Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса - исследования в области обработки напыленных износостойких покрытий. цель и задачи исследования 9
1.1. Методология повышения эксплуатационных характеристик поверхностей деталей машин путем напыления покрытий 9
1.2. Теория и практика механической обработки напыленных покрытий 17
1.3. Инструмент для токарной обработки покрытий 21
1.4. Пути повышения эффективности обработки напыленных покрытий 28
1.5. Использование технологии сухого электростатического охлаждения для повышения эффективности обработки материалов лезвийным инструментом 30
1.5.1. Результаты исследований технологии СЭО 3 1
1.5.2. Результаты использования технологии СЭО 34
1.5.3. Аппаратура и практические рекомендации для разработки технологических операций с СЭО 35
1.5.4. Анализ теоретических и практических аспектов использования технологии СЭО 37
1.6. Теоретические предпосылки к расчету напряжений в случае лезвийной обработки покрытий 38
1.6.1. Расчет напряжений при точении 38
1.6.2. Зависимости для расчета коэффициента утолщения стружки и угла наклона условной плоскости сдвига при точении 43
1.6.3. Зависимости для расчета напряжений при выглаживании шаром 44
1.7. Выводы. Цель и задачи работы 47
ГЛАВА 2. Разработка методики расчета напряжений при точении заготовок с износостойкими покрытиями 50
2.1. Постановка задачи 50
2.2. Схематизация процесса точения 51
2.3. Расчет напряжений на передней поверхности инструмента 51
2.4. Расчет напряжений на задней поверхности резца 55
2.5. Описание схемы расчета глубины деформированного слоя при точении 59
2.6. Расчет напряжений по глубине деформированного слоя приточении 61
2.7. Оценка достоверности расчета остаточных напряжений при различных режимах резания 66
2.7.1. Исходные данные 66
2.7.2. Влияние подачи на остаточные напряжения 68
2.7.3. Влияние материала заготовки на остаточные напряжения 70
2.7.4. Влияние скорости резания 73
2.7.5. Влияние ширины площадки износа по задней поверхности резца 77
2.8. Выводы 77
ГЛАВА 3 . Экспериментальное исследование процесса точения покрытий эльборовым инструментом 78
3.1. Исследование зависимости сил резания от элементов режима резания при точении молибденового покрытия резцом из эльбора 78
3.1.1. Экспериментальная аппаратура и оборудование 78
3.1.2. Образцы и инструмент 79
3.1.3. Планирование экспериментов 80
3.1.4. Результаты экспериментов 83
Значение коэффициента регрессии 86
3.2. Исследование износа эльборового резца при точении
молибденового покрытия 89
3.2.1. Планирование экспериментов 89
3.2.2. Результаты стойкостных испытаний 91
3.3. Исследование зависимости сил резания от элементов режима резания при точении молибденового покрытия резцом из эльбора с применением СЭО 97
3.3.1. Экспериментальная аппаратура и оборудование 97
3.3.2 Планирование экспериментов 98
3.3.3 Результаты экспериментов 99
3.4. Исследование износа эльборового резца при точении молибденового покрытия с применением СЭО 100
3.5. Анализ результатов экспериментов 108
3.6. Выводы 115
ГЛАВА 4. Практическое применение результатов работы 117
4.1. Повышение эффективности СЭО за счет оптимизации режима работы установки и геометрии сопла 117
4.1.1. Разработка конструкции экспериментальной установки СЭО .117
4.1.2. Исследование электростатических характеристик установки СЭО 118
4.1.3. Исследование динамических характеристик сопла установки СЭО 123
4.1.4. Исследование характеристик воздушного потока установки СЭО 133
4.1.5. Влияние режима работы установки СЭО на изнашивание
резца 138
4.2. Определение рациональных режимов резания при обработке напыленных износостойких покрытий 140
4.3. Выводы , 147
Общие выводы 148
Библиографический список
- Теория и практика механической обработки напыленных покрытий
- Расчет напряжений на передней поверхности инструмента
- Экспериментальная аппаратура и оборудование
- Разработка конструкции экспериментальной установки СЭО
Введение к работе
В современном машиностроении широко используют технологии нанесения износостойких покрытий на рабочие поверхности деталей машин с целью повышения ресурса их работы.
Широкая номенклатура деталей, работающих в условиях повышенных нагрузок, требует применения специальных материалов, обладающих повышенной прочностью, твердостью, износостойкостью и другими свойствами. Так, как материалы с такими, порой взаимоисключающими свойствами, относительно дороги, то напыление специальных покрытий является альтернативой для снижения затрат на изготовление деталей. При этом их основные эксплуатационные характеристики определяются тонким поверхностным слоем покрытия. К таким изделиям следует например, отнести роторы турбокомпрессорного оборудования для перекачки углеводородного сырья, крупногабаритные валы редукторов, детали автомобильной и сельскохозяйственной техники и др.
Напыление износостойких покрытий толщиной свыше 0,1 мм во многом решает проблему повышения срока службы деталей машин, подвергаемых износу. Ремонтная технология позволяет нанести покрытие на изношенный участок детали, исключая тем самым непроизводительные затраты на изготовление новой продукции.
Материалы износостойких напыленных покрытий, как правило, трудно поддаются механической обработке. Во-первых, наличие в них карбидов, боридов или других твердых частиц приводит к интенсивному износу режущих инструментов. Во-вторых, для напыленных поверхностей характерна пониженная прочность пограничной зоны с основным материалом. В случае, когда напряжения в пограничной зоне превышают допустимый уровень, происходит разрушение покрытия (отслоение) при обработке или в процессе эксплуатации изделия. Поэтому в процессе обработки заготовок с напыленными износостойкими покрытиями (НИП) для обеспечении необходимых показателей по производительности обработки и стойкости инструмента необходимо учитывать напряженное состояние поверхностного слоя детали.
На работоспособность деталей с напыленными покрытиями существенное влияние оказывает не только величина, но и знак остаточных напряжений. Так, при остаточных напряжениях растяжения, возникающих, как правило, при абразивной обработке напыленного слоя, снижается усталостная прочность деталей. Перспективным является использование лезвийной обработки, в частности точения, поскольку оно обеспечивает формирование в покрытиях остаточных напряжений сжатия, в итоге повышающих усталостную прочность деталей.
Экспериментальные кривые остаточных напряжений в деталях, обработанных точением, имеют минимум на некоторой глубине от поверхности. Однако известные методики расчета остаточных напряжений при точении дают результат в виде монотонного повышения напряжений с удалением от поверхности и не позволяют описать фактически имеющий место экстремум. При расчете напряжений в обточенных заготовках с НИП, задача аналитического определения положения экстремума на эпюре напряжений носит принципиальный характер. Это связано с тем, что прочностные и эксплуатационные свойства детали зависят от того, в какой из трех основных областей (покрытие, пограничная зона, основа), существенно различающихся по прочности и пластичности, локализован экстремум. Методика расчета остаточных напряжений, позволяющая получить немонотонную зависимость напряжений по глубине, разработана в настоящей работе.
Одним из основных критериев оценки современных процессов механической обработки является их экологическая безопасность. Поэтому актуальны разработки, направленные на исследование и создание перспективных экологически чистых методов механической обработки применительно к обработке резанием НИП. Известно, что основную экологическую нагрузку на окружающую среду при обработке металлов резанием оказывают смазочно-охлаждающие жидкости. Технологии обработки без применения СОЖ (всухую) обработки составляют одно из перспективных направлений в современных науке и практике обработки металлов резанием. Эти технологии основаны на использовании специальных инструментальных материалов способов охлаждения рабочей зоны. Например, технология «сухого» электростатического охлаждения (СЭО), предусматривающая использовании в качестве охлаждающего агента ионизированного и озонированного воздуха, обработанного коронным электрическим разрядом, успешно используется при обработке монолитных материалов и позволяет повысить производительность обработки и стойкость инструмента.
На основании изложенного, тема работы, направленной на повышение эффективности токарной обработки заготовок с износостойкими покрытиями путем аналитического определения уровня остаточных напряжений и применения СЭО, является актуальной.
Работа выполнена в соответствии с Генеральным договором о сотрудничестве между Тольяттинским государственным университетом и ОАО «АВТОВАЗ» №33 на 2001 - 2005 г.г., п. 2.2.5.
Цель работы: Повышение эффективности токарной обработки заготовок с напыленными износостойкими покрытиями.
Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:
1. Разработка методики расчета напряженного состояния при то-
карной обработке заготовок с НИП, позволяющей определить уровень напряжений в пограничной зоне заготовка-покрытие.
Экспериментально подтверждена адекватность аналитических зависимостей для расчета напряженного состояния при токарной обработке заготовок с НИП.
Теоретически и экспериментально исследована эффективность технологии СЭО при обработке заготовок с НИП.
Разработаны практические рекомендации по повышению эффективности токарной обработки заготовок с НИП.
Методы исследований и достоверность результатов.
Перечисленные выше задачи решали путем аналитических, численных и экспериментальных исследований. Использованы научные основы теории резания, газодинамики, математической статистики. Экспериментальные исследования выполнены на оборудовании Тольяттин-ского государственного университета, а также исследовательского центра ОАО «АВТОВАЗ», с применением метрологически аттестованных средств измерений. Достоверность теоретических результатов подтверждается применением современных математических методов и сравнением с результатами экспериментальных исследований, проведенных как автором работы, так и другими исследователями
Научную новизну:
1. Предложена методика расчета остаточных напряжений в
поверхностном слое материала при точении заготовок с НИП,
учитывающая величину износа режущего инструмента.
2. Предложены эмпирические зависимости, описывающие корон
ный разряд в системе коаксиальных электродов игла - сопло при дви
жении через сопло воздушной среды и предназначенных для расчета
величины подаваемого на иглу напряжения, обеспечивающего предпро-
бойное горение коронного разряда в процессе токарной обработки с
СЭО.
Практическая ценность и реализация результатов исследования:
Разработана методика расчета напряжений в заготовке при токарной обработке заготовок с НИП, учитывающая степень износа инструмента.
Разработана методика проектирования технологических операций обработки заготовок с НИП с применением СЭО, позволяющая рассчитать параметры режима обработки, обеспечивающие необходимое повышение производительности с соответствующей корректировкой предельного износа инструмента и периода стойкости.
Результаты работы используются технологическими службами на предприятии ОАО «Волгоцеммаш» при разработке технологических
процессов изготовления деталей тяжелого машиностроения, исследовательским центром ОАО «АВТОВАЗ» при разработке технологических процессов изготовления оснастки для производства деталей перспективных моделей автомобиля и внедрены в учебный процесс на кафедре «Резание, станки и инструмент» Тольяттинского государственного университета
Автор защищает:
Методику аналитического расчета напряжений в пограничной зоне при точении заготовок с НИП.
Эмпирические зависимости для расчета сил резания и износа инструмента при точении молибденового покрытия резцом из сверхтвердого материала без охлаждения и с введением сухого СЭО.
Эмпирические зависимости для определения оптимальных параметров работы установки СЭО при точении заготовок с НИП.
Методику назначения параметров режима резания при точении покрытий с использованием технологии СЭО.
Диссертация состоит из четырех глав.
В первой главе дан обзор результатов теоретических и экспериментальных исследований процессов нанесения и обработки износостойких покрытий, методов расчета остаточных напряжений при точении, рассмотрена технология экологически-чистого «сухого» электростатического охлаждения (СЭО) и перспективы применения СЭО при точении заготовок с покрытиями.
Во второй главе представлена методика расчета остаточных напряжений при токарной обработке заготовок с НИП, позволяющая получить немонотонную зависимость напряжений от глубины.
В третьей главе приведены результаты экспериментов по токарной обработке заготовок с НИП, получены зависимости для расчета составляющих сил резания и ширины площадки износа при точении для двух вариантов токарной обработки напыленного молибденового покрытия — без охлаждения и с применением СЭО.
В четвертой главе представлены результаты исследования параметров режима работы установки СЭО и их влияния на показатели токарной обработки. Приведены практические рекомендации, вытекающие из результатов исследования.
Теория и практика механической обработки напыленных покрытий
При предварительной обработке осуществляется уточнение заготовки, при нанесении покрытия достигнутая точность снижается, а при обработке покрытия обеспечивается уточнение до получения отклонений размеров, заданных чертежом детали. Поскольку в качестве покрытия обычно применяют более дорогие материалы, чем основной, достаточно определить предельные размеры заготовок до и после нанесения покрытий, например, по методикам Ю. А. Харламова [104].
В случае отсутствия каких-либо специальных требований свободную поверхность покрытия можно не подвергать размерной обработке при соблюдении условия бзг+ Зп 8Д. При б +АЗп 5д не нужно осуществлять ни предварительной обработки заготовки, ни размерной обработки нанесенного покрытия.
Технологическая наследственность оказывает большое влияние на формирование качества деталей с покрытием, особенно на образование адгезионных связей, в ряде случаев являющихся определяющими в обеспечении требуемых работоспособности и долговечности. Наличие адсорбированных слоев, окислов и загрязнений на поверхностях заготовок ухудшает или вообще исключает возможность непосредственного контакта материалов покрытия и основы. Микротрещины на поверхности заготовки могут служить сильными концентраторами напряжений в процессе нанесения и эксплуатации покрытий и привести к катастрофическому разрушению детали. Все эти факторы являются определяющими при выборе способа подготовки поверхности под покрытие.
При нанесении многих видов покрытий необходимо учитывать продолжительность выполнения отдельных операций технологических процессов или перерывов между ними, т. к. они влияют на состояние и температуру поверхности, структуру материалов и, следовательно, на качество покрытия. Обрабатываемость покрытий зависит от их материала, структуры, технологических особенностей нанесения, основного материала детали, ее геометрии и других факторов.
Подготовка поверхностей деталей к нанесению покрытий может заключаться в выполнении таких операций, как обезжиривание, очистка и мойка, механическая обработка со снятием или без снятия стружки, струйно-абразивная и другие виды обработки свободными абразивами, электроискровая обработка, химическое травление, очистка тлеющим разрядом, изоляция поверхностей, не подлежащих покрытию, и пр. Показатели качества деталей с покрытиями формируются на всех этапах их изготовления [115]. Носителями наследственной информации являются основной материал детали, материал покрытия, поверхностные слои, прилегающие к поверхности раздела материал — покрытие, а также геометрические параметры детали.
До настоящего времени распространенным видом обработки деталей с покрытиями являлось шлифование. Однако интенсивное термомеханическое воздействие, оказываемое на поверхностный слой при данном виде обработки, приводит к образованию трещин и прижогов [106]. В случае отсутствия явных дефектов, в поверхностном слое могут сформироваться остаточные напряжения растяжения, что снижает эксплуатационные характеристики (усталостную прочность) детали. В. В. Шпановым [103] показано, что для снижения вредного влияния высокой температуры при шлифовании приходится постоянно осуществлять правку круга, что увеличивает расход абразивного инструмента. Часто напыленный слой имеет толщину, на порядок превышающую необходимую. Уменьшение толщины покрытия из-за нестабильности процессов его нанесения, вызывает появление участков с низким качеством покрытия. Поэтому иногда приходится удалять 90...95 % нанесенного материала. Из-за этого, абразивная обработка становится значительно дороже, а в некоторых случаях себестоимость восстановленной детали может даже превысить себестоимость новой.
Более прогрессивным методом обработки напыленных покрытий является обработка инструментом с геометрически определенным лезвием. Вопросы перехода к лезвийной обработке покрытий исследованы С.А. Клименко [44] и Г.А. Иващенко [38]. В частности показано, что для поверхностей, обработанных точением, вполне достижимы требования по точности и шероховатости, характерные для шлифованных поверхностей. [38,44]. Точение, по сравнению с шлифованием, позволяет повысить износостойкость обработанных деталей, поскольку в обработанной поверхности создаются остаточные напряжения сжатия благоприятные, для эксплуатации детали. Ю. Н. Алексеев [9] показал, что износостойкость образцов, обработанных лезвийным инструментом, в 1,5 раза выше, чем обработанных шлифованием. Еще одним преимуществом токарной обработки является улучшение экологичности технологического процесса, поскольку переход от шлифования к точению позволяет проводить обработку без использования СОЖ.
При точении общая термомеханическая нагрузка на поверхность гораздо ниже, чем при шлифовании. Однако, если при шлифовании воздействие инструмента на поверхность распределено по достаточно большому участку поверхности (условно можно предположить, что контакт происходит по линии длиной равной ширине шлифовального круга), то при точении вся нагрузка локализована на гораздо меньшей площади (условно можно предположить контакт по точке — вершине резца). Следовательно, локальные нагрузки при точении гораздо выше, чем при шлифовании.
При обработке напыленных покрытий указанная закономерность выступает в качестве одного из основных сдерживающих факторов, т.к. при пониженной прочности по границе покрытие-основа в случае перехода от шлифования к точению возможно отслоение покрытия. Во многих случаях, из-за особенностей формы детали и ее габаритов, технически сложно использовать шлифовальные станки и абразивный инструмент, например, при обработке напыленных шеек роторов турбокомпресорного оборудования из-за большого перепада между наружным диаметром ротора и диаметром шейки. В силу таких причин технология точения напыленных покрытий имеет ограниченное применение.
Более широкое внедрение точения напыленных покрытий неразрывно связано с необходимостью разработки методов рассчета уровня напряжений, возникающих в системе покрытие — основа. Исходя из предельно допустимых напряжений и прочностных характеристик покрытия, возможно подобрать режим обработки и геометрию инструмента, обеспечивающие высокопроизводительную обработку покрытия без отслоения покрытия от основы.
В настоящее время расчетных схем, как показал анализ литературы, направленных на решение указанной проблемы не разработано. Следующей проблемой, решаемой при переходе от шлифования к точению, является выбор инструментального материала, обеспечивающего наилучшие технико-экономические показатели обработки.
Расчет напряжений на передней поверхности инструмента
Использование приведенных аналитических зависимостей позволяет рассчитать угол наклона плоскости сдвига Ф по формуле (1.20) не прибегая к его экспериментальному определению при расчете напряжений. Часть выражения (1.16), стоящая в круглых скобках, представляет собой значение силы резания R при толщине срезаемого слоя а, соответствующей углу в плане (? = ц тах. Зависимость силы R от толщины срезаемого слоя a = s-sinq max полагается линейной и задается некоторым начальным значением AR и угловым коэффициентом KR. Известно, что аппроксимация указанной зависимости нелинейными формулами обеспечивает лучшее соответствие расчетных и экспериментальных данных в широком диапазоне изменения аргументов, следовательно, большую точность расчетов можно обеспечить, если вместо линейной аппроксимации с использованием коэффициентов использовать нелинейные зависимости, полученные на основании формулы (2.1).
Для описания составляющих силы резания получим: где индекс (0) имеют соответствующие компоненты режима резания и геометрии резца в рассматриваемом случае обработки.
Обозначив нормальную и касательную составляющую силы резания на задней поверхности, рассчитанную по формулам (2.4) и (2.5), как Р2, для равнодействующей сил резания со стороны передней поверхности получим Ri() = i&zM-Р2У+ (VfeM2 -(Py(a )f -Р2) (2.15) Из формулы (1.16) следует, что коэффициент KR представляет собой производную dR,(a) KR = -, а а Продифференцировав выражение (2.15) с учетом (2.13) по а, получим: KR=2 (2.16)
Коэффициент А я в формуле (1.16), представляет собой значение суммарной силы резания со стороны передней поверхности резца, ин 54 терполированное до значения а=0. В соответствие с предлагаемыми расчетными формулами, принимаем AR = 0, что соответствует также и физической сущности процесса резания.
При расчете остаточных напряжений (1.17) и (1.18) используется линейная аппроксимация диаграммы деформирования (рис. 1.12). При этом предлагается брать коэффициент Е угла наклона на участке пластического течения материала равным 0,1 модуля упругости Е материала. Очевидно, что подобный подход приводит к большим погрешностям при использовании расчетного алгоритма для различных материалов, поскольку условие Е =0,1Е выполняется далеко не для всех материалов.
Рассмотрим вариант более корректного линейного описания диаграммы деформирования.
Стандартными прочностными характеристиками материалов, широко представленными в справочной литературе и сертификатах на материалы, являются модуль упругости Е, предел текучести оТ, деформация єТ при замере предела текучести, предел прочности (Гц, деформация П, соответствующая пределу прочности.
Для того, чтобы перейти от графического представления данных при расчете напряженного состояния к аналитическому, представим кривую а(є) в виде двух отрезков: первый - от 0 до предела пропорциональности, второй — от предела пропорциональности до предела прочности: при є з = Ег (2.17) приг г G = Gn-E (sn-e) где Е угловой коэффициент; Ея Єт _аП-КгП єю деформация, соответствующая пределу пропор циональности.
Использование (2.17) в зависимостях (1.17) и (1.18) позволяет повысить точность расчета за счет более корректного линейного описания диаграммы деформирования.
Окончательно глубина пластически деформированного слоя и остаточные деформации при точении рассчитываются в следующем порядке:
Во-первых, задаются исходные данные: - степенные зависимости составляющих силы резания от условий резания, содержащие в качестве одного из аргументов толщину срезае мого слоя а. Режим резания: скорость резания F, глубина резания t, подача s. — геометрические параметры резца: передний угол /, ширина износа по задней поверхности h3, главный угол в плане р, радиус при вершине г. — характеристики материала заготовки: предел текучести материала заготовки аТ, деформация єТ при замере предела текучести, предел прочности сгп, деформация Єп, соответствующая пределу прочности, модуль упругости Е, коэффициент Пуассона ц. Во-вторых, производится расчет сил резания и угла наклона условной плоскости сдвига по формулам (2.2)-(2.12)
Экспериментальная аппаратура и оборудование
Эксперимент проведен на токарно-револьверном полуавтомате с ЧПУ мод. 1П420ПФ40. Регистрация сигнала динамометра УДМ 600 осуществлялась аналого-цифровым преобразователем стенда технической диагностики с частотой 50 Гц с передачей данных на компьютер.
Калибровка динамометра проведена с использованием образцового динамометра ДОСМ 200 раздельно по каждой из трех составляющих сил резания. Нагрузку изменяли от 0 до 2000Н с шагом 200 Н. Время измерения при постоянной нагрузке 1 с.
По результатам измерений рассчитаны величины смещения шкалы и калибровочные коэффициенты для каждой из трех составляющих сил резания. Смещения шкалы рассчитаны по формуле А = Р, (3.1) где Р — среднее значение составляющей силы резания по 50-ти значениям на интервале измерений с нулевой нагрузкой;
Калибровочные коэффициенты рассчитаны по формуле где Р — среднее значение составляющей силы резания по 50-ти значениям на /-м интервале измерений; Р — показания образцового динамометра на /-м интервале измерений. Результаты расчетов представлены в табл. 3.1.
После введения в программу обработки данных величин из табл. 3.1 повторили калибровку динамометра. Результаты калибровки свидетельствуют о пригодности аппаратуры для проведения эксперимента. Образцы и инструмент
При исследовании зависимости сил резания от условий обработки использованы образцы (рис. 3.1) из стали 19ХГН, напыленные газопламенным методом порошком молибдена и предварительно шлифованные по напыленной поверхности.
В ходе обработки образцы устанавливались в трехкулачковый патрон с длиной кулачка 60мм, с выверкой индикатором по биению на поверхности А не более 0,05мм.
В качестве режущего инструмента использованы резцы, оснащенные сверхтвердым синтетическим материалом на основе нитрида бора -эльбором-Р. Сечение державки — 14x14 мм. Постоянные составляющие геометрии резца - главный угол в плане 30, вспомогательный угол в плане 60, задний угол 5. Остальные составляющие геометрии резца приведены в табл. 3.2
При изменении геометрии пластин (передний угол и ширина площадки износа на задней поверхности резца), их заточку выполняли на универсально-заточном станке алмазными кругами на металлической связке зернистостью 40/28 ... 100/80, 100% концентрации. Большую зернистость круга применяли при предварительной заточке, меньшую -при доводке. Окончательную доводку осуществляли на чугунном притире с использованием алмазной пасты зернистостью 8/5.
Экспериментально исследуется зависимость сил резания от параметров режима резания и режущего инструмента при точении молибденового покрытия резцом из эльбора. При этом в качестве факторов выступают - скорость резания V, толщина срезаемого слоя а, передний угол резца у, ширина площадки износа на задней поверхности резца кз. В качестве функций отклика приняты составляющие силы резания Рх, Ру и Pz.
В качестве плана эксперимента использован центральный композиционный план второго порядка, состоящий из полного факторного плана 24 и дублирующих центральных опытов.
Пределы варьирования факторов выбраны исходя из практики использования инструментов СТМ при обработке износостойких покрытий и представлены в табл. 3.2. Скорость резания при обработке инструментами из СТМ достигает 600 м/мин, но учитывая, что износостойкие покрытия относятся к труднообрабатываемым материалам, в соответствие с данными [24, 44], принимаем верхний уровень варьирования по скорости резания равным 180 м/мин. По сравнению с тонким точением закаленных металлов токарная обработка износостойких покрытий проводится на сравнительно больших значениях глубины резания и подачи. В связи с этим, опираясь на данные [44] принимаем диапазон варьирования толщины срезаемого слоя от 0,05 до 0,25 мм. Практический опыт использования эльборового инструмента и проведенные исследования по обработке деталей инструментами из сверхтвердых материалов [44] позволяют сделать вывод, что обработка эльборовыми резцами при ширине площадки износа на задней поверхности более 0,4 мм производится крайне редко по причине высокой вероятности скола
Разработка конструкции экспериментальной установки СЭО
Проведенные эксперименты позволяют сравнить силы резания и интенсивность изнашивания инструмента при точении напыленного износостойкого покрытия без охлаждения и с использованием СЭО.
Сравнительные данные по силам резания при обработке без охлаждения и при обработке с СЭО приведены на рис. 3.16-3.17.
Увеличение скорости резания приводит к снижению силы резания. При обработке с СЭО это снижение происходит более интенсивно, чем в случае обработки без охлаждения — на больших скоростях резания разность между значениями составляющих сил резания при обработке с СЭО и при обработке без охлаждения увеличивается. По нашему мнению, это связано с тем, что при больших скоростях контактные поверхности резца и вся зона резания имеют более высокую температуру, и воздействие СЭО, связанное с окислением поверхностей, происходит более интенсивно.
Возрастание сил резания при увеличении подачи происходит с одинаковой интенсивностью как при точении без охлаждения, так и при точении с СЭО. Общий уровень сил резания с СЭО несколько ниже, чем при обработке без охлаждения (в среднем на 18%). Ширина площадки износа на задней поверхности резца оказывает существенное влияние на силы резания. При работе острым инструментом и при его минимальном износе сила Pz превышает Ру. Это имеет место как при обработке с СЭО, так и при обработке без охлаждения. С увеличением ширины площадки износа на задней поверхности резца увеличение составляющих силы резания при обработке с СЭО происходит менее интенсивно, чем при обработке без охлаждения. Это объясняется тем, что с ростом износа инструмента увеличивается площадь поверхностей зоны резания, наилучшим образом ориентированных относительно воздушной струи сопла установки СЭО. Задняя поверхность резца начинает вносить все более существенный вклад в температурную и силовую картину процесса резания, а поскольку сопло СЭО установлено со стороны задней поверхности резца, то и общая эффективность СЭО увеличивается.
Изменение переднего угла резца приводит к увеличению силы резания. Возрастание сил резания при уменьшении переднего угла резца происходит с одинаковой интенсивностью, как при обработке без охлаждения, так и при обработке с СЭО. Общий уровень сил при обработке с СЭО несколько ниже (в среднем на 19 %), чем при точении всухую.
Экспериментальные данные показывают, что СЭО эффективно воздействует на процесс изнашивания инструмента. Это выражается в относительном снижении ширины площадки износа на задней поверхности резца при точении с СЭО по сравнении с точением без охлаждения. Эффективность СЭО увеличивается при возрастании скорости резания и снижении подачи. При малых подачах (см. рис. 3.19) эффективность СЭО существенно повышается с ростом износа резца. Так при скорости 60 м/мин и подаче 0,05 мм/об на участке пути резания от 0 до 4000 м кривые изнашивания идут практически параллельно, а на участке пути резания 4000 - 6000 м резко расходятся. Аналогичные зависимости имеют место и на других режимах резания.
1. По результатам экспериментов построена эмпирическая модель зависимости сил резания от скорости резания, подачи, ширины площадки износа на задней поверхности резца и переднего угла резца. Модель позволяет рассчитать силы резания при точении молибденового покрытия эльборовым резцом при различных условиях обработки, в частности определить величину сил резания при обработке без охлаждения и при обработке с СЭО.
2. По результатам экспериментов построена эмпирическая модель, позволяющая рассчитать зависимость ширины площадки износа на задней поверхности резца от пути резания при различных сочетаниях подачи и скорости резания. Модель построена для случаев точения молибденового покрытия эльборовым резцом без охлаждения и с применением СЭО.
3.Экспериментально установлено, что применение СЭО при точении заготовок с напыленным износостойким покрытием обеспечивает снижение силы резания на 18...19% по сравнению с точением без охлаждения. Эффективность СЭО повышается при увеличении скорости резания и при точении с высокими значениями ширины площадки износа на задней поверхности резца. Подача и передний угол резца значительного влияния на эффективность СЭО не оказывают
4 По результатам экспериментов установлено влияние СЭО на процесс изнашивания резца. При точении с СЭО износ резца происходит менее интенсивно, чем при обработке без охлаждения. Эффективность СЭО, связанная с замедлением изнашивания инструмента, возрастает при увеличении скорости резания и при снижении подачи. Передний угол резца значительно влияния на эффективность СЭО не оказывает.
5. Полученные эмпирические зависимости, позволяющие рассчитать силы резания и величину износа резца при точении заготовок с напыленным молибденовым покрытием, совместно с методикой расчета напряжений могут быть использованы при назначении режимов резания и расчете величины предельного износа инструмента.
Как показано в предыдущих главах, перспектива использования токарной обработки износостойких покрытий вполне реальна. Применение СЭО позволяет повысить эффективность лезвийной обработки заготовок с НИП. Следующим шагом должно явиться выявление рациональных условий точения покрытий. Для этого необходимо решить следующие задачи: 1. Определить рациональные режимы использования СЭО при точении напыленных износостойких покрытий. 2. Определить рациональные режимы резания при обработке напыленных износостойких покрытий.
Одним из основных показателей работы установки является соотношение диаметра сопла, давления воздуха и величины напряжения на игле, обеспечивающее горение коронного разряда. Для исследования взаимозависимости этих параметров разработана и изготовлена экспериментальная установка СЭО и проведен ряд экспериментов.
