Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и постановка здач исследований 7
2. Общие вопросы методики исследования 32
2.1. Методика подготовки исследования 32
2.2. Методика определения температуры 48
2.3. Методика измерения сил 57
2.4. Статистическая оценка точности экспериментов 59
3. Энергетические характеристики процесса развертывания отверстий 64
3.1. Влияние режимов резания на энергетические параметры процесса развертывания 64
3.2. Факторы, влияющие на развитие трещин в твердосплавных инструментах 81
3.3. Обоснование целесообразности введения дополнительного тепла при развертывании 86
Выводы 93
4. Влияние электроконтактного подогрева на процесс развертывания 95
4.1. Влияние электроконтактного подогрева на основные характеристики процесса развертывания 95
4.2. Влияние электроконтактного подогрева при развертывании на качество обработанного отверстия 119
Выводы 129
5. Влияние предварительной приработки в условиях контролируемых тепловых режимов на стойкость твердосплавных разверток и качество обработанной поверхности 131
5.1. Предварительная приработка - как естественное термомеханическое упрочнение 131
5.2. Влияние тепловых условий предварительной приработки на стойкость развертки 135
5.3. Влияние предварительной приработки на качественные параметры обработанного отверстия 152
5.4. Производственная реализация предварительной приработки твердосплавных разверток в контролируемых тепловых режимах 159
Выводы 164
Общие выводы 165
Приложение 168
Список используемой литературы 170
- Статистическая оценка точности экспериментов
- Факторы, влияющие на развитие трещин в твердосплавных инструментах
- Влияние электроконтактного подогрева при развертывании на качество обработанного отверстия
- Влияние предварительной приработки на качественные параметры обработанного отверстия
Введение к работе
Развитие многих отраслей народного хозяйства нашей страны тесно связано с металлообработкой, где широко используют твердосплавные режущие инструменты. Дальнейшее повышение производительности труда при металлообработке, являющееся одной из основных задач, поставленных ХХУІ съездом КПСС, в значительной мере определяется уровнем качества режущих инструментов. При недостаточной прочности режущей части твердосплавного инструмента разрушение её происходит путем хрупкого выкрашивания и скалывания. Преждевременный выход из строя инструмента приводит к непроизводительному расходу твердых сплавов, содержащих ценные дефицитные легирующие элементы (вольфрам, кобальт, титан и др.).
При автоматизированном производстве поломки или быстрый износ вызывают большие простои оборудования и снижают их к.п.д. В машиностроении ежегодно по причине преждевременной поломки выходит из строя свыше 20 % твердосплавного инструмента.
По данным ВНИИТС на машиностроительных заводах, вследствие поломок при изготовлении и эксплуатации твердосплавного инструмента, ежегодно теряются несколько сотен тонн твердого сплава, а общие потери, связанные с поломками твердосплавных инструментов, достигают 20 миллионов рублей. Повышаются потери, вызванные дополнительной сменой инструмента и переналадками. Современная автоматизированная машиностроительная промышленность предъявляет более высокие требования к важнейшим характеристикам качества режущего инструмента, таким как прочность и износостойкость.
Повышение качества инструмента имеет важное народнохозяйственное значение. Хрупкое разрушение инструмента при обработке сталей и труднообрабатываемых сплавов ограничивает применение высоких режимов резания и, соответственно, регламентирует производительность обработки. Исходя из этого, повышение прочности режущей части инструмента является фактором увеличения производительности.
Механическая обработка приводит к значительному изменению состояния поверхностного слоя материала инструмента и заготовки, что оказывает существенное влияние на их свойства. Упрочнение поверхностного слоя инструмента, изготовленного из твердого сплава, увеличивает его долговечность. Поэтому исследование влияния различных видов упрочнения и режимов обработки на состояние поверхности режущего инструмента является задачей актуальной и важной как в научном, так и в практическом отношении.
В настоящее время решение этой проблемы проводится в двух направлениях: одно направление предусматривает создание новых марок твердых сплавов, другое - улучшение прочностных свойств существующих (стандартных).
Освоен промышленный выпуск монолитных твердосплавных разверток малого диаметра. При многих положительных результатах особенности процесса развертывания не позволяют использовать все возможности твердого сплава. В первую очередь это связано с технологическими ограничениями, накладываемыми на использование высоких скоростей развертывания вследствие ухудшения параметров точности. Повышение скорости при развертывании отверстий малых диаметров ограничивается также технологическими возможностями станков, однако, резание при низких скоростях не считается рациональным для твердого сплава вследствие проявления износа хрупким выкраиванием. Последнее интенсифицируется развитием высоких значений удельных нагрузок на рабочих поверхностях раз вертки, характерных для резания малых толщин. Высокие удельные нагрузки при низких температурах процесса накладывают отпечаток на характер затупления развертки. На сегодняшний день существует много способов улучшения процесса резания, одним из которых является искусственный подогрев зоны резания. Однако существующие методы подогрева направлены на размягчение большей толщины снимаемого слоя или всей заготовки, при реализации которых энергетические затраты значительно превышают энергетические затраты самого процесса резания. Примененный на кафедре "Технология машиностроения" ТашПИ способ электроконтактного подогрева зоны резания, заключающийся в введении дозированного тепла в зону резания электроконтектным способом, стимулирует процесс нейтрализации упрочнения от первичных и вторичных пластических деформаций стружки и детали, что приводит, в конечном итоге, к повышению соотношения твердостей инструментального и обрабатываемого материалов в зоне контакта.
Возможности использования этого явления и посвящена данная работа, где приведены основные результаты исследований по влиянию электроконтактного подогрева на износостойкость твердосплавных разверток и, соответственно, качественные показатели процесса развертывания. Определены условия наиболее эффективного применения цельных твердосплавных разверток при обработке различных материалов.
Работа выполнена на кафедре "Технология машиностроения" Ташкентского политехнического института.
Статистическая оценка точности экспериментов
Учитывая, что в настоящей работе в соответствии с ее целью рассматривается влияние теплового фактора на основные показатели процесса развертывания, измерению температуры резания придавалось особое значение. Специальная схема (рис.2.7 ), описанная выше, применение цельных разверток, изготавливаемых из одной партии порошка и специальный отбор материалов заготовок из одного прутка, соблюдение требуемых мер предосторожности при тарировании были направлены на исключение влияния паразитных ЭДС на показания приборов при измерениях температуры резания.
По этой же причине - для статистической оценки точности экспериментов температурных измерений и определения необходимого числа повторений проведена серия опытов с 20-ти кратным повторением. Эксперименты проводились при развертывании ВТІ-І, I2XI8HI0T, стали 45, чугуна СЧ2І на режимах V= 0,051...0,52 м/с, 5 = 0,05..
Процесс развертывания характеризуется снятием тонких стружек. Известно [28] , что с уменьшением толщины срезаемого слоя область вторичных пластических деформаций в общем объеме сходящей стружки возрастает. В результате, степень пластической деформации стружки будет определяться не столько характером течения процесса стружкообразования (область первичных пластических деформаций), сколько контактными процессами взаимодействия стружки с передней поверхностью режущего клина (область вторичных пластических деформаций). Учитывая, что толщина снимаемого слоя при этом лежит в пределах глубины деформированного слоя от предшествующих операций, режущие лезвия развертки всегда контактируют с упрочненной поверхностью обрабатываемого материала. При малых толщинах снимаемого слоя, соизмеримых с радиусом округления режущего лезвия, в общем балансе сил, действующих на заднюю повер -хность режущего клина, возрастает доля от упругого последействия, что в конечном итоге приводит к изменению соотношения нагружения передней и задней поверхности с доминированием нагрузок на последней. Поэтому преобладающим видом потери работоспособности развертки является износ по задней поверхности. Таким образом, можно считать, что процесс развертывания характеризуется высоким уровнем удельных энергетических затрат, расходуемых на стружко-образование.
Одним из объективных параметров, характеризующих энергонаг-руженность процесса резания, является удельная работа стружкообразования, как работа, затраченная на съем единицы объема стружки. Работу единичного зуба развертки можно представить как работу расточного резца, закрепленного на борштанге. Теоретическую силу резания в этом случае можно представить зависимостью [іЗ, откуда
Распределение деформации относительного сдвига в контактном слое стружки имеет гиперболический характер, то есть степень деформации контактного слоя стружки резко возрастает по мере приближения к поверхности контакта. На рис.3.I представлена кривая изменения деформации относительного сдвига в контактном слое стружки при точении стали 50 [28], из которого видно, что относительная деформация сдвига на контактной поверхности в 5...10 раз превышает таковую на наружной поверхности стружки. Следовательно, -с уменьшением толщины снимаемого слоя, что является характерной особенностью процесса развертывания, она будет характеризоваться удельной работой резания на І...2 порядка превышающего работу резания на других видах механической обработки.
Эта точка зрения подтверждается данными, отражающими влияние режимов резания и способа обработки на удельную работу стружкообразования [72].
Факторы, влияющие на развитие трещин в твердосплавных инструментах
Для определения износостойкости и прочности твердосплавных режущих инструментов необходимо знать их состав и структурное строение. Известно, что прочность твердых сплавов зависит от многих факторов, таких как фазовый состав сплава, размер зерен карбида вольфрама и кобальтовой фазы, состав кобальтовой фазы, напряжение в кобальтовой и карбидной фазах и т.п. Имеется ряд исследований [44,58,ИЗ,114,ІІб]и др. проведенных по изучению характера разрушения твердых сплавов, в том числе с использова нием методов электронной металлографии и фрактографии, которые дали ценные сведения при выяснении вопроса, какой из этих факторов имеет преобладающее значение в обеспечении прочностных характеристик твердых сплавов.
В работе [115] приводится, что кобальт существует в двух модификациях: гексогональной плотноупакованной X - кобальт и гранецентрированной кубической - кобальт. Температура полиморфного превращения чистого кобальта равна 690 К. Кроме этого фазовый состав сплава изменяется при незначительных отклонениях в содержании углерода. Растворенный в расплавленной связке при спекании твердого сплава,углерод при охлаждении выделяется из жидкой фазы в виде частиц избыточного графита [Пб] -как бы прорастая сквозь частицы карбида вольфрама образует отдельную колонию мелких частиц. Поскольку жидкость, обогащенная углеродом, затвердевает в последнюю очередь, углерод выпадает при охлаждении по границам зерен кобальтовой фазы с увеличением концентрации углерода по сравнению со стехиометричес-ким его содержанием в монокарбиде вольфрама. Следовательно, включения графита следует отнести к дефектам структуры сплавов и они являются концентраторами напряжения в сплавах и источниками зарождения трещин.
При недостаточной прочности режущей части инструмента её разрушение происходит путем хрупкого скалывания и выкрашивания. По данным [93] величина предела прочности поликристаллического карбида вольфрама колеблется от 35 до 170 кгс/мм при изгибе и от 52...56 до 360 кгс/мм при сжатии. Такой разброс характерен для хрупких материалов, сопротивление разрушению которых сильно зависит от наличия микродефектов. Макроскопические разрушения являются результатом постепенного развития и накопления микротрещин, которые с увеличением внешней нагрузки сливаются в макротрещину [2б] . В качестве характеристики сопротивления хрупкому разрушению инструментального материала может служить предел прочности при одноосном растяжении (ug.
Поляризационно-оптические эксперименты [56,7б] показывают, что в режущей части могут быть области растягивающих и сжимающих напряжений. При этом в случае малых толщин среза преобладают сжимающие напряжения, а при больших толщинах среза существенную роль играют также и растягивающие напряжения. Известно [55],что с уменьшением переднего угла зона сжатия увеличивается и зона растяжения сужается, либо вовсе исчезает.
Не менее важным фактором, вызывающим хрупкое разрушение режущего инструмента, являются возникающие в процессе термические напряжения Ge т.к. поверхностные слои от нагрева расширяются и нижележащие слои препятствуют расширению. Быстрый нагрев и охлаждение в процессе резания вызывают термические "удары", температурные поля в поверхностных слоях характеризуются высокими градиентами температур и (ов при высоких контактных температурах достигают значительных величин. Если величина Є& превысит предел прочности, то образуются трещины и начинается хрупкое разрушение. К этому приводит разница в коэффициенте теплового расширения кобальта, который в 3 раза превосходит коэффициент теплового расширения [lI5j карбида вольфрама. "Для предотвращения образования термических трещин и последующего разрушения режущей части инструмента следует снизить температурный градиент, а следовательно, скорость охлаждения, используя для этого различные способы, вплоть до предварительного подогрева инстру мента на определенную температуру" пишет Т.Н.Лоладзе [55J.
По Креймеру, предел прочности производственных твердых сплавов вольфрамо-кобальтовой группы зависит только от нагру-жения, необходимого для распространения трещин. В зависимости от вида нагружения (изгиб или сжатие) одни и те де сплавы (восходящая ветвь кривой) относятся к хрупким, к которым применима теория Гриффитса, а в другом случае (сжатие) эти сплавы (от б до 20 % CQ) считаются пластичными. Свойства твердых сплавов должны линейно зависеть от их состава, что наблюдается в действительности как для твердости, ударной вязкости, модуля упругости и, в известном диапазоне, концентрацией для прочности при сжатии, изгибе и других свойствах (см. рис. 3.5...3.7 ). Отклонение от прямолинейного закона может быть объяснено нарастающей концентрацией дефектов в спеченных сплавах при уменьшении содержания связки - микропористости, границ зерен, трещин Гриффитса, высокой плотности дислокации.
Влияние электроконтактного подогрева при развертывании на качество обработанного отверстия
Изменение физико-механических характеристик контактных слоев инструмента и приконтактных слоев обрабатываемого материала при введении дополнительной тепловой мощности сказывается на параметрах процессов стружкообразования и износа и, как следствие, на качество обработанного отверстия, реагирующего на любое изменение в процессе резания.
Величина вводимой тепловой мощности неоднозначно сказывается на параметрах качества обработанного отверстия. С одной стороны, введение дополнительного тепла в зону стружкообразования должно привести к снижению прочностных параметров обрабатываемого материала и снятию наклепа, полученного в зоне первичных пластических деформаций, приводящих в конечном итоге к повышению отношения твердостей инструментального и обрабатываемого материалов в зоне их контактного взаимодействия. С другой стороны, повышение температуры увеличивает коэффициент трения на 15...20 %, а учитывая, что развиваемая при этом температура резания не превосходит температуру рекристаллизации обрабатываемого материала, в области вторичных деформаций возможен акт деформационного упрочнения. При этом температура может оказывать благоприятное влияние на появление наклепа.
Поэтому роль вводимой тепловой энергии будет определяться вышеописанными конкурирующими процессами и именно этим можно объяснить экстремальность изменения практически всех параметров резания и трения, а также изнашивания от температуры. Кроме того, на качество обработанных отверстий при развертывании и особенно малых диаметров существенно влияет локальная тепловая деформация, усиленная дополнительным введением искусственного нагрева. дополнительной тепловой энергии повышает точностные параметры и качество обработанного отверстия. Наибольшие изменения (в пределах одного класса) приходятся в основном на значения мощностей в 10...30 Вт, оптимальных, как было показано выше, в плане влияния на износ и силовые характеристики процесса развертывания.
Конусность, овальность и разбивка обработанного отверстия относятся к погрешностям формы одного ранга. Поэтому и степень их изменения от тепловой ситуации зоны резания проявляется практически идентично. Учитывая это, можно заключить, что введением искусственного тепла в зону резания электроконтактным подогревом малыми мощностями можно добиться улучшения точностных параметров обработанного отверстия. Данный факт можно объяснить тем, что выделяемое тепло от вводимой электрической мощности небольшой величины (до 30 Вт) локализуется преимущественно в приконтактных слоях, что уменьшает величину упрочнения от предшествующего перехода и сопротивление материала резанию. Как следствие, уменьшаются колебания сил резания во многом предопределяющие точностные параметры обработанного отверстия.
Локализуясь в приконтактных слоях, выделяемое от электроконтактного подогрева тепло, оказывает существенное влияние на само контактное взаимодействие. При этом степень ее выделения проявляется по-разному на различных участках режущего клина. Контактные процессы на задней поверхности режущего клина оказывают серьезное влияние на шероховатость обработанной детали. Подтверждением этого являются результаты экспериментов, показывающие снижение шероховатости обработанного отверстия с повышением величины вводимой мощности. Данные исследований (см.рис. 4.16...4.18, 4.19...4.20 ) показывают, что максимальный положительный эффект проявляется при обработке высокодеформируемой нержавеющей стали I2XI8HI0T, а минимальный при обработке СЧ2І. Определенное влияние искусственный нагрев оказывает и на микротвердость обработанной поверхности.
Последняя несколько ниже, чем после развертывания с СОТС. Однако эти значения микротвердости в оптимальных условиях выше исходной структуры и, что особенно важно, колебание микротвердости при резании с искусственным нагревом существенно снижается. При этом характер изменения микротвердости обработанных деталей тесно коррелирует с интенсивностью износа развертки, совпадая по оптимальным тепловым мощностям.
Влияние предварительной приработки на качественные параметры обработанного отверстия
Как отмечалось выше, положительная роль предварительной приработки многолезвийных режущих инструментов проявляется как в повышении стойкости, так и снижении динамической нестабильности работы его за счет выравнивания нагруженности зубьев, в результате большего износа более нагруженных зубьев в период приработки. Проследим это явление по характеру накопления износа зубьев твердосплавной развертки. На рис. 5.II представлены кривые износа зубьев твердосплавной развертки из ВК8 при обработке стали 45 и I2XI8HI0T при обычном резании с СОТС на V = 0,27 м/с.
После работы в течение 10 минут рассеивание величины износа составило 0,018...0,026 мм при обработке стали 45 и 0,010. ..0,017 мм при обработке нержавеющей стали. Обозначим условно зуб № I и дальше, вращая развертку против часовой стрелки, измерим h3 .
Как видно из представленных результатов, в процессе дальнейшей работы развертки последовательность расположения величин износов по зубьям неоднократно меняется, а диапазон рассеивания износа колеблется в больших пределах. Следовательно, в процессе всей эксплуатации инструмента интенсивность износа каждого зуба меняется неодинаково и максимальная нагрузка передается от одного зуба к другому.
Иной характер принимают кривые накопления износа развертки, прошедшей предварительную приработку (рис. 5.12, 5.13 ). Порядок распределения зубьев по износу и диапазон рассеивания величин износа, установленный после предварительной приработки достаточно долго продолжает сохраняться при дальнейшей эксплуатации развертки на рабочих режимах резания, при этом величины вводимых тепловых мощностей не оказывают самостоятельного влияния на характер распределения износа и его стабильность, существенно повышая лишь общую стойкость инструмента. Прямым подтверждением этого являются результаты по влиянию приработки на величину радиального биения, представленные в таблице 5.2, 5.3. Измерение биения зубьев после приработки и эксплуатации развертки проводилось на биеномере Карл Цейс (ЙЕНА ГДР). Из таблицы видно, что приработка незначительно снижает величину радиального биения на цилиндрической части (табл.5.3 ) развертки и существенно уменьшает ее на заборном конусе (табл.5.2 ).
Следовательно, равномерная нагруженность зубьев развертки, полученная в период предварительной приработки, сохраняется при ее эксплуатации, повышая качество обработанного отверстия. На рис. 5.14, 5.15 представлены результаты опытов по влиянию режимов предварительной приработки на качественные параметры обработанного отверстия из нержавеющей стали I2XI8HI0T.
Режим предварительной приработки практически не оказывает влияния на микротвердость, однако в пределах одного класса влияет на шероховатость (рис. 5.146), точностные параметры детали, такие как разбивка (рис. 5.156), конусность (рис. 5.14а), овальность (рис. 5.15а).
При этом установлено, что область оптимальных тепловых условий приработки для различных точностных параметров практически совпадают. Так, наименьшие величины конусности, овальности и разбивки при обработке стали I2XI8HI0T разверткой из ВК8 достигаются при вводе дополнительной мощности/У=7...20 Вт, аналогичные результаты получены и при развертывании стали 45, но при N = 12...30 Вт.
Следовательно, оптимальные режимы предварительной приработки режущего инструмента могут быть оптимальными по всем критериям оптимизации. Они существенно зависят от условий эксплуатации и требований, предъявляемых к обрабатываемым деталя.
