Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса 9
1.1. Действие холодной обработки металла резанием на состояние поверхностного слоя детали 9
1.2. Влияние жесткости технологической системы на точность и производительность обработки резанием 14
1.3. Особенности обработки сварных деталей холодным резанием 17
1.4. Интенсификация процесса механической обработки резанием за счет применения режущего инструмента из композитных материалов 19
1.5. Механическая обработка поверхности заготовки с подводом тепловой энергии в зону резания 26
1.6. Связь качества обработки металла резанием с эксплуатационными свойствами деталей 35
1.7. Поверхностно пластическое деформирование металлов и сплавов 37
1.8. Постановка задачи исследования 41
Глава 2. Теоретические основы резания металла с нагревом 43
2.1. Изменение свойств металла при нагреве 43
2.2. Физическое моделирование резания металла 52
2.3. Общие сведения теории резания металла 57
2.4. Метод резания металла с нагревом, совмещенный с ППД обработанной поверхности детали 62
2.5. Тепловые характеристики горелки 67
2.6.Теплофизические процессы при обычном резании металла 70
2.7. Теплофизические характеристики резания металла с нагревом снимаемого слоя 73
2.8 Нагрев цилиндрической заготовки пламенем газовой горелки 76
2.9. Распределение тепла при резании металла с нагревом 84
2.10. Нагрев заготовки токами высокой частоты 87
2.11. Эффективность отвода тепла от режущей грани инструмента 91
Глава 3. Методика исследования 95
3.1. Методика исследования тепловых параметров 95
3.2. Методика определения усилия резания при холодном резании металла и при резании с нагревом заготовки пламенем газовой горелки 101
3.3. Методика проведения исследований износа режущего инструмента 107
3.4.Методика исследования влияния резания с нагревом на прочность сварного шва цилиндрической детали 110
3.5.Методика снятия замеров параметров шероховатости обработанной по верхности 112
3.6. Методика исследования параметров точности обработанной поверхности 118
3.7. Методика исследования микроструктуры металла обработанного резанием с нагревом 121
3.8. Методика, установка и инструменты для исследования результативности поверхностно- пластической деформации поверхности детали 123
3.9. Режущий инструмент с внутренним водяным охлаждением 129
3.10. Проектирование установки для поверхностного нагрева заготовки токами высокой частоты 132
Глава 4 Экспериментальное исследование резания с нагревом и ППД 136
4.1. Постановка задачи определения температурных режимов резания... 136
4.2. Расчет охлаждения заготовки при резании с нагревом 136
4.3. Определение времени нагрева детали до температур разупрочнения сни маемого слоя металла при резании с нагревом 140
4.4. Экспериментальная проверка тепловых режимов резания 143
4.5. Определение усилия резания нагретого до температур разупрочнения металла 145
4.6. Исследование износостойкости режущего инструмента при холодной обработке металла и при резании с нагревом 148
4.7. Износостойкость резца с внутренним водяным охлаждением 152
4.8. Сравнение результатов исследования износостойкости режущего инструмента при резании с нагревом и стойкости пластин из спеченных порошков сверх твердых материалов 158
Глава 5. Исследование изменений физико- механических свойств металла, обработанного резанием с нагревом, с последующим поверхностно пластическим деформированием детали 160
5.1. Влияние резания с нагревом на прочностные свойства обработанных цельных и сварных деталей 160
5.2. Обработка наплавленных поверхностей резанием 164
5.3. Исследование влияния изменения сил резания при обработке с нагревом слоя наплавленного металла 167
5.4. Исследование изменений поверхностного слоя детали, обработанной резанием с нагревом с последующим ППД 174
5.5. Влияние резания с нагревом на точность обработки поверхностей.. 189
5.6. Исследование шероховатости поверхности детали обработанной резанием с нагревом с последующим ППД поверхности детали 195
5.7.Исследование изменений структуры металла у цельных и сварных деталей, обработанных с нагревом 207
Глава 6. Разработка технологии обработки заготовок резанием с нагревом и по следующим ППД 218
6.1. Предпосылки создания технологии обработки деталей резанием с нагревом 218
6.2. Разработка технологии восстановления посадок на ремонтный размер резанием с нагревом 219
6.3. Разработка технологии обработки резанием с нагревом при ремонте сварных деталей 228
6.4. Технология восстановления дефектных поверхностей деталей наплавкой с последующим резанием с нагревом и ППД 231
6.5. Технология восстановления различных изношенных деталей 232
6.6. Эффективность использования резания с нагревом в ремонтном производстве 238
6.7. Сравнение экономических показателей участков холодного резания и резания металла с нагревом и ППД 242
6.8 .Внедрение разработанной технологии 258
Общие выводы 263
Заключение 265
Список литературы 272
Приложения 282
- Влияние жесткости технологической системы на точность и производительность обработки резанием
- Метод резания металла с нагревом, совмещенный с ППД обработанной поверхности детали
- Методика определения усилия резания при холодном резании металла и при резании с нагревом заготовки пламенем газовой горелки
- Определение времени нагрева детали до температур разупрочнения сни маемого слоя металла при резании с нагревом
Введение к работе
Актуальность темы Лезвийная обработка конструкционных материалов (углеродистых, легированных и др. сталей) занимает значительное место в практике машиностроительного производства. При этом актуальными задачами остаются не только повышение производительности механообработки, стойкости инструмента, повышения качества обработанной детали, но и создание новых направлений в теории и практике резания при обработке специальных деталей после сварки, наплавки и напыления, обработка которых в условиях традиционных производственных технологий невозможна либо затруднена для малых предприятий и ремонтного производства.
В рыночных условиях экономического кризиса и спада производства в промышленности поиск и внедрение новых не традиционных и перспективных способов резания металла с тугоплавкими покрытиями, позволяющих значительно повысить производительность механической обработки, произвести обработку продукции со специфическими свойствами и параметрами, при наименьших материальных затратах, с использованием минимального количества рабочих и оборудования, является первоочередной задачей, и что особенно актуально - без применения дорогостоящих режущих инструментов.
Настоящая работа выполнялась в соответствии с договорными работами кафедры «Базовые машины» Нижегородского Высшего инженерно-командного училища (НВВИКУ), с ремонтными предприятиями воинских частей и Горьковской железной дороги.
Цель работы Разработать комплексный метод резания металла с нагревом и пластической деформацией нагреваемой поверхности детали, обеспечивающий значительное снижение усилий резания и исключающий применение для обработки шлифовального инструмента. Решаемые задачи
Определение теоретических закономерностей резания с нагревом и силовых характеристик пластических процессов при ППД нагретой поверхности детали.
Разработка научно обоснованной методики исследования процесса, в том числе: выбора режимов резания, определения тепловых параметров, стойкости инструмента, расчета конструкции режущего инструмента и приспособлений.
Исследование физических процессов и основных закономерностей резания металла с нагревом и пластической деформацией нагреваемой поверхности
Создание производственной технологии обработки сложных деталей машиностроения (ступенчатых наплавленных валов и сварных изделий) точением с нагревом и пластическим деформированием для основного производства и ремонтных условий.
Методы исследования. Для решения поставленных в работе задач использовались теоретические и экспериментальные методы исследования. Теоретическая часть базируется на основных положениях классической теории резания, технологии машиностроения, законах теплофизики металлов, теории пластической деформации и кристаллографии.
Теоретические исследования подтверждены многочисленными экспериментами в лабораторных и производственных условиях и обработаны методи-
ками с применением современных металлографических методов и высокоточной измерительной аппаратуры.
Достоверность и обоснованность теоретических выводов подтверждена данными, полученными лично соискателем. Результаты исследований, выводы и предлагаемые технические решения подтверждаются патентами на изобретения и полезные модели, прошли производственную проверку, а также внедрены в производство и в учебный процесс ВУЗа. Научная новизна работы
Выявлены, исследованы и систематизированы физические процессы в зоне резания при обработке ответственных восстановленных деталей из стали с нагревом и пластической деформацией обрабатываемых поверхностей.
Разработан математический аппарат для реализации метода комплексной обработки металла с нагревом и пластической деформацией.
Выведены математические зависимости теплопередачи при резании металла методом комплексной обработки.
Разработаны теоретические основы расчета температуры при резании и математические закономерности для управления тепловым потоком.
Исследована и апробирована технология комплексной обработки металла, а именно, определены технические требования к оборудованию, инструменту и приспособлениям для реализации нового метода обработки резанием с подогревом поверхности.
Практическая ценность работы.
Разработана научная методика выбора режимов резания металла с нагревом и пластической деформацией, учитывая конкретные условия производства и конфигурацию деталей.
Режимы резания, выбранные по разработанной методике, позволяют получать качество обработанной поверхности, соизмеримое с обработкой традиционными методами без применения дорогостоящих инструментов с пластинами СТМ с покрытиями.
Разработанный и внедренный в производство комплексный метод обработки металла с нагревом и поверхностной пластической деформацией обеспечивает значительное снижение вибраций системы СПИД (за счет снижения усилий резания) и повышение стойкости режущего инструмента.
Создание мобильных средств ремонта на базе комплексного метода интенсифицирует восстановление работоспособности техники в чрезвычайных условиях (полевые работы др.)
Комплексный метод обработки резанием с нагревом и пластической деформацией реализуется при обработке сложных специфических закаленных деталей со сварными швами и наплавлением поверхности.
Разработанный метод обработки металлов с нагревом является эффективным решением технических проблем при обработке соответствующих типов деталей.
Реализация результатов работы Выполненные разработки внедрены:
- в практику восстановительных работ при ремонте боевой техники в двух ремонтных подразделениях воинских частей;
в железнодорожной ремонтной мастерской Горьковской железной дороги -для восстановления несущих валов (осей) вагонного состава;
в учебный процесс (Акты внедрения прилагаются) в виде изданного учебного пособия.
На защиту выносятся следующие результаты работы:
Теоретическое обоснование комплексного метода резания металлов с нагревом и пластической деформацией обрабатываемой поверхности нагруженных ответственных деталей, после сварки и наплавлення.
Разработка научно обоснованной методики выбора режимов резания, нагрева и накатывания при реализации комплексного метода обработки с учетом выполнения технических требований к обрабатываемой детали.
Создание режущего инструмента и необходимой оснастки для реализации комплексного метода резания металла с нагревом и пластической деформацией обрабатываемой поверхности.
Разработка технологии обработки металла комплексным методом в типовых производственных условиях машиностроительных предприятий и при ремонте особо сложных деталей в полевых и других специфических условиях.
Экономическая эффективность комплексного метода резания с нагревом, в том числе в полевых условиях, на базе установленного в подвижных мастерских сварочного и металлообрабатывающего оборудования.
Результаты воздействия комплексного метода обработки на качество и точность обрабатываемой поверхности.
Влияние жесткости технологической системы на точность и производительность обработки резанием
Технологическая система станок - приспособление - заготовка -инструмент представляет собой упругую систему, деформации которой в процессе обработки обуславливают возникновение систематических и случайных погрешностей размеров и геометрических форм обрабатываемых заготовок. Вместе с тем эта технологическая система является замкнутой динамической системой, способной к возбуждению и поддержанию вибраций, порождающих погрешность формы обрабатываемых поверхностей (отклонение от круглости волнистость) и увеличивающих шероховатость обрабатываемой поверхности [17-20]. На рис. 1.5. приведена схема эпюр давления инструмента при резании. Жесткость технологической системы в начальный момент резания металла характеризуется следующей величиной отжатия заготовки режущим инструментом А = 2(узб + Ушстр).
Жесткостью j технологической системы называется способность этой системы оказывать сопротивление действию деформирующих ее сил. Если у3б и у„б. малы, а уъъг значительна, то в результате обработки заготовка приобретает бочкообразную форму, а если величины усилий имеют обратное значение то форма поверхности детали становится седлообразной.
В работе [21] предложено выражать жесткость у кН/м (кгс/мм), технологической системы отношением нормальной составляющей Ру , кН (кгс), силы резания к суммарному смещению у, м (мм), лезвия режущего инструмента относительно обрабатываемой поверхности заготовки, измеренному в направлении нормали к этой поверхности, т.е.
Податливостью технологической системы со называется способность этой системы упруго деформироваться под действием внешних сил. По аналогии суммарная податливость системы В случае обработки заготовки в центрах резцом (на расстоянии х от передней бабки)
Влияние упругих отжатий на размер обрабатываемой заготовки показано на схеме рис. 1.6: а - смещение оси заготовки из-за отжатий станка и заготовки; б - смещение вершины резца от центра заготовки в связи с отжатием и прогибом резца.
При у = const технологической системы по длине обработки, неизменном режиме обработки и постоянной твердости заготовки, погрешность диаметра одинакова по всей длине заготовки и не вызывает появления погрешности ее формы. Эта погрешность размера систематическая, поэтому может быть учтена при настройке станка уменьшением настроечного размера.
При обработке заготовки малой жесткости отжатие изменяется по длине заготовки, что обуславливает появление систематической погрешности формьг обрабатываемой детали. Износ режущего инструмента при обработке приводит к приращению размера обрабатываемого изделия [22]. Погрешность исходной заготовки копируется на обработанной заготовке в виде одноименной погрешности меньшей величины (овальность — овальности, конусность - конусности и т.д.) Отношение одноименных погрешностей исходной заготовки Л„сх..зш- и обрабатываемой ЗагОТОВКИ Добр.заг ПРИНЯТО НаЗЫВаТЬ уточнением Є =Л„Сх..заг /Лобр.заг а обратную величину отношения называют коэффициентом уменьшения погрешностей ку=Добр.заг/Лисх..заг, В общем, случае можно записать после і-го прохода инструмента [21]. При 8 1 (для валов) увеличение проходов увеличивает погрешность. По этому производительность механической обработки находится в непосредственной связи с жесткостью. Жесткость технологической системы может быть повышена : 1) конструктивно 2) сокращением числа звеньев технологической системы 3) повышением качества деталей технологической системы 4) повышением качества сборки 5) оптимальным режимом эксплуатации станков 6) систематическим надзором за оборудованием и инструментом Уменьшение жесткости системы СПИД приводит к нарушению динами ческой системы холодного резания, что чаще всего проявляется при обработке заготовок, вращающихся с частотой вращения, близкой к частоте собственных колебаний системы; при обработке тонкостенных заготовок; использовании длинного и тонкого центрового инструмента [23].
Область неустойчивости динамической системы определяется совокупностью значений параметров (режимов резания, геометрии и конструкции технологической оснастки), при которых система является не устойчивой. Степень устойчивости системы холодного резания определяет ее способность рассеивать энергию, вносимую внешним воздействием, и может быть оценена по быстроте затухания вибрации.
Автоколебания (незатухающие колебания, частота которых определяется свойствами самой системы) начинаются одновременно с началом процесса холодного резания и прекращаются после отвода инструмента. Вибрации динамической системы (установившаяся амплитуда) сильно влияют на точность обработки и стойкость инструмента. При появлении колебаний режущего инструмента относительно обрабатываемой поверхности, его стойкость снижается . пропорционально квадрату амплитуды и на заготовке возникают погрешности формы поперечного сечения [24], [15].
В связи с тем, что пластический сдвиг металла в корне стружки при холодном резании представляет собой движение iio плоскостям скольжения с их. выходом на поверхность кристалла, возникновение всевозможных препятствий затрудняющих движение дислокаций, вызывает упрочнение поликристалла; Увеличение общего числа дислокаций либо повышение плотности дислокаций, происходящее в связи с их генерированием источниками Франка-Рида в процессе пластической деформации, сопровождается деформационным упрочнением [13]. Стойкость режущего инструмента снижается при обработке сварных швов и наплавленной корки металла Обработка металла сварного шва и наплавленных сваркой поверхностей на деталях холодным резанием сопряжена с целым рядом не благоприятных факторов обусловленных физическими процессами образования сварного шва и наплавленного валика металла.
При сварке плавлением кромки соединяемых деталей доводятся до жидкого состояния с введением или без введения присадочного материала. Расплавленные основной и присадочный металлы, сливаясь, образуют общую сва- рочную ванну, находящуюся в состоянии непрерывного движения и перемешивания. Оплавленные участки основного металла и ранее образовавшегося шва определяют границы сварочной ванны. Объём сварочной ванны в зависимости-от способа и режима сварки составляет не менее 0,1 мм3. В плане сварочная ванна имеет эллипсоидную форму с температурой в головной части вдоль направления сварки до 2300 С, которая снижается в части примыкающей к уже наваренному металлу до температуры плавления основного металла.
Средняя температура ванны при сварке сталей под флюсом равна 1800 С. Время пребывания металла в жидком состоянии исчисляется секундами. При кристаллизации металла сварочной ванны образуется шов. В процессе затвердевания металла в результате диффузии кристаллизационный состав различных участков шва выравнивается. В связи с тем, что металл остывает быстро, а диффузионный процесс в твердом металле протекает медленно, сварной шов имеет не однородную структуру с не равномерным распределением элементов . в кристаллах и образованием зональной ликвации [25].
Метод резания металла с нагревом, совмещенный с ППД обработанной поверхности детали
Сущность данного метода состоит в том, что перед; съемом припуска при резаниш заготовки производят нагрев ее поверхности? пламенем ацетилен-кислородной горелки до температур разупрочнения: на глубину снимаемого-слоя металла в зависимости от принятой технологии, назначенных режимовере-зания/ и расчета припусков; а затем обкатывают обработанную резанием поверхность детали с целью создания наклепа и снижения параметров шероховатости.
Нагрев поверхности осуществляется с регулированием потока тепла так,, что факел пламени в точках касания поверхности заготовки имеет температуру. 2500- 2000 С, а расстояние от центра пятна нагрева до точки касания заготовки режущим инструментом устанавливается достаточным для прогрева.металла на . заданную глубину до температур разупрочнения снимаемого слоя 400- 500 С.
В ходе экспериментов горелка устанавливалась перпендикулярно к вращающейся детали в плоскости её диаметрального сечения и закреплялась наг продольном суппорте токарного станка с противоположной от резцедержателя стороны. Горелка устанавливалась так, чтобы факел пламени можно было на- ;. править под прямым углом к заготовке. Заготовку обрабатывали проходным? ; резцом отогнутым с напаянной пластиной из твердого сплава. Марка твердого сплава напаянной на инструмент пластины менялась в зависимости от обрабатываемого материала заготовки.
В состав установки входит ацетилен- кислородная горелка, газовый пост, состоящий из баллонов высокого давления со сжатым газом, установка для 1111Д поверхности обрабатываемой резанием с нафевом заготовки и система. подачи охлаждающей жидкости на поверхность детали в зону за режущим ин струментом и на обкатной инструмент. Подача охлаждающей жидкости на нагретую поверхность детали за режущим инструментом и перед накатником производилась для проведения сравнительных экспериментов проверки получения в результате холодного ППД твердости поверхностного слоя металла.
Установка для исследования совмещенного процесса резания с нагревом с ППД обработанной поверхности представляла собой токарный станок с навесным оборудованием. Экспериментальная установка схематически показана на рис.2.19.
Настройка накатника на нужный режим давления производился по встроенному динамометру винтовой парой. Расстояние между резцом и накатником регулировалось винтовыми парами, встроенными в поперечины. В поперечном суппорте данный спаренный инструмент зажимался по поверхностям державки накатника. Инструмент выставлялся в плоскости диаметрального сечения заготовки подкладыванием тонких металлических пластин под державку накатника при зажиме болтами в суппорте станка. Накатник размещался на том же продольном суппорте станка за режущим инструментом. Сопло для подачи СОЖ на поверхность нагретой детали располагалось перпендикулярно плоскости резания над деталью между инструментом и накатником. Расход жидкости регулировался изменением диаметра сопловой насадки и давлением сжатого воздуха в системе. От расхода, степени эмульгирования и температуры СОЖ, подаваемой на разогретый металл, зависела быстрота охлаждения поверхности. Конструкция резца, спаренного с накатником, показана на рис. 2.20.
Контроль температуры нагрева поверхности заготовки, нагреваемой пламенем горелки, проводили визуально по цветам побежалости. В ряде исследований замеры производили переносным пирометром «Луч-Н» по методике изложенной в паспорте прибора [84]. Диапазон измеряемых температур от 500 до 1200 С. и погрешность измерения-0,5 - 1,0 %. Температура обработанной режущим инструментом поверхности детали перед накатником (с охлаждением и без него СОЖ) замерялась инфракрасным электронным термометром касания фирмы «Optris» с пределами измерения температуры, нагретой металлической поверхности от -32 до +520 С [85]. Температура в зоне резания измерялась встроенной в динамометрическую головку термопарой касания.
При срезании с вращающейся заготовки слоя нагретого до температур разупрочнения металла необходимо учесть, что на различной глубине металл заготовки нагрет до разных температур. При резании, в обрабатываемый металл за счет совершаемой работы резания, вводится дополнительное тепло, которое разогревает, как деталь, так и сходящую с резца стружку. Именно поэтому экспериментальные замеры температуры нагрева сходящей стружки выше теоретической средней температуры в срезаемом слое металла. Например, средняя температура стружки, получающейся в результате срезания слоя толщиной в 4мм (см. рис.2.21), будет равна: Т= (1000 +800 + 600+ 450): 4 + АТ= 712,5 С. + AT, где AT- приращение температуры в зоне резания за счет совершенной работы резания.
Численное значение приращения температуры можно определить теоретически, прибегая к зависимостям теплопроводности, либо в результате эксперимента замером температуры сходящей с резца стружки. Замеренная пирометром «Луч», средняя температура сходящей стружки (сделано три замера) Т— 1123,8 С. при температуре нагрева поверхности заготовки вГ= 1000 С. Поле распределения температур непосредственно в срезаемом слое металла перед резцом показано на рис. 2.21. Стружки сходит с резца в виде прямой полосы толщиной равной величине подачи режущего инстркумента при резании. С учетом выше приведенных данных пластические свойства стружки при стружкообразовании будут выше, чем у срезаемого слоя перед режущим инструментом в корне стружки. На фотографии рис. 2.22 запечатлен момент резания разогретого до розового свечения металла. Видна сходящая с резца раскаленная до желтого цвета стружка, которая после остывания приобретает металлический серый цвет (см. рис. 2.23).
Методика определения усилия резания при холодном резании металла и при резании с нагревом заготовки пламенем газовой горелки
Замеры усилия резания проводились на базе кафедры «Станки и инструмент» НГТУ и лаборатории НВВИКУ. Исследования включали в себя проведение экспериментов по определению сил резания и температуры резания в зоне стружкообразования при обработке холодной и нагретой заготовки.
Для проведения экспериментальных исследований была привлечена специальная установка, позволяющая измерять температуру и усилие резания. Динамометрическая головка закреплялась на суппорте токарно-винторезного (рис. 3.4) станка.
На фотографии установки на суппорте видна закрепленная динамометрическая головка, а на столе - приборы, фиксирующие изменения усилия резания и температуру в зоне резания заготовки инструментом.
В качестве обрабатываемых материалов применяли различные конструкционные и легированные стали ст.45, 40Х, 20X13, 15ХМ, отличающиеся друг от друга химическим составом, механическими и теплофизическими свойствами. Образцами для исследований приняты заготовки в виде вала диаметрами 20-60 мм, длиной 300 мм. Обработка производилась резцами с припаянными пластинами из твердого сплава ВК 6 и Т15К6, с геометрическими параметрами а По результатам предварительных исследований установлены следующие пределы режимов нагрева заготовок Ти— 300-700 С.
Определение усилия резания нагретого до температур разупрочнения металла проводилось на той же установке, на которой снимали замеры усилия при холодном резании. Нагрев осуществлялся пламенем ацителен-кислород-ной горелки. Ядро пламени (Т= 2500 С) приближено к поверхности заготовки.
В ходе экспериментов изменялись режимы резания: - глубина резания -от 0,8 мм до 4,0 мм; -величина продольной подачи - от 0,28 мм/об до 0,52 мм/об; -частота вращения шпинделя, при обоих способах - от 200 мин"1 до 1600 мин" .По окончании резания с нагревом фиксировалась температура нагрева обработанной детали и контролировались линейные и диаметральные размеры. Кроме того, фиксировались цвета побежалости на обработанной детали и форма стружки, получавшаяся при резании.
На цветной фотографии (рис.3.5) видно, что в зоне резания металл нагрет до температуры Т= 610 С, сходящая с резца стружка разогрета до температуры Т= 800 - 1000 С.
Теоретическая зависимость усилия резания от режимов резания и температуры нагрева заготовки пламенем горелки определена методом математического моделирования по приведенной ранее методике Спиридонова [58]. В качестве основных факторов, влияющих на изменение усилия резания, выступают: твердость и прочность обрабатываемого материала, режимы резания и различная степень нагрева детали.
Первые два фактора твердость и прочность металла выступают в качестве постоянных величин (поскольку эксперименты проводятся над одной и той же маркой стали) и в не композиционный план не вносятся. Следовательно, у нас имеется четыре основных фактора:
Необходимо поставить полный многофакторный эксперимент типа 3- с применением метода Бакса - Уилсона [106]. Результаты экспериментов при точении цилиндрических заготовок из стали 40Х и наличие априорной информации позволили составить не композиционный план ротатабильного планирования проведения эксперимента (табл. 3.3). Здесь под Хь Х2; Х3 и Х4 понимается влияние факторов на У - соответствующий усилию резания - Р в Ньютонах. Как известно из исследований [19] при резании с нагревом глубина резания значительно больше глубины резания обычного резания.
Кроме того, показатели основного уровня для четвертого фактора характеризуют присущие только этому температурному режиму физико-механические свойства металла. Поэтому для соблюдения всех требовании ро-татабельного планирования во всех случаям резания с нагревом глубина резания не превышала максимально допустимую величину при» холодном резании. Зависимость усилия резания от скорости V, подачи S и глубины резания t при обработке холодными резцами из быстрорежущих сплавов могут быть получены методом математического моделирования [105].
Для контроля достоверности заполнения данной табл. 3.3. была составлена табл. 3.4, уровней факторов в которой заданы ограничения режимов резания и нагрева при проведении экспериментов.
Вывод данной зависимости произведен с привлечением не композиционного плана многофакторного планирования эксперимента. В качестве плана эксперимента выбран центральный композиционный ротатабельный план второго порядка. Принятые численные значения уровней факторов указаны в табл. 3.5.
Отличием нашего исследования от [105] заключается в том, что результаты экспериментов получены при резании детали нагретой пламенем горелки до Т= 400 С. Численное значение усилия резания от режимов резания может быть представлена зависимостью где j; Р; TJ и «-показатели степени; С - коэффициент, зависящий от марки стали. Линиазируем данное выражение данное уравнение представим в виде в котором Х\; хг; Хз и Х4 - кодированные значения логарифмов факторов. Для оценки коэффициентов полученного уравнения используются результаты многофакторного эксперимента. Результаты опытов представлены в виде: у = в0 + в,х, + в2х2 + в3х3 + e4x4 + в12х,х2 + в23 х
Для измерения сил резания использовался универсальный динамометр УДМ-600 конструкции ВНИИ с усилителем ТА-5 и осциллографом Н-11.
Исследования составляющих сил резания Р2 и Ру при точении с нагревом (Тн= 400 С) и без него показали, что происходящее в результате нагрева разупрочнение верхнего слоя металла приводит к снижению сил резания практически для всех режимов обработки в 1,3 - 2 раза. Такое снижение нагрузки на инструмент является существенным резервом повышения точности размеров на 1-2 квалитета при обработке нежестких валов, увеличения подачи и глубины резания, а значит - производительности обработки в 5 - 7 раз, особенно на черновых операциях. Результаты исследования были обработаны на компьютере и представлены в виде трех мерных фафиков зависимости Pz. =f(V, S, t и T) см. рис.3.6-3.10[107].
Определение времени нагрева детали до температур разупрочнения сни маемого слоя металла при резании с нагревом
При холодной обработке металла резанием, под действием прилагаемых сил, в поверхностном слое обрабатываемой детали происходит пластическая деформация, сопровождающаяся деформационным упрочнением (наклепом). Интенсивность и глубина распространения наклепа возрастают с увеличением силы Ру и продолжительности её воздействия, а также с повышением степени пластической деформации металла в поверхностном слое под действием этой силы. Одновременно с упрочнением от силового воздействия в металле поверхностного слоя протекает процесс разупрочнения металла от температуры резания. Конечное состояние металла поверхностного слоя определяется соотношением скоростей протекания процессов упрочнения и разупрочнения, зависящих от преобладания действий в зоне резания силового или теплового факто-ра [3]. Степень и глубина распространения наклепа изменяются в зависимости от вида и режима механической обработки и геометрии режущего инструмента. На практике значимое влияние оказывают силы трения, изменение условий отвода теплоты из зоны резания, структурные изменения металла и другие факторы, связанные с режимами резания. Так, например, в процессе холодной обработки точением наклеп повышается при увеличении подачи и глубины резания, а также при переходе от положительных передних углов резца к отрицательным [13]. Возникновение остаточных напряжений в поверхностном слое при холодной обработке металла заготовок резанием объясняется следующими основными причинами: 1)
При воздействии режущего инструмента в поверхностном слое протекает пластическая деформация, сопровождающаяся упрочнением и изменением не которых физических свойств металла. Пластическая деформация вызывает из менение плотности в тонком поверхностном слое детали, что обуславливает рост удельного объема металла в слое. Увеличению объема пластически де формированного металла поверхностного слоя препятствуют связанные с ним не деформированные ниже лежащие слои; в результате этого в наружном слое возникают сжимающие напряжения, а в ниже лежащих слоях - растягивающие остаточные напряжения. 2) Режущий инструмент, снимающий с обрабатываемой поверхности стру жку, в зоне контакта вытягивает кристаллические зерна металла поверхност ного слоя заготовки, которые при этом претерпевают упругую и пластическую деформацию растяжения в направлении приложения силы резания. После уда ления режущего инструмента пластически растянутые верхние слои металла приобретают остаточные напряжения сжатия. Остаточные напряжения ориен тированы в сторону подачи и скорости резания. 3) При отделении от обрабатываемой поверхности стружки, после пластического вытягивания кристаллических зерен металла поверхностного слоя в направлении резания, происходит их дополнительное вытягивание под влиянием сил, связанных с холодным резанием обрабатываемой поверхности по направлению схода сливной стружки, т.е. вверх. В результате холодного резания происходит изменение в формировании кристаллического строения поверхностного слоя. Кристаллы металла вытягиваются в вертикальном и сжимаются в горизонтальном направлениях. Это является причиной появления остаточных напряжений. 4) Выделяющаяся в зоне резания теплота мгновенно нагревает тонкие поверхностные слои металла до высоких температур, что вызывает увеличение его удельного объема. Однако в разогретом слое не возникают внутренние напряжения в связи с тем, что модуль упругости металла снижается до минимума, а пластичность возрастает. После прекращения воздействия режущего инструмента происходит быстрое охлаждение металла поверхностного слоя, сопровождающееся сжатием; этому препятствуют нижележащие слои металла, оставшиеся холодными. В результате во внешних слоях металла развиваются остаточные напряжения растяжения, а в нижележащих слоях - уравновешивающие их напряжения растяжения. 5) При холодной обработке резанием металлов, склонных к фазовым превращениям, нагрев зоны резания вызывает структурные превращения, связанные с объемными изменениями металла. В этом случае в слоях металла со структурой, имеющей больший удельный объем, развиваются напряжения сжатия, а в слоях со структурой меньшего удельного объема - остаточные напряжения растяжения [14], [15], [16] При резании металла любая из вышеуказанных причин может преобладать и определять величину и характер остаточных напряжений. Технологическая система станок - приспособление - заготовка -инструмент представляет собой упругую систему, деформации которой в процессе обработки обуславливают возникновение систематических и случайных погрешностей размеров и геометрических форм обрабатываемых заготовок. Вместе с тем эта технологическая система является замкнутой динамической системой, способной к возбуждению и поддержанию вибраций, порождающих погрешность формы обрабатываемых поверхностей (отклонение от круглости волнистость) и увеличивающих шероховатость обрабатываемой поверхности [17-20]. На рис. 1.5. приведена схема эпюр давления инструмента при резании. Жесткость технологической системы в начальный момент резания металла характеризуется следующей величиной отжатия заготовки режущим инструментом А = 2(узб + Ушстр). Жесткостью j технологической системы называется способность этой системы оказывать сопротивление действию деформирующих ее сил. Если у3б и у„б. малы, а уъъг значительна, то в результате обработки заготовка приобретает бочкообразную форму, а если величины усилий имеют обратное значение то форма поверхности детали становится седлообразной. В работе [21] предложено выражать жесткость у кН/м (кгс/мм), технологической системы отношением нормальной составляющей Ру , кН (кгс), силы резания к суммарному смещению у, м (мм), лезвия режущего инструмента относительно обрабатываемой поверхности заготовки, измеренному в направлении нормали к этой поверхности, т.е. Податливостью технологической системы со называется способность этой системы упруго деформироваться под действием внешних сил. По аналогии суммарная податливость системы В случае обработки заготовки в центрах резцом (на расстоянии х от передней бабки) Влияние упругих отжатий на размер обрабатываемой заготовки показано на схеме рис. 1.6: а - смещение оси заготовки из-за отжатий станка и заготовки; б - смещение вершины резца от центра заготовки в связи с отжатием и прогибом резца.
