CC BY
7УДК 621.941.01
ФОРМИРОВАНИЕ РЕЛЬЕФА РАБОЧИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ МАШИН ПОД ГАЗОТЕРМИЧЕСКОЕ НАПЫЛЕНИЕ
д-р техн. наук, доц. И А. КАШТАЛЬЯН (Белорусский национальный технический университет, Минск)
Рассматривается метод формирования рельефа наружных и внутренних поверхностей деталей машин под газотермическое напыление на токарных станках с числовым программным управлением путем линейного и модулированного изменения подачи в функции пути. Представлены математические модели регулирования подачи. Приведены зависимости, устанавливающие взаимосвязь параметров управляющего воздействия с параметрами шероховатости и волнистости обработанных поверхностей.
Введение. Работоспособность деталей с покрытиями в значительной степени определяется прочностью сцепления нанесенного слоя с основой. При этом важной характеристикой основы является площадь поверхности, по которой осуществляется контакт с покрытием (с ее увеличением увеличивается и прочность сцепления). Следовательно, предварительная обработка поверхности основы с заданными характеристиками рельефа становится важным фактором прочного сцепления покрытия с деталью. Среди всего многообразия существующих способов подготовки поверхности под покрытия выделяют механические (точение, шлифование, галтовка и др.) [1; 2]. Отличительной особенностью этих способов является простота и возможность использования универсального технологического оборудования. Вместе с тем следует полагать, что для каждой системы «основа - покрытие» существуют некоторые оптимальные параметры рельефа поверхности, обеспечение которых позволяет добиться требуемой прочности сцепления. Часто это является сложной технологической задачей (особенно при подготовке под покрытие поверхностей вращения фасонного профиля). Для таких поверхностей характерным является неравномерный износ при их эксплуатации, причинами которого, например, являются различные величины удельного давления, силы трения и скорости скольжения на различных участках сопрягаемых поверхностей. Чтобы обеспечить равномерный износ на всех участках поверхности, прочность сцепления покрытия с основой на них может быть переменной. Следовательно, площадь, по которой осуществляется контакт основы с покрытием для участков поверхности одинаковой величины, расположенных в различных ее местах, должна быть также переменной. Фактически имеет место задача обеспечения нерегулярного рельефа поверхности при ее обработке под покрытие.
Основная часть. Анализ способов подготовки поверхностей деталей под нанесение покрытий показал, что переменный рельеф поверхностей вращения может быть получен на станках с числовым программным управлением (ЧПУ) путем регулирования подачи. Причем целесообразно реализовать те изменения подачи, которые являются универсальными, т.е. могут быть использованы как типовые решения. К ним следует отнести линейное и модулированное изменение подачи в функции пути [3].
Программные модули, реализующие указанные изменения подачи, были включены в технологическое программное обеспечение микропроцессорного устройства ЧПУ КМ 65. При их разработке реализован способ управления, при котором параметр, используемый в качестве управляющего воздействия (подача), изменяется приращениями в функции пути, а уровень сигнала управления между приращениями остается постоянным и определяется частотой управляющих импульсов (формируется в функции времени).
Линейное изменение минутной подачи осуществляется приращениями величиной DS по мере обработки участка траектории длиной Dl (рис. 1). Управляющее устройство при этом реализует зависимость:
SK = SH ± IDS / Dl,
где SH и SK - начальная и конечная скорости подачи соответственно, мм/мин; l - длина обработки, на которой подача изменяется от SH до SK , мм.
Значение DS выбирают из ряда 0,1; 0,2; 0,3 мм/мин; значение Dl задают со знаком «плюс» или «минус» и принимают кратным единице дискретности перемещения (длине перемещения исполнительного органа станка при подаче от устройства ЧПУ одного импульса). При этом знак «плюс» указывает на увеличение подачи (разгон), а знак «минус» - на ее уменьшение (замедление). Текущее значение подачи после каждого приращения находится на прямой, начало которой в координатах «минутная подача - длина перемещения» определяется начальной скоростью подачи SH, а угол наклона - отношением DS / Dl. Параметры переменной подачи SH, DS, Dl и направление изменения (знак приращения при Dl) задаются в кадре управляющей программы совместно с геометрической и технологической информацией.
а)
б)
А/,
При реализации данного алгоритма время х, обработки участка поверхности заготовки длиной / равно сумме времен обработки участков длиной А/ на различной скорости подачи. В случае увеличения скорости подачи (разгона)
= 1
А/
1 £н + ( к - 1)АБ'
где п, - число приращений подачи на участке дли-ь ной / (п, = / / А/); к - переменная.
Приняв в качестве пределов интегрирования порядковые номера 1 и п, членов ряда, между которыми необходимо определить сумму, получим
= I
А/
-ёк.
1 £н + ( к - 1)ЛБ После преобразования этого выражения
х =— 1п(Бн + п АБ-ЛБ)-—1пБн,
1 АБ ^ н 1 ЛБ н
откуда
Рис. 1. Диаграммы изменения скорости подачи в функции пути (а) и в функции времени (б)
е А1 Х+—Б - Бн ' АБ
(1)
Расстояние А/ между приращениями подачи есть величина постоянная для каждого члена ряда, поэтому текущее значение координаты точки, в которой находится вершина резца в момент времени х,, может быть определено по формуле
I =пА.
(2)
Из выражений (1) и (2) получим
х АБ
( АБ —х
е А' Бн+ АБ - Бн
(3)
Если предположить, что время одного оборота заготовки хо = х, - х,, то разность пути /х , пройденного за время х,, и пути 1х, , пройденного за время х[., является подачей на оборот Б0:
Бо = ^ - к
(4)
Используя зависимость (3), выражение (4) можно представить в следующем виде
Бо = АБ
М ( —х
еА/Х+АБ-Бн I- —
ч н н I АБ
А/ ( -х '
е Л/'Бн+ЛБ - Бн
V I
(5)
После замены в зависимости (5) х[. на разность х , -хо и преобразований получим
Б = БнА/
ЛБ
ЛБ Л ЛБ
—хо —х
1 -1/е А/ 0 I е Л/ '
(6)
Экспериментальная проверка влияния параметров переменной подачи на шероховатость поверхности проводилась с использованием токарного станка с ЧПУ мод.1734Ф3 (дискретный привод подачи с
Б
/
Б
/
\
шаговым двигателем) и станка мод.1А734Ф3 (следящий привод подачи с высокомоментным двигателем постоянного тока). Обрабатывались образцы из стали 40ХН. Обработка велась подрезно-проходным резцом с механическим креплением трехгранной режущей пластины из твердого сплава Т15К6. Геометрические параметры режущей части: ф = 95°; ф1 = 5°; а = 8° ; у= 12°; 1 = 8° ; тв = 0,8 мм. Запись микронеровностей по всей длине поверхности, обработанной с переменной подачей, проводилась на профилометре-профилографе мод.201. Шероховатость поверхности оценивалась по значениям Кг и Ка . Графики строились по средним значениям, полученным в результате обработки тридцати профилограмм.
Влияние подачи на шероховатость поверхности при её плавном увеличении от = 0,02 мм/об до
5 = 0,5 мм/об, а затем плавном уменьшении до первоначального значения исследовали при обработке образцов диаметром 60 мм, частоте вращения пш = 500 об/мин и глубине резания t = 1 мм. Заготовка в патроне крепилась консольно (длина консоли 50 мм). Параметры переменной подачи были приняты следующими: Д5 = 0,1 мм/мин; А/ = 0,01 мм.
Установлено (рис. 2), что для случая изменения подачи в сторону разгона значения Кг и Ка больше. Это заметнее на участках, обработанных с малыми подачами (диапазон от 0,04 до 0,24 мм/об) на станках, оснащенных дискретным приводом подачи. Величины Кг и Ка при обработке с постоянной подачей в свою очередь значительно больше, чем при обработке с переменной.
а) б)
Рис. 2. Зависимость высоты неровностей Кг (а) и среднего арифметического отклонения профиля Ка (б) при точении: 1, 2 - соответственно замедленное и ускоренное перемещение резца с ф1 = 5° ;
3 - обработка с постоянной подачей резцом с ф1 = 5° ;
4, 5 - соответственно замедленное и ускоренное перемещение резца с ф1 = 45°
Явление образования более «чистой» поверхности при точении с переменной подачей по сравнению с обычной обработкой можно объяснить следующим образом. На токарных станках с ЧПУ и шаговым приводом подач скорость перемещения исполнительного органа определяется частотой управляющих импульсов, поступающих на обмотки шагового двигателя. Изменение подачи в диапазоне от 0,04 до 0,24 мм/об при частоте вращения шпинделя пш = 500 об/мин и единице дискретности 2й = 0,01 мм соответствует частоте управляющих импульсов ¥0г = 33...167 Гц. В этом диапазоне частот импульсные свойства шагового двигателя проявляются в большей степени (перемещение исполнительного органа характеризуется чередованием скачков и остановок). Такое воздействие на механическую систему привода подач вызывает колебания ее отдельных элементов.
Исходя из тех же графиков (см. рис. 2) можно предположить, что уменьшение высоты микронеровностей при замедленном перемещении резца связано со значительной скоростью изменения подачи и малыми значениями вспомогательного узла в плане ф1 (ф1 = 5°). Действительно, при значительной скорости изменения подачи происходит сближение вершины вновь образовавшегося гребешка с вершиной гребешка, образованного на предшествующем обороте заготовки. При этом резец вспомогательной режущей кромкой частично срезает вершины образованных ранее микронеровностей, величина которых ввиду пластических и упругих деформаций в зоне резания всегда значительно больше величины, определяемой только подачей и геометрией режущей части резца. С увеличением вспомогательного угла в плане ф1 эффект уменьшения высоты микронеровностей при замедленном перемещении резца становится менее заметным.
Данное явление можно объяснить тем, что с увеличением вспомогательного узла в плане до 45° вспомогательная режущая кромка, расположенная под большим углом к направлению подачи, не будет производить сглаживания острых вершин микронеровностей. Однако в данном случае ввиду плавного уменьшения толщины среза наступает момент, когда резец перемещается в слое металла, упрочнённого (наклепанного) на предшествующем обороте заготовки. При этом происходит частичное суммирование наклепов (следовательно и микротвердостей) [4].
Снижение вязкости обрабатываемого материала за счет наклёпа поверхностного слоя ведет к уменьшению шероховатости обработанной поверхности. По данным А.А. Маталина, такое явление наблюдается при развёртывании отверстий после зенкерования. Если припуск, оставленный на развертывание, меньше глубины наклепанного зенкерованием слоя, поверхность в результате развертывания имеет минимальную высоту микронеровностей [5].
При формообразовании закон изменения подачи в каждом конкретном случае определяется конструктивными параметрами поверхности и требованиями к ее рельефу. Существующее множество законов изменения подачи с приемлемой точностью могут быть аппроксимированы отрезками прямых, реализуемых по представленному алгоритму изменения минутной подачи в функции пути.
Модулированное изменение подачи заключается в периодическом ее увеличении от Бш1п до Бшах с последующим снижением до первоначального значения. Подача между ее пиковыми значениями изменяется приращениями на величину АБ по мере обработки участков А/ между этими приращениями. Для этого устройство ЧПУ поочередно реализует зависимости:
Бшах = Бшт + П,и Бшп = Бшах " П,АБ ,
где п - число приращений скорости подачи при ее изменении от Бш1п до Бшах (рис. 3).
б)
Рис. 3. Диаграммы модулированного изменения подачи в функции пути (а) и в функции времени (б)
Длина пути разгона (замедления) при этом определяется из выражения = пА/; значение АБ выбирается кратным 0,1 мм/мин; А/ принимается кратной единице дискретности.
Время разгона тв на участке длиной /1 при реализации данного алгоритма может быть представлено выражением:
тв =|Б- [1п (Бшт + пАБ -АБ)- 1п Бш,п ] , (7)
где пл. - число приращений скорости подачи при ее изменении от Бш1п до Бшах.
Заменив в зависимости (7) п!, его значением из выражения п =( Бшах - Бш1п) / АБ и выполнив преобразование, получим
Хв щ Бщ^. (8)
в АБ Бш,п ^
Время замедления (изменения подачи от Бшах до Бш1п) после соответствующих преобразований можно представить как
тн= — 1^—^^—. (9)
н АБ Бш,п + АБ ^
Время одного цикла т^1 модулированного изменения подачи можно определить, используя зависимость = тв + тн. Подставляя в нее значение тв из выражения (8) и значение тн из выражения (9), после преобразования получим
тм = 1п Бшах ( Бшах - АБ )
ц АБ Бш,п (Бш,п + АБ) .
Основной причиной образования волнистости является отклонение действительной траектории движения обрабатываемой заготовки и инструмента от заданной. Периодическое увеличение (уменьшение) подачи в процессе обработки заготовки приводит к колебаниям сил резания и, как следствие, колебаниям величины деформаций в технологической системе, к образованию поперечной волнистости.
Экспериментальная проверка влияния модулированной подачи на образование поперечной волнистости проводилась при точении в патроне заготовок из стали 40ХН диаметром 70 и длиной 50 мм. Было обработано пять партий заготовок по 10 штук в каждой. Принятые параметры режима резания: скорость резания V = 120 м/мин; глубина резания / = 1 мм; длина обработки /1, соответствующая пути, на котором подача изменяется между ее пиковыми значениями, была равна 2,5 мм.
Для каждой партии заготовок выбирался определенный размах изменения подачи. Причем верхнее пиковое значение подачи, всегда было равно 0,4 мм/об. Волнистость обработанной поверхности записывали и измеряли по параметру Ка на профилографе-профилометре модели 201 с помощью приспособления для проверки волнистости. Ощупывание поверхности производилось щупом с радиусом сферы 2 мм.
Исследование волнограмм показало, что шаг образующихся поперечных волн всегда равен удвоенной длине /1 , на которой происходит увеличение (уменьшение) подачи. Высота же волн зависит от величины размаха между пиковыми значениями подачи. Большему размаху соответствует большая высота волны.
Проведенный анализ большого количества волнограмм (более 100 штук), сил резания, возникающих при модулированном изменении подачи, и жесткости технологической системы показал, что высота поперечной волнистости целиком зависит от колебания составляющей силы резания Ру и жесткости технологической системы. Осциллограммы составляющей силы резания Ру при точении с модулированной
подачей и соответствующие им волнограммы приведены на рисунке 4.
Действительно, периодическое увеличение (уменьшение) подачи в процессе обработки заготовки приводит к колебаниям сил резания и, как следствие, к колебаниям величины деформаций в технологической системе. При этом величина деформации технологической системы у от составляющей силы резания Ру выражается зависимостью
У = Ру / О , (10)
где О - жесткость технологической системы, Н/мм.
Используя известную из теории резания зависимость для определения Р , можно записать:
P« = ,
р,. = cPs:p:tXpyvp,
(ii) (12)
где Ру и Ру - максимальное и минимальное значения радиальной составляющей силы резания при модулированном изменении подачи, Н.
а)
в)
Рис. 4. Волнограммы поверхностей, обработанных с модулированной подачей
(увеличение: вертикальное ><2000, горизонтальное ><8), и соответствующие им осциллограммы составляющей силы резания Py 2000,
а - So = 0,24 мм/об; So = 0,4 мм/об; /1 = 0,4 мм; б - So = 0,24 мм/об; So = 0,4 мм/об; /1 = 0,8 мм;
omin omax 1 omin omax 1
в - S^ = 0,20 мм/об; So = 0,5 мм/об; /1 = 0,8 мм; г - So. = 0,20 мм/об; So = 0,5 мм/об; /1 = 1,25 мм
В первом приближении высотой поперечной волны Wx при модулированном изменении подачи является разность между деформациями технологической системы утах , определяемой силой Ру , и утп, определяемой силой Ру , то есть
= Утах - Утп. (13)
Используя зависимость (10), выражение (13) можно представить в следующем виде:
Wr
,P„ - Pm J
(14)
Подставляя в (14) значения P и P соответственно из (11) и (12), получаем
W1 =
(St - SP;) ^
j
В приведенном выражении коэффициент КР равен отношению среднего значения радиальной составляющей силы резания Ру при модулированном изменении подачи к радиальной составляющей силы резания Ру при обычной обработке с подачей, равной среднему значению модулированной.
Большинство подрезно-проходных резцов с механическим креплением твердосплавной пластины обладают отрицательной жесткостью (явление, когда перемещение у противоположно направлению
действия радиальной составляющей Ру). Это относится к использованному в экспериментах подрезно-
проходному резцу. Наличие отрицательной жесткости в данном случае объясняется поворотом пластины вокруг штифта под действием составляющей силы резания Рх. В результате поворота происходит смещение режущей кромки в направлении, перпендикулярном направлению действия составляющей силы резания Рх, на величину упл. Величина упл в каждом конкретном случае зависит от величины Рх и жесткости узла крепления пластины твердого сплава Ол . Как правило, величина упл соизмерима с величиной деформации технологической системы у, вызываемой составляющей силы резания Рх , и может быть выражена зависимостью упл = Рх / Опл. При этом высота поперечной волны Щ, которая определяется отрицательной жесткостью твердосплавной пластины, может быть определена из следующего выражения:
Щ =
кРхсРх (Б! - <1) *
Полная высота волны на поверхности, обработанной с модулированной подачей резцом с механическим креплением режущей пластины, равна
щ = щ + Щ2.
Волнограммы поверхностей, обработанных подрезно-проходным резцом с механическим креплением пластины твердого сплава, представлены на рисунке 5.
а)
БМ1, БЫ>2 БМ>о
Рис. 5. Волнограммы поверхностей заготовок из стали 40ХН, обработанных подрезно-проходным резцом с постоянной и модулированной подачей (V = 120 м/мин; * = 1 мм) а - Бо = 0,32 мм/об; б - = 0,24 мм/об; Б^ = 0,4 мм/об; /1 = 0,8 мм; в - Б0тт = 0,24 мм/об; Б^ = 0,4 мм/об; /1 = 0,4 мм
Анализ представленных волнограмм показал, что образование поперечной волнистости связано с явлением затягивания резца в металл, которое возникает вследствие большого значения главного угла в плане ф (обработка велась резцом с ф = 95°) и податливости узла крепления пластины твердого сплава. Это приводит к тому, что шероховатость выступа волны значительно меньше шероховатости впадины, образованной на большей подаче (поверхность выступа тем «чище», чем она ближе к вершине). Кроме этого, радиус выступа значительно больше радиуса впадины.
При уменьшении длины обработки /х, на которой осуществляется изменение подачи между ее верхним и нижним пиковыми значениями, уменьшается расстояние между смежными выступами волны.
Для значений l1, близких к среднему значению подачи на оборот So, волнистость фактически переходит в шероховатость, образованную неровностями с шагом между средними выступами, равным 2l1.
Форма и размеры неровностей при этом определяются параметрами модулированного изменения подачи So , So , l1. Задавая различные сочетания указанных параметров, легко получить регулярный
профиль обрабатываемой поверхности как по высоте неровностей, так и по их форме.
Заключение. Теоретически обосновано и экспериментально подтверждено, что требуемые законы изменения параметров рельефа поверхности под газотермическое напыление могут быть получены на токарных станках с ЧПУ путем линейного изменения подачи в функции пути. Реализация функции модулированного изменения подачи позволяет получить на обрабатываемой под покрытие поверхности поперечную волнистость, параметры которой определяются размахом изменения подачи между ее пиковыми значениями, длиной пути разгона (замедления) и жесткостью технологической системы.
ЛИТЕРАТУРА
1. Скворцов, К.Ф. Подготовка поверхностей деталей для нанесения покрытий / К.Ф. Скворцов. - М.: Машиностроение, 1980. - 64 с.
2. Кудинов, В.В. Нанесение покрытий напылением. Теория, технология и оборудование / В.В. Кудинов, Г.В. Бобров. - М.: Машиностроение, 1992. - 432 с.
3. Каштальян, И. А. Математические модели и алгоритмы управления нестационарными процессами формообразования на станках с ЧПУ / И. А. Каштальян // Автоматизация и современные технологии. -2006. - № 6. - С. 18-24.
4. Каштальян, И.А. Формирование микрорельефа поверхности при нестационарном резании на токарных гибких производственных модулях / И.А. Каштальян // Весщ АН Беларусь Сер. ф1з.-тэхн. навук. -2003. - № 1. - С. 52-57.
5. Маталин, А. А. Технология машиностроения / А. А. Маталин. - Л.: Машиностроение, 1985. - 496 с.
6. Лоповок, Т.С. Волнистость механически обработанных поверхностей / Т.С. Лоповок // Стандарты и качество. - 1974. - № 3. - С. 48-51.
Поступила 04.03.2014
THE FORMING OF MACHINE PARTS WORKING SURFACES RELIEF FOR GAS-THERMAL SPRAYING
I. KASHTALYAN
The method of machine parts external and internal surfaces reliefforming for gas-thermal spraying on lathes with numerical program control by the linear and modulated change of the feed in the function of path is considered. The mathematical models and algorithm of feed control are presented. The functions, that establish interrelation of control action parameters and parameters of machined surfaces roughness and waviness, are sited.
