.
Теоретическая методика расчета критерия стабильности, зависящего от соотношения радиальной и нормальной составляющих силы резания, и позволяющая выявлять область технологических факторов низкоскоростного точения широким резцом и его геометрических параметров, при которых следы дробления на поверхности алюминиевых бронз отсутствуют.
Теоретическая методика прогнозирования шероховатости поверхности при низкоскоростной обработке алюминиевых бронз широкими резцами, учитывающая зависимость радиальной и нормальной составляющих силы резания от угла скалывания, определенного с учетом глубины впадины на свободной поверхности стружки.
4. Результаты исследований по выявлению взаимной связи между
технологическими факторами низкоскоростного точения, геометрическими
параметрами широкого резца и показателями эффективности процесса точения.
Научная новизна работы.
1. Выявлены закономерности процесса низкоскоростного точения
алюминиевых бронз широкими резцами:
установлен вид связи между длиной зачистной кромки широкого резца, углом скалывания с учетом размеров впадины на свободной поверхности стружки, с одной стороны, и длиной и толщиной стружки, силами резания — с другой стороны.
определен критерий стабильности процесса низкоскоростного точения алюминиевых бронз широкими резцами, зависящий от соотношения радиальной и нормальной составляющих силы резания.
- разработана методика назначения рациональных геометрических
параметров главной режущей кромки широкого резца, которые для
низкоскоростного точения алюминиевых бронз составляют: у = 5; а = 5;
k=5;cp = 45.
2. Разработана методика прогнозирования погрешности формы и
шероховатости поверхности в зависимости от технологических режимов
низкоскоростного точения широкими резцами. Выявлена область
рациональных технологических режимов низкоскоростного точения алюминиевых бронз широкими резцами (t = 0,5 мм; V = 45...70 м/мин; S = 0,2...0,3 мм/об; L3a4/S = 2), обеспечивающих повышение производительности точения на 40%, снижение технологической себестоимости операции на 25% при достижении требуемого качества обработанной поверхности.
Практическая ценность.
На примере гайки прижима разработаны рекомендации по назначению рациональных технологических факторов низкоскоростного точения крупногабаритных деталей МО из алюминиевых бронз широким резцом и его геометрических параметров.
Апробация работы.
Основные положения и результаты работы докладывались на международной научно-технической конференции «Прогрессивные технологии и оборудование в машиностроении и металлургии», посвященной 50-летию Липецкого государственного технического университета (г. Липецк, 2006), а также на внутривузовских научных конференциях профессорско-преподавательского состава (г. Липецк, 2005-2008 г., г. Орел, 2007-2008 г.).
Реализация результатов работы.
Результаты работы апробированы и внедрены на ООО ПФК «Воронежский станкозавод - Холдинг» (г. Воронеж), приняты к внедрению на ОАО «Новолипецкий металлургический комбинат» (г.Липецк), а также использованы в учебном процессе для студентов специальности 151001 «Технология машиностроения».
Публикации.
По теме диссертационной работы опубликовано 10 работ, 4 из которых -в центральной печати, в том числе получен патент Российской Федерации на изобретение № 2321476 (МІЖ В23В 27/00, В24В 39/04).
11 Личный вклад в работах: [1] — установлено влияние геометрических параметров суставчатой стружки на ее склонность к дроблению; [2] -предложена методика расчета частоты изменения возмущающей силы резания при низкоскоростной токарной обработке алюминиевых бронз; [3] -установлено влияние геометрических параметров широкого резца на шероховатость обработанной поверхности деталей из алюминиевых бронз; [4] — установлено влияние режимов резания на размеры площадки контакта стружки алюминиевых бронз с передней поверхностью резца; [5] — установлено влияние геометрических параметров широкого резца и режимов резания на эффективность токарной обработки алюминиевых бронз; [6] - предложена терминология для описания геометрических параметров стружки, образующейся при использовании широких резцов; [7] - разработана теоретическая методика расчета параметров шероховатости обработанной поверхности деталей из алюминиевых бронз, учитывающая геометрические параметры стружки; [8] — установлено влияние режимов резания на геометрические параметры стружки при использовании широких резцов; [9] -разработана теоретическая методика назначения геометрических параметров широкого резца для улучшения стружко дробления; [10] - выявлены закономерности процесса низкоскоростного точения алюминиевых бронз широкими резцами, в том числе установлен вид связи между длиной зачистной кромки широкого резца, углом скалывания с учетом размеров впадины на свободной поверхности стружки с одной стороны, и длиной и толщиной стружки — с другой стороны.
Структура и объем диссертации:
Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, общих выводов и результатов, библиографического списка из 174 наименований, приложений. Работа изложена на 155 страницах и содержит 100 рисунков и 8 таблиц.
Анализ эффективности принятой технологии обработки гайки прижима
Технологический процесс механической обработки гайки прижима включает операции предварительного и чистового точения, сверления, растачивания и нарезания резьбы, а также фрезерования пазов (рис. 1.5, Приложение 2). Продолжительность изготовления одной детали составляет 54 часа. В год для четырех доменных печей полезным объемом V = 3200 м необходимо изготавливать 36 гаек прижима. Учитывая 8-часовой рабочий график, общая продолжительность изготовления данной партии деталей составляет более одного года. Как следствие, гайки прижима эксплуатируются без соблюдения необходимых сроков их замены, что сопровождается увеличением числа их выходов из строя и свидетельствует о необходимости повышения производительности их обработки.
Третья часть общей продолжительности механической обработки гайки прижима (порядка 19 часов) приходится на ее чистовую токарную обработку по наружному диаметру, для чего используются призматические резцы со следующими геометрическими параметрами: передний угол у = 0, задний угол а = 7, главный угол в плане ср = 45, вспомогательный угол в плане cpi = 20, угол наклона главной режущей кромки Л, = — 3 [10, 18, 42, 132].
Однако повышение производительности токарной обработки при использовании такого инструмента затруднено. В первую очередь, требования техники безопасности не допускают применения высоких скоростей резания для крупных деталей [63, 67], что связано с особенностями их закрепления на станке. Кроме того, большие габариты применяемых станков обуславливают их тихоходность [68, 83, 149] (см. пункт 2.2. Технологическое обеспечение экспериментальных исследований).
Повышение производительности путем увеличения подачи сдерживается увеличением шероховатости обработанной поверхности [16, 23, 35, 53] (рис. 1.6; эксперименты проводились на оборудовании, описанном в пункте 2.2. Технологическое обеспечение экспериментальных исследований). В результате, для достижения ее заданных значений необходимо применять отделочные способы обработки, что соответствующим образом отражается на себестоимости готовой продукции [1, 65].
Кроме того, сливная стружка (рис. 1.7), образующаяся при точении алюминиевых бронз, является потенциальным источником травматизма, препятствует механизации процессов ее уборки, транспортировки и переработки [38, 50, 84, 142]. Данные работы [4] свидетельствует, что оптимальной с точки зрения снижения затрат на переработку стружки является ее длина, равная 20...50 мм. При большей длине (в экспериментах она достигала 200 мм) необходимо дополнительное механическое дробление стружки, что увеличивает себестоимость выплавляемого металла. Таким образом, учитывая низкую производительность точения гайки прижима по принятой технологии, а также трудности ее повышения, можно констатировать низкую эффективность процесса ее механической обработки в целом. В этом случае необходимо применять способ, удовлетворяющий предъявляемым требованиям производительности, качества и точности.
Снизить шероховатость обработанной поверхности позволяют абразивные способы обработки, в частности, полирование. Однако оно производится вручную, отличается большой трудоемкостью, низкой производительностью и вредными условиями труда вследствие наличия абразивной пыли. Как известно, медные сплавы обладают высокой пластичностью (Приложение 1), поэтому процесс полирования сопровождается шаржированием поверхности детали абразивными частицами. Результатом является возникновение многочисленных концентраторов напряжений и получение микротопографии поверхности аналогичной рисунку, образованному естественно зародившимися усталостными трещинами, что увеличивает интенсивность износа рабочей поверхности детали в процессе эксплуатации.
Кроме того, применение полирования взамен точения свидетельствует о необходимости введения в технологический процесс изготовления гайки прижима дополнительной операции, что в условиях ремонтного производства приводит к усложнению технологии, а, следовательно, нежелательно.
Наряду с отмеченным, при полировании существует реальная возможность захвата частей тела и одежды станочника вращающейся деталью, что обязывает отказаться от использования такого способа обработки. Поэтому на ряде предприятий полирование крупногабаритных деталей запрещено руководящими документами.
Вопросы усложнения технологического процесса изготовления детали из-за введения дополнительных операций, а также увеличения затрат на ее изготовление вследствие приобретения дополнительной оснастки, в полной мере относятся и к методам снижения шероховатости с применением поверхностно-пластического деформирования. Кроме того, отказ от данного способа также вызван отсутствием требований к глубине залегания и величине остаточных напряжений и упрочнению поверхностного слоя детали.
Таким образом, подходящим методом чистовой низкоскоростной обработки гайки прижима является точение.
Повысить производительность обработки крупных тел вращения позволяет точение несколькими резцами [34, 126]. Однако при закреплении резцов в одном суппорте радиальные составляющие силы резания суммируются, в результате чего погрешности обработки возрастают. Для их снижения токарные станки укомплектовываются двумя суппортами [77, 101, 142], что свидетельствует о необходимости модернизации имеющихся в ремонтных цехах станков.
В последнее время4 широкое применение получили способы точения с наложением вибраций [9, 86, 102, 125]. Колебания силы резания с высокой частотой позволяют получать неизменное положение инструмента относительно детали [86, 125], в результате чего повышается точность и качество обработанной поверхности. Достоинством данного способа обработки является также улучшение стружкодробления [9]. Однако при колебаниях вершины резца направление равнодействующей силы резания периодически изменяется, что вызывает увеличение интенсивности его износа, а при определенных частотах и амплитудах колебаний на его режущем клине возникают выкрашивания [9, 86]. Существенным недостатком такого способа механической обработки является как необходимость закупки дорогостоящего оборудования, при которой не используются имеющиеся в ремонтных цехах крупногабаритные станки, так и усложнение технологии.
Снизить время обработки больших тел вращения позволяет ротационное точение [39, 73, 125, 131, 164]. Однако интенсивные вибрации, трудности с использованием твердых сплавов для изготовления ротационных резцов, их дороговизна и сложность эксплуатации ограничивают области применения данного способа обработки серийным и крупносерийным производством [42, 43, 72, 138].
Наряду с отмеченным, при выборе способа чистовой низкоскоростной токарной обработки гайки прижима необходимо учитывать особенности ремонтного производства металлургических предприятий.
Технологическое обеспечение экспериментальных исследований
Для проведения экспериментальных исследований были выбраны токарно-винторезный станок мод. 165-5 производства Рязанского станкостроительного завода (рис. 2.2) и токарный станок мод. 1А650 производства Краматорского завода тяжелого машиностроения (рис. 2.3), краткая техническая характеристика которых приведена в табл. 2. Станок мод. 1А650 оснащен бесступенчатым регулятором числа оборотов шпинделя на базе электродвигателя постоянного тока и тиристорного преобразователя; измерение скорости резания осуществляется тахометром часового типа.
Указанные станки являются низкоскоростными. Частота вращения шпинделя станка мод. 165-5 ограничена 500 об/мин. Согласно рекомендациями завода-изготовителя, при обработке деталей с наружным диаметром 300 мм и длиной 1000 мм, ее значения не должны превышать 300 об/мин. Учитывая обработку крупногабаритных деталей МО с использованием неподвижных люнетов, частота вращения шпинделя ограничивается 150 об/мин, что не позволяет достичь скорости резания свыше 140 м/мин. Частота вращения шпинделя токарного станка мод. 1А650 конструктивно ограничена 20 м/мин. Максимальная скорость резания в этом случае составляет порядка 20 м/мин.
Техническое состояние применяемых станков соответствует требованиям завода-изготовителя и ГОСТа 18097-93 «Станки токарно-винторезные и токарные. Основные размеры. Нормы точности».
Обрабатываемые материалы: алюминиевые бронзы БрАЖ9-4 и БрАЖМцЮ-3-1,5, допускающие точение без смазочного материала, отказ от которого также вызван необходимостью его закупки, очистки, сепарации. Кроме того, образующаяся при обработке хрупких материалов мелкая сыпучая стружка спекается с охлаждающей средой и попадает на направляющие станка, что существенно интенсифицирует их износ.
Из [6, 33, 53, 61, 66, 109 - 111, 138] известно, что для обработки резанием цветных металлов рекомендуется применение режущих пластин твердого сплава: для чернового, получернового и получистового точения — пластины марок ВК4, ВК6, ВК8, ТТ8К6.
Класс точности станка Н Н Исходя из обеспеченности металлургических предприятий, в качестве марок режущих частей резцов для проведения экспериментальных исследований были выбраны: ВК8 и Т15К6 (рекомендованная в [111]). Использовали резцы токарные чистовые широкие ГОСТ 18881-73 со следующими геометрическими параметрами: у = 0; 5; 10 (изменение передних углов на главной режущей и зачистной кромках производилось совместно),а = 2; 6; 10, ф = 30; 45; 60, X = - 5; 0. Угол наклона зачистной кромки принимался равным 0 для зачистки микронеровностей на поверхности детали.
Износ резца по задней поверхности пзад контролировали на измерительном микроскопе БМИ-Щ. При значениях пзад свыше 0,1 мм резцы перетачивались в трехкоординатном заточном приспособлении.
Вылет резца выбирался экспериментально с учетом конструктивных особенностей станка и обрабатываемой детали; во всех экспериментах принимался одинаковым и равным 35 мм.
Измерение шероховатости и погрешности формы обработанной поверхности проводили на кольцевых образцах (рис. 2.4), изготовленных из гайки прижима (рис. 2.5). При разрезании детали на кольцевые образцы применяли малую скорость резания (0,3 м/с), глубину резания (0,1 мм) и обильное охлаждение, чтобы не вызвать нагрева зоны резания, который может привести к изменению физико-механических свойств поверхностного слоя образца.
Измерение параметров шероховатости в лабораторных условиях проводили на профилографе-профилометре мод. 170311, для чего использовались изготовленные кольцевые образцы. В производственных условиях использовали переносной профилограф-профилометр Perthometer Ml фирмы Mahr. Погрешность оценки параметра шероховатости по Ra составляла не более 10 %. Контроль параметров шероховатости осуществляли как вдоль оси образца, так и перпендикулярно к ней, в соответствии с инструкцией завода-изготовителя по эксплуатации приборов. Контролировались следующие величины: Ra, Rz, Rmax и Sm.
Толщину и ширину стружки измеряли цифровым микрометром фирмы STORM мод. MDM - 2910 с ценой деления 1 мкм.
Глубину впадины на свободной поверхности стружки определяли следующим образом. Сначала фотографировали боковую поверхность стружки с увеличением в 15 раз цифровым фотоаппаратом фирмы Konica - Minolta мод. Dimage Х50. Последующая цифровая обработка полученных фотографий (для увеличения контрастности) позволяла и в дальнейшем увеличивать масштаб изображения без существенного снижения их качества. Зная измеренное значение толщины стружки, и определенное по фотографии (измерение выполнялось в графической программе AutoCad), вычисляли масштаб переноса. Затем, решая обратную задачу для величины h, получали истинное значение глубины впадины с помощью ее значений, определенных по фотографиям. Длину элемента стружки определяли аналогично.
Коэффициент усадки стружки определяли весовым методом. Массу стружки измеряли с помощью весов ВЛР-200, точность измерения 10"5 г.
Следы дробления на поверхности детали контролировали визуально. Все указанные выше измерения проводили для каждого случая по 3 раза. Для измерения погрешности формы в поперечном сечении был использован индикатор STORM С21/М с ценой деления 1 мкм и диапазоном измерения 0-1 мм.
В качестве параметров оптимизации технологического процесса точения, в соответствии с требованиями, предъявляемыми к наружной поверхности гайки прижима, были выбраны шероховатость (параметр Ra, наиболее легко поддающийся измерению) и погрешность формы обработанной поверхности.
При исследовании процесса точения рассматривали следующие технологические параметры: - режимы резания (глубина резания, подача и скорость резания); - геометрические параметры широкого резца (длина зачистной кромки, передний и задний угол на главной режущей и зачистной кромках, главный угол в плане, угол наклона главной режущей и зачистной кромок резца); - материал заготовки; - материал инструмента.
В результате проведенных экспериментальных исследований с различными инструментальными материалами наименьшую шероховатость обработанной поверхности показал ВК8, поэтому дальнейшие эксперименты проводили с его использованием.
Учитывая возможность изготовления гайки прижима из алюминиевых бронз БрАЖ9-4 и БрАЖМц 10-3-1,5, планирование экспериментов проводили для каждого из материалов в отдельности.
Теоретический анализ закономерностей формирования следов дробления при низкоскоростном точении крупногабаритных деталей из алюминиевых бронз широкими резцами
В результате проведенного литературного обзора выявлено, что одной из причин образования следов дробления на поверхности алюминиевых бронз может быть адгезионное взаимодействие обрабатываемого и инструментального материалов, что проявляется в явлении наростообразования. Под наростом понимают клиновидную, более или менее неподвижную область материала обрабатываемой заготовки, расположенную у лезвия инструмента перед его передней поверхностью. При образовании элементной стружки нарост на передней поверхности не удерживается, а уносится стружкой или попадает на обработанную поверхность. Учитывая, что нарост является частью обрабатываемого материала, его срыв может сопровождаться формированием следов дробления. Результаты экспериментальных исследований [42] свидетельствуют, что при наиболее распространенных условиях точения нарост возникает на скоростях резания, при которых температура резания 0 -300 С, и исчезает при значениях скоростей, при которых 0 600 С. С другой стороны, известно [150, 151], что при обработке бронз со скоростями V = 10 м/мин температура резания не превышает 150 С. В результате, образование нароста при таких режимах резания невозможно, однако следы дробления в этом случае значительны.
Кроме того, при глубинах резания и подачах, на которых следы дробления отсутствуют, увеличение скорости резания от 5 до 150 м/мин не сопровождается их возникновением, что свидетельствует либо об отсутствии явления наростообразования, либо об отсутствии взаимной связи между наростом и следами дробления. Вместе с тем, проведенные нами экспериментальные исследования свидетельствуют, что размеры и интенсивность следов дробления в значительной степени обусловлены подачей, которая не оказывает влияние на протекание процесса наростообразования [16, 126]. Таким образом, адгезионное взаимодействие обрабатываемого и инструментального материалов при низкоскоростном точении алюминиевых бронз не является причиной образования следов дробления. Следовательно, к их возникновению приводят возникающие в процессе механической обработки вибрации.
Проведенный анализ литературный данных свидетельствует (рис. 3.21), что учесть влияние причин возникновения вибраций на динамическую неустойчивость технологической системы, приводящей к непостоянству положения зачистной кромки относительно обрабатываемой поверхности, в настоящее время не представляется возможным из-за их большого количества и противоречивости их взаимного действия. Однако при всем своем многообразии нарушения виброустойчивости обладают и некой общностью, поскольку их результатом является смещение инструмента относительно обрабатываемой поверхности [9, 16].
Относительные перемещения детали и инструмента в технологической системе состоят из собственных перемещений детали и инструмента и перемещений элементов зажимного устройства. Последние зависят от люфтов и зазоров в системе, контактной жесткости и деформаций элементов системы, а также от размера и направления приложения силы резания, т.е. податливости технологической системы и нагрузок [9, 105] и, в большинстве случаев, их устранение не представляет больших затруднений.
Следовательно, ненадежным звеном технологической системы является режущий инструмент, измерение мгновенного положения которого относительно заготовки обычно неосуществимо из-за невозможности установки контрольной аппаратуры в зоне резания [20], в связи с чем получение прямой информации об относительных колебаниях инструмента и заготовки затруднено [102, 107].
В качестве косвенной информации может быть использована амплитуда вибраций резца [5, 9, 83, 148], превалирующее влияние на которую оказывают сила резания [16, 123]. Увеличение ее радиальной составляющей вызывает увеличение амплитуды возникающих колебаний, что сопровождается изменением назначенной глубины резания [28], и, соответственно, врезанием зачистной кромки резца в обработанную поверхность. В результате, обработка материалов широкими резцами должна сопровождаться формированием на поверхности стружки различного рода отростков, являющихся результатом врезания зачистной кромки в поверхность детали, что подтверждено экспериментально (рис. 3.22). Однако в процессе анализа экспериментальных данных авторы столкнулись с проблемой описания не только геометрических параметров отростков, которые имеют разную длину и угол отклонения от тела стружки, но и геометрических параметров самой стружки, в качестве характерной особенности которой можно выделить то, что она состоит из прямых участков, расположенных под некоторым углом относительно друг друга. Проведенный анализ литературный данных показал, что какая-либо информация по этому направлению отсутствует, поэтому для описания геометрических параметров стружки была разработана и в дальнейшем использовалась классификация в соответствии с рис. 3.22.
Как свидетельствуют экспериментальные исследования, на поверхности детали, обработанной широким резцом, формируются 2 типа следов дробления (рис. 3.23, Приложение 3). Первый тип характеризуется следами дробления, длина которых соотносится с длиной зачистной кромки (рис. 3.23, а). В этом случае при интенсивных вибрациях зачистной кромки они накладываются друг на друга. Второй представляет собой одиночно расположенные следы дробления (рис. 3.23, б). Заметим, что формирование следов дробления, длина которых меньше длины зачистной кромки, свидетельствует о ее колебаниях в направлении подачи. Этот вывод согласуется с экспериментальными исследованиями процесса стружкообразования, когда отростки на поверхности стружки имеют переменную ширину (рис 3.24). Кроме того, об этом свидетельствует также неравномерность ширины профиля площадки контакта зачистной кромки с обрабатываемой поверхностью (рис. 3.25). Следовательно, формирование следов дробления при обработке алюминиевых бронз широкими резцами обусловлено непостоянством положения зачистной кромки относительно обработанной поверхности вследствие силового фактора.
Экспериментальное исследование закономерностей формирования следов дробления при низкоскоростном точении гайки прижима из алюминиевых бронз широкими резцами
В качестве параметров, характеризующих следы дробления, могут быть приняты их линейные размеры (соответственно глубина, ширина и длина) и интенсивность. Однако, учитывая, что наличие следов дробления на поверхности детали является браком, при анализе качества обработанной поверхности будем лишь констатировать их наличие или отсутствие.
Результаты расчетов по оценке склонности зачистной кромки к врезанию в материал детали с использованием критерия К в рамках проведенного планирования экспериментов представлены в табл. 6. Их сравнение с экспериментальными данными показывает, что расхождения наблюдаются при значениях К 1,2...1,3. Отметим, что в опытах с указанными значениями критерия К следы дробления трудно выделить среди общего рельефа поверхности. В этом случае их размеры незначительны, что не приводит к возникновению брака. Таким образом, результаты прогнозирования следов дробления удовлетворительно согласуются с экспериментальными данными, что позволяет аналитически назначать режимы резания с целью их отсутствия.
Удлинение зачистной кромки во всех интервалах режимов резания уменьшает значение К (табл. 6), что снижает интенсивность и размеры следов дробления (табл. 7, Приложение 3). Однако увеличение Ьзач не позволяет предотвратить образование следов дробления в тех условиях, при которых они образовывались ранее. Поэтому в данном случае удлинять зачистную кромку нецелесообразно.
Увеличение глубины резания t сопровождается повышением склонности зачистной кромки к врезанию в обрабатываемый материал (табл. 7), поэтому на чистовую обработку поверхности необходимо оставлять минимальный припуск.
Влияние скорости резания и подачи на следы дробления представлено на рис. 4.11. Из приведенных графиков видно, что скорость резания, учитывая линейную зависимость между размерами и интенсивностью следов дробления и значениями параметра К, влияет на них лишь в области высоких подач. Однако при назначении подачи, при которой следы дробления образуются, увеличение скорости резания, несмотря на снижение их интенсивности и размеров, не позволяет в целом предотвратить их образование. В свою очередь, увеличение скорости резания позволяет расширить интервал подач, при котором параметр К имеет постоянное значение, т.е. в этом случае интенсивность и размеры следов дробления не изменяются. При назначении подачи, при которых следы дробления отсутствуют, увеличение скорости резания не приводит к их образованию. Исходя из отмеченного, при использовании широких резцов для предотвращения образования следов дробления необходимо регламентировать лишь величину подачи.
Экспериментально установлено, что такое изменение геометрических параметров резца, при котором силы резания снижаются, сопровождается снижением интенсивности следов дробления, либо их отсутствием. В результате, при назначении положительных значений переднего угла, заднего угла больше 5 и главного угла в плане свыше 45 (указанные значения относятся к главной режущей кромке резца.) границы режимов резания, при которых следы дробления формируются, значительно сужаются.
После нахождения рациональных (с точки зрения отсутствия следов дробления) геометрических параметров главной режущей кромки, производили их изменение на зачистной кромке. Изменение ее переднего угла в интервале значений от - 10 до 10 не повлияло на качество обработанной поверхности, что объясняется, в первую очередь, постоянством баланса сил резания на поверхностях главной режущей кромки резца. Снижение заднего угла зачистной кромки до 5 приводит к снижению интенсивности следов дробления, что аналогично влиянию длины зачистной кромки Ьзач- В этих обоих случаях увеличивается площадка контакта задней поверхности зачистной кромки с обрабатываемым материалом, что увеличивает, в первую очередь, нормальную силу резания Q3a4 на ней. Как следствие, снижается вероятность врезания зачистной кромки в обработанную поверхность, а соответственно, и вероятность образования следов дробления. При дальнейшем снижении заднего угла (менее 5) интенсивность следов дробления существенно возрастает.
Разработанная по результатам теоретических исследований методика (рис. 3.34) позволяет прогнозировать наибольшую высоту неровностей профиля в направлении скорости резания и подачи, а таюке средний шаг по вершинам локальных выступов в направлении скорости резания.
Как свидетельствуют эксперименты, преимущественное влияние на средний шаг по вершинам локальных выступов в направлении скорости резания Sm из режимов резания оказывает подача (рис. 4.16 - 4.19, Приложение 4). Исходя из влияния шага Sm на износостойкость обработанной поверхности (увеличение числа пиков на единице площади обработанной поверхности позволяет более равномерно распределить приложенную нагрузку и, тем самым, снизить контактные нагрузки [122]), для ее повышения точение необходимо производить при больших скоростях резания (4.16), а подачу и глубину резания - снижать (рис. 4.17, 4.18). Изменение длины зачистнои кромки не влияет на средний шаг по вершинам локальных выступов Sm (рис. 4.19).
Степень влияния режимов резания и длины зачистнои кромки на высоту микронеровностей по результатам сравнения коэффициентов значимости в уравнениях регрессии приведена на рис. 4.20, анализ которого свидетельствует, что преимущественное влияние на шероховатость оказывает подача, глубина резания, а также длина зачистнои кромки. Кроме того, велико влияние парных взаимодействий режимов резания, что свидетельствует о необходимости изучения процессов, сопровождающих использование широких резцов, с использованием планов экспериментов, позволяющих описать поверхность отклика с помощью полинома второго и более высокого порядков.
