CC BY
20
DOI 10.25987/^ТО.2019.15.5.019 УДК 621.914
АНАЛИЗ МОРФОЛОГИИ СТРУЖКИ, ПОЛУЧЕННОЙ МЕТОДОМ ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНОГО ФРЕЗЕРОВАНИЯ
М.В. Вилкина
Балтийский государственный технический университет «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова,
г. Санкт-Петербург, Россия
Аннотация: данное исследование направлено на изучение морфологии стружки, полученной методом высокопроизводительного фрезерования (ВПФ) на станке с ЧПУ со средними кинематическими и силовыми характеристиками путем фрезерования высококачественной легированной стали для четырех уровней производительности с повышением режимов резания и средней толщины стружки. Полученные образцы стружки были сгруппированы по уровню обработки, после чего на электронном микроскопе были получены микроснимки образцов каждой группы и проведен их морфологический анализ с целью установления оптимальных условий ВПФ. На основе результатов современных исследований в данной области удалось установить оптимальную границу повышения динамики обработки, в пределах которой можно ожидать снижения износа инструмента, связанного с термическими эффектами и адгезией. Глубина обработки превышала 2 диаметра фрезы, при этом были найдены оптимальные условия резания, при которых опасные для инструмента явления адиабатического сдвига не проявляются и стружка по общей классификации по своей морфологии близка к сливной. При этом благодаря рассчитанной в САМ системе траектории ВПФ стружка имеет постоянную толщину и сегментирована достаточно, чтобы удовлетворять условиям автоматизированного производства
Ключевые слова: резание металлов, высокопроизводительное фрезерование, морфология стружки, повышение производительности
Введение
Лезвийная обработка методом фрезерования занимает ведущее место в машиностроении. Задача сокращения затрачиваемого машинного времени и повышения производительности данного метода служит причиной внедрения новейших технологий в данной области. Помимо широко известного метода высокоскоростного фрезерования, сегодня интенсивно внедряются в производство метод высокопроизводительного и высокоподачного фрезерования [1]. Воплощение данных технологий стало возможным благодаря комплексному развитию металлорежущих станков с ЧПУ, инструментальных материалов и геометрии режущего инструмента, а также систем программирования станков с ЧПУ. Особый интерес представляет изучение вопросов, связанных с практикой применения данных новейших методов обработки: условий использования, ограничений, накладываемых внешней средой, номенклатурой изделий, техническими и технологическими особенностями производства. Также, с экономической точки зрения, актуальным предметом исследования является возможность применения новейших методов с минимальными затратами. Данная работа по-
© Вилкина М.В., 2019
священа анализу применения метода высокопроизводительного фрезерования на станках с ЧПУ общего назначения, без использования специализированного оборудования. Под специализированными в данной работе понимаются станки с ЧПУ, предназначенные для обработки определенных материалов или реализации определённых производительных методик, таких как высокоскоростное фрезерование [2, 3]. Неспециализированным называют станки общего назначения, не отличающиеся повышенной жесткостью конструкции, мощным или скоростным шпинделем и т.д. Так, максимальная частота шпинделя, устанавливаемого на подобное оборудование, достигает 8 000 - 10 000 об/мин. [4].
Метод ВПФ имеет несколько отличительных характеристик, по которым оценивается эффективность его применения [5]. Во-первых, за основную характеристику процесса принимается так называемая объемная производительность резания. Данная величина рассчитывается как объем металла, удаленный за единицу времени. Главной целью ВПФ является оптимизация объемной производительности резания, а следовательно, сокращение машинного времени. Во-вторых, при ВПФ максимально используется поверхность инструмента вдоль его режущей кромки, и глубина резания может достигать четырех диаметров фрезы. Данное условие является ключевым фактором
повышения производительности. Траектория ВПФ имеет сложную геометрию, она рассчитывается таким образом, чтобы толщина стружки была постоянной, при этом величина контакта фрезы с материалом, скорость и подача становятся переменными величинами [4].
Резание металлов с образованием стружки является комплексным физическим процессом. Необходимую основу для оптимизации процесса резания и разработки технологических рекомендаций по построению операций лезвийной обработки деталей современной техники представляют исследования физических явлений, протекающих в зоне контакта инструмента с деталью. Анализ морфологии стружки, полученной изучаемым методом фрезерования, позволяет судить о деформационных, температурных, силовых процессах в зоне резания при управляемых переменных режимах обработки. Также интерес представляют изучение и прогнозирование уровня вибраций и их влияния на состояние обрабатываемой поверхности при ВПФ, которое также производится на основе анализа образцов стружки [6].
Анализ морфологии стружки, в первую очередь, затрагивает вопрос определения типа модели, по которой возникают изучаемые образцы. В целом выделяют три вида стружки: сливная, элементная и стружка надлома. Но для процессов современного скоростного и высокоподачного фрезерования, когда стружка в любом случае будет разделена на сегменты, четких границ зачастую не наблюдается, и стружку рассматривают как элементную, особое внимание направляя на ее зубчатую структуру, выделяющуюся на микроснимках.
На данный момент исследователи выделяют три теории формирования зубчатой структуры стружки в зависимости от скорости пластической деформации и свойств обрабатываемого материала. Исследования советских ученых, таких как Бобров, Лоладзе, Клушин и др., относящиеся к 50-70 гг. прошлого века [7], дополнились современными разработками западной науки, в большей степени тяготеющими к практическому применению на современном оборудовании с ЧПУ и с использованием ISO инструментальных материалов, особенно твердых сплавов с покрытиями.
Первая теория формирования зубчатой структуры стружки рассматривает главной причиной эффект адиабатического разогревания зоны сдвига теплом, образующимся при
пластическом деформировании срезаемого слоя с высокой скоростью деформации [8]. Вторая теория принадлежит Виас и Шоу (Vyas и Shaw) (1999) [9] и называется теорией циклического разрушения или надлома. Согласно ей, основной причиной зубчатого строения стружки является образование в срезаемом слое материала системы трещин. Разделение методов по признаку чувствительности к адиабатическому сдвигу привело к появлению третьей теории, объединяющей оба механизма. Бай и Додд (Bai и Dodd) [10] предположили, что полоса адиабатического сдвига предшествует разрушению, которое происходит в две стадии. Сначала происходит термическое разупрочнение материала, а затем разрушение. Экспериментально доказано, что трещины проходят вдоль полос адиабатического сдвига [11].
Приведенные исследования и выводы нашли свое наиболее наглядное подтверждение в экспериментальных исследованиях Ванг и Жаньцян (Wang, Zhanqiang) (2013) [12]. В указанной работе показана зависимость морфологии стружки от динамических свойств обрабатываемого материала и режимов резания. Фрезерной обработке на разных режимах подвергались два вида материала: алюминиевый сплав и углеродистая сталь. При этом авторы выявили одинаковые законы изменения морфологии полученной стружки, отличие заключалось лишь в скоростях резания, при которых эти изменения возникали. Соответственно, подтверждая третью теорию образования зубчатой стружки, ключевой особенностью явилась именно чувствительность материала заготовки к адиабатическому сдвигу (рис. 1), на который, в свою очередь, наибольшее влияние оказали скорость резания и подача. Уровень сегментации зубчатых вершин образцов стружки зависит от пластичности материала. Исследуемому алюминиевому сплаву потребовалась большая скорость резания, чем стали, чтобы достигнуть тех же значений сегментации. Показано, что повышения только скорости резания недостаточно, чтобы получить полезное разупрочнение материала при резании. Увеличение подачи без резкого увеличения скорости резания позволяет достигнуть положительного эффекта, при этом избежать чрезмерного нагрева в зоне резания и, как следствие, уменьшить износ инструмента и компенсировать негативные температурные последствия.
Рис. 1. а - изменение морфологии стружки в зависимости от условий резания и поведения материала в зоне сдвига; ■ микрографические снимки свободной поверхности стружки АВ1 1045 (сталь 45) при разной скорости резания, толщина стружки 0,1 мм; в - микрографические снимки шлифов образцов стружки, соответствующих (б)
]1и»ПГПП( кер^МОГГП ггргакн
Неррсрьтвая структура Г ЗуСчнт ая сТр)гктура
б
Таким образом, изучение морфологии полученной в результате серии экспериментов стружки в сочетании с новейшими исследованиями производительных методов фрезерования позволит провести анализ оптимальных условий использования ВПФ на станках общего назначения, а также качественно оценить достигнутый уровень производительности резания.
Методика проведения исследования
Исследование направлено на изучение морфологии стружки, полученной высокопроизводительным фрезерованием легированной высококачественной стали 12ХНЗА на станке AWEA AF-1000, оснащенном 7,5 кВт шпинделем, имеющим максимальную скорость в 10 000 об/мин. (средние кинематические и силовые характеристики).
В ходе исследования применялся комплекс технологических параметров четырех уровней, характеризующихся разной степенью производительности, с фиксацией состояния технологической системы во время резания и последующим изучением морфологии образцов стружки для каждого уровня обработки.
Обработка производилась твердосплавной фрезой производства SGS (табл. 1) для четырех уровней производительности с повышением режимов резания и средней толщиной стружки, при этом глубина резания оставалась неизменной и составляла 26 мм. Закрепление инструмента происходило в цанговый патрон, глубина резания превышала 2D фрезы. Технологические параметры для каждого уровня указаны в табл. 2.
Таблица 1
Характеристики режущего инструмента
Характеристики Значения
Полное наименование SGS 45103 12
Диаметр фрезы, мм 12
Количество зубьев 6
Длина режущей части, мм 26
Угол подъема стружечной канавки, град. 41
Материал фрезы Твердый сплав
Покрытие ТШАМ1ТЕ-Х
Таблица 2
Технологические параметры уровней производительности
Название параметра Уровень
1 2 3 4
Толщина стружки, мм 0,052 0,058 0,064 0,07
Скорость резания, м/мин 42 72 84 90
Среднее значение скорости вращения шпинделя, об/мин 1120 1908 2226 2410
Среднее значение подачи, мм/мин 1110 2121 2512 2360
Среднее значение подачи, мм/зуб 0,163 0,185 0,188 0,196
Объемная производительность резания, мм3/сек 113 207 233 275
Состояние технологической системы фиксировалось в процессе обработки: однородность стружки (размер и цвет), температура, износ покрытия и геометрии фрезы. Во время резания смазочно-охлаждающие технологические средства (СОТС) не применялись, т.к. это могло привести к сокращению стойкости инструмента [13]. Также использование СОТС не желательно по причине искажения картины микроструктуры образцов стружки с точки зрения влияния адиабатического сдвига. В процессе обработки фиксировались колебания температуры в зоне резания, температуры инструмента и заготовки после резания. Измерения осуществлялись инфракрасным пирометром СЕМ DT-8863 481691.
Полученные образцы стружки были сгруппированы по уровню обработки, после чего на электронном микроскопе были получены микроснимки образцов каждой группы и проведен их морфологический анализ.
Результаты исследования и их обсуждение
вых трех уровней обработки не имеют внешних следов влияния температуры, однако для образцов четвертого уровня наблюдается потемнение прирезцовой поверхности. Зафиксированные температуры показаны в табл. 3. Распределение температур для наиболее агрессивного уровня обработки фиксировалось тепловизором Testo 875 и показано на рис. 3.
С целью установления оптимальных условий ВПФ были изучены микроснимки образцов стружки и соотнесены с зафиксированными температурами. На снимках, как и в работе [13], отчетливо прослеживаются стадии деформации до состояния видимости полос адиабатического сдвига, но без критического сегментирования, что объясняется ограничениями технологической системы, а именно, характеристиками станка. При попытке поднять уровень резания, увеличить толщину стружки и динамику обработки срабатывает автоматическая система предотвращения перегрузок и станок останавливается.
Внешний вид полученных образцов стружки показан на рис. 2. Образцы для пер-
Рис. 2. Внешний вид стружки в зависимости от уровня обработки
140
Рис. 3. Распределение температур для четвертого уровня обработки
Таблица 3
Зафиксированная максимальная температура для разных уровней обработки_
Зафиксированная максимальная температура, град. Цельсия Уровень
1 2 3 4
В зоне резания 80 86 105 120
Фрезы после остановки 50 60 70 60
Заготовки после остановки 30 40 50 70
Таким образом, полученный уровень производительности является оптимальным с точки зрения характеристик оборудования. Для оценки вероятности инструментального износа по причине адиабатного сдвига, как доминирующего процесса деформации, использовались микроснимки образцов стружки. Снимки получены с помощью сканирующего электронного микроскопа TESCAN VEGA3. На снимках отчетливо видны складчатые сегменты, которые согласно исследованию [12], являются началь-
ной стадией на пути образования зубчатой стружки. Указанные сегменты морфологически отличаются в зависимости от уровня обработки. Так, на первом уровне данные структуры практически не различимы, а к четвертому формируются совершенно отчетливо. Благодаря отличному качеству снимков удалось установить средний размер рассматриваемых структур. На рис. 4 показаны снимки с указанием размера формирующихся сдвиговых складок и соответствующий им уровень обработки.
Рис. 4. Микроснимки образцов стружки
Анализ снимков показывает, что характерные адиабатические полосы возникают для четвертой группы образцов, то есть для верхнего уровня производительности, применимого к данной неспециализированной технологической системе. Согласно работе [14], при высоких режимах резания адиабатный сдвиг - доминирующий процесс деформации, который имеет место в основной зоне резания. Появление адиабатной полосы сдвига увеличивает износ инструмента и влияет на качество обрабатываемой поверхности. Однако авторы находят данное явление полезным из-за возникновения элементной стружки, которая является обязательным условием при автоматизированной обработке. Для обработки методом ВПФ, напротив, на первое место следует поставить вопрос инструментального износа, т.к. при фрезеровании на всю глубину режущей части твердосплавной фрезы с сохранением постоянной толщины стружки последняя однородна и достаточно сегментирована для автоматизированного производства. Таким образом, из четырех уровней производительности, указанных в табл. 3, оптимизированным по величине объемной производительности резания, применимости на неспециализированной технологической системе и прогнозируемому инструментальному износу является третий уровень.
Основные результаты и выводы
Существенное сокращение машинного времени достигается применением высокопроизводительного фрезерования, при этом, в отличие от высокоскоростного фрезерования, данный метод можно успешно внедрять на неспециализированном оборудовании. Снижая таким образом требования к технологической системе, производство повышает экономическую эффективность обработки. Также экологический и экономический интерес представляет возможность сократить использование СОТС.
Полученные результаты морфологического анализа образцов стружки не противоречат современной теории, определяющей степень обрабатываемости материала по его динамическим свойствам или чувствительности к адиабатическому сдвигу. Более того, основываясь на результатах современных исследований в данной области, удалось установить оптимальную границу повышения динамики обработки, оставаясь в пределах которой можно ожидать снижения износа инструмента, связанного с термическими эффектами и адгезией.
Таким образом, с одной стороны, обработка методом ВПФ на станках общего назначения
уступает по производительности этим же методикам на специализированном оборудовании с более мощными и скоростными шпинделями, с другой - существенно превосходит принятые традиционные методы фрезерования, когда режимы резания остаются постоянными, а угол контакта фрезы с материалом и толщина стружки изменяются. В исследовании обработке подвергалась легированная высококачественная сталь 12ХНЗА. Глубина обработки превышала 2 диаметра фрезы, при этом были найдены оптимальные условия резания, при которых опасные для инструмента явления адиабатического сдвига не проявляются и стружка по общей классификации по своей морфологии близка к сливной. Благодаря рассчитанной в САМ системе траектории ВПФ стружка имеет постоянную толщину и сегментирована достаточно, чтобы удовлетворять условиям автоматизированного производства.
Литература
1. High Performance Cutting (HPC) in the New Era of Digital Manufacturing/ G. Byrne et al.//7th HPC 2016- CIRP Conference on High Performance Cutting. 2016. Рр. 1-6.
2. Звонцов И.Ф., Иванов К.М., Серебреницкий П.П. Разработка управляющих программ для оборудования с ЧПУ: учеб. пособие. СПб.: Лань, 2018. С. 477-482.
3. Станки с ЧПУ для высокоскоростного фрезерования Датрон. URL: http://www.datron.de
4. Вилкина М.В. Применение метода высокопроизводительного фрезерования для резания конструкционных сталей//Вектор науки Тольяттинского государственного университета. 2017. № 3 (41). С. 35-39
5. Hnatik J., Kutlwaser J., Sklenicka J. Machining Cutting Force Measurement. In: Proceedings of the 26th International DAAAM Symposium. 2016. Pp. 0955-0959.
6. Афонасов А.И., Ласуков А.А. Процесс элементного стружкообразования // Вестник машиностроения. 2013. № 12. С. 69-72.
7. Клушин М.И. О физических основах сверхскоростного резания металлов // Сборник трудов Горьковского политехнического института. 1961. Т. XVII. Вып. 4. С. 15-22.
8. Fourment L., Delalondre F.A. 3D study of the influence of friction on the Adiabatic Shear Band formation during High Speed Machining. In: Proceedings of the ESAFORM 2008 conference. 2008. Рр.723-728.
9 Vyas A., Shaw M.C. Mechanics of saw-tooth chip formation in metal cutting. J Manuf Sci Eng. 1999. № 121. Рр. 163-72.
10. Bai Y., Dodd B. Adiabatic shear localisation: occurrence, theories and applications. Pergamon Press. 1992. Рр. 256-328.
11. Hot deformation and microstructural damage mechanisms in extra-low interstitial (ELI) grade Ti-6Al-4V/ T. Seshacharyulu, S. Medeiros, J. Morgan, J. Malas, W. Fra-zier, Y. Prasad. Mater Sci Eng A. 2000. № 279. Рр. 289-299.
12. Wang B., Zhanqiang L. Serrated chip formation mechanism based on mixed mode of ductile fracture and adiabatic shear. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part B// Journal of Engineering Manufacture. 2013. № 228. Рр. 181-190.
13. Resource and Energy Efficiency in Machining Using High Performance and Hybrid Processes/ R. Neugebauer
et al. //5th CIRP Conference on High Performance Cutting. нии труднообрабатываемых материалов // Инновацион-
2012. Pp. 3-15. ные технологии и экономика в машиностроении: сб. тр.
14. Ласуков А.А., Чазов П.А., Барсук А.В. Изуче- V Междунар. науч.-практ. конф. В 2 тт. Томск: Изд-во
ние процесса элементного стружкообразования при реза- ТПУ, 2014. Т. 1. С. 290-294.
Поступила 10.06.2019; принята к публикации 17.10.2019
Информация об авторах
Вилкина Марина Валерьевна - аспирант, инженер кафедры «Технология и производство артиллерийского вооружения», Балтийский государственный технический университет «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова (190005, Россия, г. Санкт-Петербург, ул. 1-я Красноармейская, 1), e-mail: m.vilkina@mail.ru
MORPHOLOGY ANALYSIS OF CHIPS OBTAINED AFTER CUTTING WITH HIGH
PERFORMANCE MILLING METHOD
M.V. Vilkina
Baltic State Technical University «VOENMEH» named after D.F. Ustinov, Saint-Petersburg, Russia
Abstract: the paper is aimed at studying the morphology of chips obtained by high-performance milling (HPM) on the CNC machine with average kinematic and force characteristics by milling of high-quality alloy steel for four levels of performance with higher cutting data and average chip thickness. The samples of chips were grouped by treatment level, after which the electron microscope obtained micro pictures of the samples from each group; and we carried out morphological analysis to establish the optimal conditions of HPM. Based on the results of current research in this area, we managed to establish optimal border enhancing handling dynamics, while remaining within which we can expect a decrease in the tool wear associated with thermal effects and adhesion. The depth of treatment exceeds 2 times the diameter of the cutter, thus it was found the optimum cutting condition, in which the phenomena of adiabatic shear does not appear and the chips on the General classification in their morphology are close to the continuous. Thanks to the calculated in CAM system trajectory, HPM chip has a constant thickness and segmented enough to satisfy the conditions of the automated production
Key words: metal cutting, high performance milling, chips morphology, improving performance
References
1. Byrne G. et al. "High performance cutting (HPC) in the new era of digital manufacturing", 7th HPC 2016 - CIRP Conference on High Performance Cutting, 2016, pp.1-6
2. Zvontsov I.F., Ivanov K.M., Serebrenitskiy P.P. "Preparation of code for CNC machines" ("Podgotovka upravlyayushchikh programm dlya oborudovaniya s ChPU"), Saint Petersburg, Lan' Publ., 2018, 558 p.: 477-482
3. "Datron CNC machines for HSM", available at: http://www.datron.de
4. Vilkina M.V. "Appling of high performance milling approach for cutting of structural steel", Vector of Science of Tolyatti State University" (Vektor Nauki Tol'yatinskogo Gosudarstvennogo Universiteta), 2017, no. 3 (41), pp. 35-39
5. Hnatik J., Kutlwaser J., Sklenicka J. "Machining cutting force measurement", Proceedings of the 26th International DAAAM Symposium, 2016, pp.0955-0959
6. Afonasov A.I., Lasukov A.A. "Serrated chips production process", Bulletin of Mechanic Engineering (Vestnik Mashi-nostroeniya), 2013, no.12, pp. 69-72.
7. Klushin M.I. "About physical basis of superspeed metal cutting", Coll. Papers of Gorky Polytechnic Institute (Sbornik tru-dov Gorkinskogo Gosudarstvennogo Universiteta), 1961, vol. XVII, no. 4, pp. 15-22.
8. Fourment L., Delalondre F.A. "3D study of the influence of friction on the Adiabatic Shear Band formation during High Speed Machining", Proceedings of the ESAFORM2008 Conference, 2008, pp. 723-728
9. Vyas A. Shaw M.C. "Mechanics of saw-tooth chip formation in metal cutting", J. Manuf. Sci. Eng., 1999, vol. 121, pp. 163-72.
10. Bai Y., Dodd B. "Adiabatic shear localisation: occurrence, theories and applications, Pergamon Press, 1992, pp. 256-328
11. Seshacharyulu T., Medeiros S., Morgan J., Malas J., Frazier W., Prasad Y. "Hot deformation and microstructural damage mechanisms in extra-low interstitial (ELI) grade Ti-6Al-4V", Mater. Sci. Eng., A, 2000, vol. 279, pp. 289-99.
12. Wang B., Zhanqiang L. "Serrated chip formation mechanism based on mixed mode of ductile fracture and adiabatic shear", Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part B: Journal of Engineering Manufacture, 2013, vol. 228, pp. 181-190.
13. Neugebauer R. et al. "Resource and energy efficiency in machining using high performance and hybrid processes", 5 th CIRP Conference on High Performance Cutting, 2012, pp. 3-15
14. Lasukov A.A., Chazov P.A., Barsuk A.V. "Studing of serrated chips formation during cutting of difficult-to-machine materials ", Innovation Technologies and Economics in Mechanical Engineering: collected papers of V International Scientific-Practical Conference, Yurga, 2014, vol. 1, pp. 290-294.
Submitted 10.06.2019; revised 17.10.2019 Information about the author
Marina V. Vilkina, Graduate student, engineer of Process and Manufacturing engineering of Artillery equipment Department, Baltic State Technical University «VOENMEH» named after D.F. Ustinov (1 Krasnoarmeyskaya, Saint-Petersburg 190005, Russia), e-mail: m.vilkina@mail.ru
