CC BY
12УДК 621.91.01
А.С. Богданов А.Н. Селиванов
АНАЛИТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ РЕЖИМОВ РЕЗАНИЯ
НА ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ПРИ ОБРАБОТКЕ
ЗАКАЛЁННЫХ СТАЛЕЙ
В статье приведены аналитические данные влияния режимов резания на качество обработки закалённых сталей
Ключевые слова: режимы резания, качество обработки, закалённые стали.
К современному оборудованию предъявляются повышенные требования по эксплуатации. Для их удовлетворения широко используются закалённые стали. Т. к. закалка, как вид операции часто имеет промежуточное положение в техпроцессе изготовления детали, требуется последующая механическая обработка для получения окончательных заложенных технических характеристик.
Обработка металлов резанием является одним из самых распространённых способов получения деталей механизмов и машин. Данный процесс характеризуется наличием силового и теплового факторов, которые могут оказывать влияние на окончательные физико-механические характеристики изготавливаемой детали.
При исследовании теплофизики процесса резания металлов (лезвийным, абразивным) инструментом ученые обращаются к области обработки металлов с помощью сварки. Так как данный метод воздействия на металл имеет схожие тепловые явления за разницей в скорости протекания процесса.
Таким образом на основе анализа рисунков 1 [1] и 2 составим сравнительную таблицу 1 по двум методам обработки металла (сваривание и резание) теплового воздействия на заготовку.
и Щ
„ , „ Рис. 2. Условное распределение
Рис. 1. Строение зон сварного соединения г „
зон теплового воздействия
Таблица 1
Зоны теплового воздействия на заготовку при различных видах обработки_
Процесс сварки Процесс лезвийной обработки
I - металл шва (МШ) I - зона локальной температуры резания
II - зона термического влияния (ЗТВ) II - зона термического влияния
III - основной металл (ОМ) III - основной металл
На рисунке 3 показано распределение температур по зонам термического влияния при сварке [1]. В зависимости от химического состава обрабатываемого металла, значения температур, возникающих в зоне обработке и скорости охлаждения можно предвидеть фазовое изменение обрабатываемого металла.
При моделировании эксперимента были приняты следующие данные:
- Вид исследуемой обработки - токарная.
- Режущий инструмент - токарный резец проходного типа геометрии PCLCR 2020 М12:
- Режущий элемент резца - токарная пластина фирмы Sumitomo типа CCMG120402 BNC200 (кубический нитрид бора). Рекомендуемые режимы резания: Vр = 50 ^ 230 м/мин; S = 0,05 ^ 0,3 мм/об [2].
- Обрабатываемый материал - сталь 95Х18 ТУ14-1-3957-85 твёрдостью HRC 55 ^ 63.
© Богданов А.С. Селиванов А.Н., 2019.
зтв зтв
Рис. 3. Распределение температур по зонам термического влияния при сварке
Аналитическое исследование шероховатости обработанной поверхности
Для оценки качественных показателей шероховатости обработанной поверхности воспользуемся формулой 1 [4].
Rz =
S • sin(^) • sin(^') sin(180 -ф-ф)
(1)
Расчёты проводились с привязкой к изготовлению детали «Гильза». По требованиям конструкторской документации шероховатость обработанной поверхности должна соответствовать Яа 0,16 (10 класс) [5].
Полученные результаты представлены на рис. 4. Проведённое численное моделирование показало, что для обеспечения требуемого показателя шероховатости Яа 0,16 мкм необходимо назначать подачу 8 не более 0,013 мм/об. Режимы резания используемые в производстве: Ур = 50 ^ 100 м/мин; 8 = 0,015 ^ 0,025 мм/об.
4x10
3x10
Rz мм
2x10
1x10
1 у
001
0015
0.02 0.025
S мм'об
003
Рис. 4. Зависимость шероховатости Яа обработанной поверхности от подачи 8
Для дальнейшего исследования влияния режимов резания на качество обработанной поверхности с учётом полученных расчётных значений требуемой величины подачи 8 для обеспечения необходимой шероховатости Яа обработанной поверхности детали и общеизвестных закономерностей влияния режимов резания [6] составлена таблица используемых режимов резания (табл. 2).
Таблица 2
Режимы обработки стали 95Х18
№ Скорость резания Vp, м/мин Подача 8, мм/об Глубина резания t, мм
0,01
1 50 0,02 0,1
0,03
0,01
2 140 0,02 0,1
0,03
0,01
3 230 0,02 0,1
0,03
Аналитическое исследование структурно-фазового состава
Известно, что тепло образующееся в процессе резания в отдельных случаях может носить критический характер и оказывать влияние на структурно-фазовый состав обработанной поверхности заготовки.
Температура заготовки зависит от количества поступившего тепла вовнутрь. Для её расчёта воспользуемся формулой 2 [7].
е=с-р-V- (г2 - т) (2)
где:
Р - теплота резания;
с - удельная теплоемкость материала заготовки (Дж/кг • ОС);
р - плотность материала заготовки (кг/м3);
V- объем заготовки (м3);
Т2 - конечная температура заготовки (ОС);
Т - начальная температура заготовки (20 ОС);
Количество теплоты образующееся в процессе резания рассчитаем по формуле 3 [7]:
е=- vp (3)
Силу резания Р7 рассчитаем исходя из применяемых режимов резания (табл. 2) по формуле 4 [8]:
Pz = 10 • CD • tx
vn • к
(4)
Количества тепла переданного заготовке рассчитаем по формуле 5 [7].
Pz - Vр - Тмаш
0заг
427
(5)
Машинное время рассчитаем по формуле 6 [9].
Тмаш =
L
n • S
(6)
Для расчёта температуры заготовки воспользуемся формулой 2 и преобразуем её:
е
T = 1 2
c • р • V
■ +1
(7)
Полученные результаты представлены на рисунке 5а и 5б. Изучение графиков, полученных аналитическим путём показало, что работа на высоких режимах резания ^р, 8) способствует уменьшению тепловой нагрузки приходящейся на деталь. Что согласуется с общей теорией резания [10].
Из полученных расчётных данных температуры в верхних слоях детали дадим аналитическую оценку вероятной структуре металла находящейся в данном месте.
а) б)
Рис. 5. Зависимость температуры верхнего слоя заготовки на глубине 0,1 мм
от режимов резания
Согласно справочным данным [11] термообработка стали 95Х18 выполняется при следующих режимах:
- закалка 1000 - 1050 °С, охлаждение в масле;
- отпуск 200 - 300 °С, на воздухе или в масле.
Получаемая структура:
- фазовый состав - аустенит;
- структурный состав - у-Ре;
- тип решетки - ГЦК;
- твёрдость - HRCэ Св. 56.
Проведённое числовое моделирование показало, что в зависимости от принятых режимов резания температура в верхних слоях детали может находится в диапазоне 228 ^ 364 °С (рис. 5а). Согласно диаграмме железо-углерод данный диапазон соответствует низкотемпературному отпуску с образованием фазы металла перлит + цементит, при времени выдержки 1 - 2 часа. Т. к. общее время контакта режущего инструмента с деталью составляет от 10 до 143 секунд (рис. 5б) подобные фазовые образования в металле не ожидаются и общий структурно-фазовый состав и твёрдость останутся неизменными.
Аналитическое исследование величины наклепа
Так же в процессе резания происходит упрочнение обработанной поверхности детали под действием сил резания. Ожидаемую величину наклёпа вычислим по формуле 8 [12].
N = 40• Ис -б»;0,72 (8)
где:
N - степень наклёпа (%);
Ис - глубина наклёпа (мкм);
9 - оптимальная температура резания (ОС);
При численном моделировании величины наклепа получены данные (рис. 6) из которых видно, что при выбранных режимах резания (табл. 2) степень наклёпа может достигать 14%. При этом показатели наклёпа увеличиваются прямо пропорционально температуре поверхности детали.
16
14
12
10
У
а)
МО 250 300 350 400 Тзаг
б)
Рис. 6. Зависимость степени наклёпа от: а - режимов резания; б - температуры поверхности детали
Библиографический список
1.Конищев Б. П. Теория сварочных процессов. Основы металловедения сварки / НГТУ; Сост.: Б. П. Конищев. Н. Новгород, 2006 - 24с.
2.http://www.sumitomo-tools.ru
3.Грачев Ю. П. Математические методы планирования экспериментов / Ю. П. Грачев. М.: «Пищевая промышленность», 1979 - 200с.
4. Селиванов А. Н. Повышение производительности и качества обработки тел вращения из титановых сплавов методом высокоскоростного фрезерования и фрезоточения / А. Н. Селиванов : автореферат дис. кандидата технических наук : 05.02.07, 05.02.08. / Саратов, 2011 - 20с.
5.Селиванов А. Н. Производственный опыт применения станков с ЧПУ при обработке труднообрабатываемых материалов / А. Н. Селиванов // Молодые ученые - науке и производству : сборник трудов по итогам региональной научно-практической конференции. - Энгельс : ЭТИ (филиал) СГТУ имени Гагарина Ю.А., 2015. - С. 89-93.
6.Ящерицын П. И. Теория резания / П. И. Ящерицын, Е. Э. Фельдштейн, М. А. Корниевич. - 2-е изд., испр. и доп. Мн.: Новое задание, 2006 - 512 с.
7.Резников А. Н. Тепловые процессы в технологических системах / А. Н. Резников, Л. А. Резников. М.: Машиностроение 1990 - 288с.
8.Касилова А. Г. Справочник технолога машиностроителя. В 2-х т. С74 Т. 1/Под ред. А. Г. Касиловой, Р. К. Мещерякова. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1986. - 656с.
9.Горбацевич А. Ф. Курсовое проектирование по технологии машиностроения / А. Ф. Горбацевич, В. А. Шкред // Учеб. пособие для машиностроит. спец. вузов - 4-е изд., перераб. и доп. - Мн.: Выш. школа, 1983. - 256 с.
10. Зорев Н. Н. Развитие науки о резании металлов. Под ред. Н. Н. Зорева, Г. И. Грановского, М. Н. Ларина, И. П. Третьякова, М.: «Машиностроение», 1967 - 414с.
11. http://www.artwood.ru/state/view/54.html
12. Силин С.С. - Метод подобия при резании материалов / С.С. Силин. М.: «Машиностроение», 1979 - 152с
БОГДАНОВ АРТЁМ СЕРГЕЕВИЧ - магистрант, Саратовский государственный технический университет им. Ю.А. Гагарина, Россия.
СЕЛИВАНОВ АЛЕКСАНДР НИКОЛАЕВИЧ - кандидат технических наук, инженер-технолог АО ЭОКБ Сигнал им. А.И. Глухарёва Саратовская обл. г. Энгельс, Россия.
