CC BY
97
МЕТАЛЛУРГИЯ. МЕТАЛЛООБРАБОТКА. МАШИНОСТРОЕНИЕ
УДК 621.924
ФОРМИРОВАНИЕ ТОПОГРАФИИ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ ИЗ СТАЛИ 12ХН3А ПРИ ИГЛОФРЕЗЕРОВАНИИ
Доктора техн. наук, проф. БАРШАЙ И. Л., ФЕЛЬДШТЕЙН Е. Э., инж. ГОНЧАРОВ С. П.
Белорусский национальный технический университет,
Зеленогурский технический университет (Польша),
РУП «МТЗ»
Повышение конкурентоспособности промышленной продукции, выпускаемой в Республике Беларусь, предопределяет необходимость интенсивного поиска эффективных научно-технических решений по увеличению срока службы машин, механизмов и оборудования за счет разработки и применения высокопроизводительных малоотходных и безотходных, ресурсосберегающих и экологически чистых технологий.
Топография поверхности влияет на прочность деталей, работающих в условиях циклической и знакопеременной нагрузки. Впадины микропрофиля являются своеобразными надрезами на поверхности и в значительной степени влияют на концентрацию напряжений и образование усталостных трещин. Шероховатость поверхностей уменьшает фактическую площадь контакта. Несущая способность детали зависит от шероховатости и метода обработки Установлено, что 70-80 % вариаций показателей износостойкости связаны с параметрами шероховатости поверхности деталей машин [1]. Коррозия в атмосферных условиях возникает легче и распространяется быстрее на поверхностях, имеющих значительную шероховатость.
Одним из перспективных методов обработки для формирования качества поверхности деталей машин является иглофрезерование. Этот метод обработки характеризуется микрорезанием в зоне взаимодействия режущих элементов с поверхностью детали. В настоящее время научно-исследовательскими и проектными организациями, предприятиями Россий-
ской Федерации, а также США, ФРГ, Японии, Болгарии и других стран разрабатываются основы прогрессивной обработки иглофрезерова-нием, проектируются и внедряются иглофрезерные станки.
Достигаемая при иглофрезеровании высота микронеровностей находится в пределах Яа 100-0,32 мкм и определяется сочетанием технологических факторов [2-4]. Иглофрезеро-вание в значительной степени аналогично процессам фрезерования и шлифования, так как при всех указанных способах обработки имеет место дискретный контакт инструмента с обрабатываемой поверхностью. Кроме этого, с фрезерованием иглофрезерование сближает и то, что резание производится металлическими проволочными элементами, с процессом шлифования - количество режущих элементов, наличие отрицательных углов резания, а иногда и размеры стружки [2, 3]. Важное преимущество иглофрез - их высокая долговечность. В производственных условиях их работоспособность доходит до 2000 ч [3]. Существенное влияние на долговечность иглофрез оказывают конструктивные параметры: диаметр проволочных элементов; свободная длина элементов; плотность набивки пакета элементов, зависящая от усилия прессования при сборке. Плотность набивки пакета элементов определяется соотношением суммарной площади поперечного сечения всех элементов пакета к площади рабочей поверхности иглофрезы [3]. Предусмотрено изготовление иглофрез с плотностью набивки 70-80 % (ТУ 102-277-80). Особенность геомет-
рии режущих элементов иглофрезы - незначительный радиус закругления режущей кромки, которая в процессе работы самозатачивается (рис. 1). Это обеспечивает при реверсировании вращения инструмента его работу без переточек.
Рис. 1. Иглофреза: а - внешний вид; б и в -рабочая поверхность иглофрезы (х20)
Положительным фактором иглофрезерова-ния является возможность использования металлической стружки, составляющей в отдельных случаях до 5 % массы обрабатываемой детали. Стружку применяют в порошковой металлургии [5, 6]. Это обстоятельство свидетельствует о возможности создания мало- и безотходных процессов изготовления деталей машин в результате применения иглофрезеро-вания.
Имеющиеся данные о процессах в зоне обработки при иглофрезеровании недостаточны и требуют дополнения. Ограничена информация
о влиянии режимов обработки на формирование качества поверхности и эксплуатационные характеристики деталей, отсутствуют сведения об управлении данным процессом. Все это сужает возможные области применения иглофре-зерования. Потребность в решении комплекса научных, технологических и конструкторских
задач обеспечения качества деталей для широкого применения указанного процесса определяет актуальность данных исследований.
Параметры режима иглофрезерования: скорость резания (V, м/мин), подача (^Лр, мм/мин), натяг в системе «рабочая поверхность иглофрезы - обрабатываемая поверхность» (/, мм). Скорость резания - один из основных технологических факторов, определяющих эффективность работы иглофрезы. Этот фактор в основном зависит от вязкости обрабатываемого материала. Параметры иглофрезерования в настоящее время определяют экспериментально в зависимости от конкретных условий и требуемого качества поверхности [4].
Для определения влияния параметров режима иглофрезерования на изменение топографии поверхности использовали математическое планирование эксперимента [7, 8]. При планировании исследований применяли метод ЛПт-последова-тельностей. В этом случае точки реализации экспериментов располагаются в многомерном пространстве таким образом, чтобы их проекции на оси Х1 - Х2, Х2 - Х3, ..., X - X} располагались на равном расстоянии друг от друга. Координаты точек рассчитывались из условия Хтт = 0 и Хтах = 1. Пример проекции семи точек на оси Х1 и Х2 изображен на рис. 2. Матрица планирования экспериментов (условия проведения) представлена в табл. 1 Реализованные сочетания параметров режима иглофрезерования в соответствии с матрицей планирования приведены в табл. 2.
1|-----
Рис. 2. Проекции семи точек на оси Х1 и Х2
Результаты ранее выполненных исследований [9] позволили выбрать следующие значения параметров режима иглофрезерования, принятые
а
б
за основной уровень в данном эксперименте: v = 330 м/мин; подачу S = 660 мм/мин и натяг
i = 0,45 мм.
Таблица 1
Матрица планирования эксперимента
Фактор Точка исследования
1 2 3 4 5 6 7
Х1 0,500 0,250 0,750 0,875 0,375 0,625 0,125
Х2 0,500 0,750 0,250 0,625 0,125 0,37 0,875
Хз 0,500 0,250 0,750 0,125 0,625 0,375 0,875
Таблица 2
Условия проведения опытов
Номер опыта Х1 - скорость резания V, м/мин Х2 - подача S, мм/мин Х3 - натяг i, мм
1 169 330 0,22
2 84 530 0,11
3 253 170 0,34
4 295 400 0,06
5 127 85 0,28
6 211 270 0,17
7 42 690 0,39
В тех случаях, когда характер исследуемых зависимостей неизвестен, при решении технологических задач для моделирования исследуемого процесса широко используются уравнения множественной регрессии:
у = C Пх” и у = ехр(Ь0 + Sbixl).
Их можно привести к линейному виду путем логарифмирования с последующим использованием метода наименьших квадратов. В случае применения ЭВМ можно воспользоваться методикой [8]. В этом случае находят матрицу X, векторы у, У и Ь в виде:
1...Xi У1 YT
x = 1... X ; у = < у* ■; y = < Yi
1...Хп Уп Yn,
Тогда:
Xb =
b + bx1 У1 - b - bX1
b + bi Xi ; у - Xb = yt - b - bi Xi
b + bi Xn Уп - b + bi Xn
Критерий минимизации записывается как (y - Xb)T(y - Xb) ^ min.
Расчетные значения Y исследуемой функции равны
Y = Xb.
Рассматривая матрицу S = XTX и вектор XTy, можно заметить, что S имеет порядок 2x2, а размерность вектор-столбца XTy равна 2. Таким образом:
S = n n ....S Xi i=1 ; XT у = < n S yi i=1
n S X. i=1 n ..S Xi i=1 n S Xtyt J=1
Тогда уравнения метода наименьших квадратов в матричном виде могут быть записаны следующим образом:
Ь = 5Г1ХТу.
Обработку плоских поверхностей образцов иглофрезерованием выполняли на горизонтально-фрезерном станке 6Н82Г. Использовали иглофрезу диаметром Б = 150 мм, шириной В = = 20 мм и плотностью набивки проволочных элементов 75-85 %. Диаметр единичного проволочного элемента й = 0,3 мм, вылет Ь = = 20 мм. Обрабатываемый материал - конструкционная сталь: 12ХН3А (ГОСТ 4543-71).
Для оценки шероховатости поверхности после иглофрезерования был использован действующий в настоящее время комплект международных норм, характеризующих геометрическую структуру обработанной поверхности -180-3274:1997 и КО 4287:1998, включающий следующие характеристики: среднее арифметическое отклонение профиля Яа, высоту десяти точек отклонений от регулярного профиля Яг, стандартное отклонение профиля Яд, общую высоту профиля Яг, максимальную высоту выступов профиля Яр, максимальную глубину впадин профиля Яv, среднюю высоту элементов профиля Яс, среднюю ширину элементов профиля ЯSm, относительную опорную длину профиля Ятг(с).
Измерение характеристик шероховатости поверхностей образцов до и после иглофрезе-
рования выполняли на компьютеризованном приборе TR-200 (рис. 3).
Рис. 3. Прибор для измерения шероховатости поверхности ТЯ-200
При исследовании топографии поверхности был использован комплекс для микро- и макроанализа поверхности на базе микроскопа МКИ-2М-1 (НПО «Планар») с увеличением до 1200 крат и преобразователя изображения с помощью цифровой камеры «Никон» с разрешением 4,5 млн пиксель и последующей передачей изображения на ЭВМ (рис. 4).
нимальные значения шаговой характеристики ЯSm были зафиксированы в четвертом опыте при обработке на следующих режимах: V = = 295 м/мин; S = 400 мм/мин; i = 0,06 мм, максимальные - в опыте 7. Минимум значения относительной опорной длины профиля Ятг(с) на уровне 50 % был получен в опыте 6 (V = = 211 м/мин; S = 270 мм/мин; i = 0,17 мм); максимум - во втором (V = 84 м/мин; S = = 530 мм/мин; i = 0,11 мм).
19 38 56 75 94 112 131 19 38 56 75 94 112 131
V, м/мин V, м/мин
30 -I-^^^^^-------1 0,5 -I-^^^^^^-----1
19 38 56 75 94 112 131 19 38 56 75 94 112 131
V, м/мин V, м/мин
Рис. 5. Влияние скорости резания V при иглофрезеровании на изменение характеристик шероховатости
Рис. 4. Комплекс для макро- и микроанализа и топографии поверхности
Анализ результатов эксперимента (рис. 5) свидетельствует о следующем.
Минимальные значения исследуемых высотных характеристик шероховатости поверхности после иглофрезерования получены при параметрах режима обработки: V = 295 м/мин; S = 400 мм/мин; і = 0,06 мм (табл. 1, опыт 4); максимальные - при V = 42 м/мин; S = = 690 мм/мин; і = 0,39 мм (табл. 1, опыт 7). Ми-
После обработки экспериментальных данных были разработаны математические модели влияния параметров режима иглофрезерования на изменения исследуемых характеристик шероховатости поверхности в виде уравнений регрессии (1)-(8). Данные модели позволяют рассчитать значение характеристик шероховатости поверхности при выбранном сочетании параметров режима обработки:
Яа = 8,52И300 Soл26/■oлo6; (1)
Яд = 12,0у~0,361£ 0,170/0,122;
Яг = 46,5И362 £ 0,226/0,153; ЯҐ = 112у-0,489 £ 0,260/0,229; Яр = 14,1у-0 ,224 £ 0,159/0,216; Яу = 35,8у-0,455£ 0,265/0,138 ;
ЯС = 1,17 V-0,4915і0,291/0,425; Я£т = 3,45у -0,389 £0,133/0,469.
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
(8)
Графическое изображение моделей (1)—(8) представлено одномерными сечениями функций отклика на рис. 5-7.
Шероховатость обработанной поверхности зависит от динамических углов проволочного элемента иглофрезы (у и а), формируемых в процессе обработки [4]. Значения этих углов определяются упругой деформацией проволочных элементов инструмента. В свою очередь упругая деформация проволочных элементов зависит от параметров режима иглофрезе-рования. Увеличение значений параметров режима обработки приводит к росту углов у и а. Так, в частности, при формировании динамического переднего угла у > -20° процесс микрорезания переходит в субмикрорезание и пластическое деформирование обрабатываемой поверхности.
Рост скорости иглофрезерования способствует снижению высотных Яа, Яг, Яг, Яр, Яу, Яд и Яс и шаговой ЯБт характеристик шероховатости в 1,5—3,6 раза по сравнению с исходными (до обработки) значениями. Выявленный характер изменения характеристик шероховатости в зависимости от скорости обработки объясняется присущим иглофрезерованию «краевым» эффектом [3]. Этот эффект заключается в следующем. Крайние со стороны обрабатываемой поверхности проволочные элементы (микрорезцы) имеют изгиб в направлении подачи заготовки больший, так как обладают меньшей жесткостью, чем весь пакет проволочных элементов. В результате они формируют микроцарапины (следы своего движения) на обрабатываемой поверхности.
85 170 270 330 400 530 690
Э, мм/мин
/
/■
/
85 170 270 330 400 530 690
Э, м/мин
Рис. 6. Влияние продольной подачи S при иглоф-резеровании на изменение характеристик шероховатости
Повышение продольной подачи ведет к увеличению исследуемых характеристик шероховатости. Это объясняется ростом сил резания, увеличением угла упругого деформирования проволочного элемента и переходом процесса субмикрорезания к микрорезанию.
Увеличение натяга / в системе «обрабатываемая поверхность - рабочая поверхность иглофрезы» способствовало росту всех исследуемых характеристик шероховатости. Рост ука-
э, м/мин
э, мм/мин
э, м/мин
занного параметра режима обработки приводит к превалирующему влиянию процесса микрорезания и в меньшей степени пластического деформирования обрабатываемой поверхности, вызываемого ударным воздействием проволочных элементов иглофрезы.
/ — Яа Яд
/
—я
/
/
0,06 0,11 0,17 0,22 0,26 0,29 0,34
і, мм
0,06 0,1 1 0,17 0,22 0,26 0,29 0,34
і, мм
/ 7
Я
/
/
/
11,0- -1(0,5- -10,0- -51,5' -
: 9,0' -(? 8,5
8,0' -
/
/
/
/ 1/
/
/
/
- яР
0,06 0,11 0,17 0,22 0,26 0,29 0,34
і, мм
0,06 0,11 0,17 0,22 0,26 0,29 0,34
і, мм
• - Я\
/
х
/
1
/
0,06 0,11 0,17 0,22 0,26 і, 0,29 мм 0,34
/ /
/ /■ 1/
/ /
|
/ '
/
/
0,5 -
0,4 -
0,06 0,11 0,17 0,22 0,26 0,29 0,34
і, мм
0,06 0,11 0,17 0,22 0,26 0,29 0,34
і, мм
Рис. 7. Влияние натяга / \ в системе «иглофреза -обрабатываемая поверхность» при иглофрезеро-вании на изменение характеристик шероховатости
Минимум значения относительной опорной длины профиля Ятг(с) на уровне 50 % был получен в опыте 1 — 50% (V = 169 м/мин;
5 = 330 мм/мин; г = 0,22 мм). Максимум — 90 % в опыте 6 (V = 84 м/мин; 5 = 530 мм/мин; г = = 0,11 мм).
На рис. 8 представлена топография поверхности образцов из стали 12ХН3А до обработки, а на рис. 9, 10 — после обработки.
а б
Рис. 8. Фото топографии поверхности образцов из стали 12ХН3А до иглофрезерования: а - х65; б - х250
Рис. 9. Фотографии топографии поверхности образцов из стали 12ХН3А после иглофрезерования (х65) в соответствии с условиями опытов (табл. 2)
Результаты изучения топографии обработанной поверхности позволяют сделать вывод о том, что после иглофрезерования следы от проволочных элементов на поверхности произвольно изменяют свое направление. На поверхности формируются расположенные случайным образом выступы, впадины, риски.
31
6,0
29
5,0
Р- 4,0
25
3,0
23
21
20
19
18
СС 17
16
15
7,0
7
0,9
и,8
0,7
0,6
0,3
Рис. 10. Фотографии топографии поверхности образцов из стали 12ХН3А после иглофрезерования (х250) в соответствии с условиями опытов (табл. 2)
В Ы В О Д
Разработанные математические модели позволят оптимизировать параметры режима иг-лофрезерования в зависимости от требований к шероховатости поверхности деталей.
Л И Т Е Р А Т У Р А
1. Технологические основы обеспечения качества машин / К. С. Колесников [и др.]; под общ. ред. К. С. Колесникова. - М.: Машиностроение, 1990. - 256 с.
2. Салуквадзе, В. С. Иглофрезерная обработка поверхности металлв / В. С. Салуквадзе, В. М. Коптев // Экспресс-информация. Серия ХМ-9. - М.: ЦНИТИхим-нефтемаш, 1986. - № 2. - С. 8.
3. Салуквадзе, В. С. Изменение свойств в поверхностном слое сплавов при иглофрезерной обработке / В. С. Салуквадзе, И. А. Другова // Расчет, сооружение и эксплуатация магистральных газопроводов. - М.: ВНИИСТ, 1980. - С. 93-102.
4. Жоров, Ю. С. Качество поверхности при иглофре-зеровании / Ю. С. Жоров, В. А. Балдаев // Механизация тяжелых и трудоемких процессов в судостроении. - Л.: Румб, 1987. - С. 125-132.
5. Моргулис, А. М. Повышение эффективности диспергирования металлов методом иглофрезерования / А. М. Моргулис, Л. Н. Корчанова // Технология, организация и экономика машиностроительного производства. -М.: НИИНмаш, 1982. - № 2. - С. 3-4.
6. Schowoor, W. Nadelfrasen-Eigenschaften und Aussichten / W. Schowoor, R. E. Koch // Fertigungstechnik und Betrieb. - 1982. -32. - № 6. - Р. 343-349.
7. Ящерицын, П. И. Планирование эксперимента в машиностроении / П. И. Ящерицын, Е. И. Махаринский. -Минск: Вышэйш. шк., 1985. - 286 с.
8. Поллард, Д. Справочник по вычислительным методам статистики / Д. Поллард; пер. с англ. В. С. За-надворова. - М.: Финансы и статистика, 1982. - 344 с.
9. Баршай, И. Л. Обеспечение качества поверхности и эксплуатационных характеристик деталей при обработке в условиях дискретного контакта с инструментом / И. Л. Баршай. - Минск: УП «Технопринт», 2003. - 244 с.
Поступила 2.02.2007
7
УДК 662.7
РАСЧЕТ ПОЛНОТЫ РЕАКЦИЙ И ПРЕВРАЩЕНИЯ ВЕЩЕСТВ ПРИ ВОДОУГОЛЬНОЙ ГАЗИФИКАЦИИ
Канд. техн. наук, доц. НАЗАРОВ Н. С., инж. НАЗАРОВ И. Н.
Белорусский национальный технический университет
В [1] показано, что водоугольная газифика- углеродом твердого топлива, описывается тре-
ция (ВУГ) углерода твердого топлива высоко- мя химическими уравнениями:
температурным паром, или (что одно и то же)
разложение воды (высокотемпературного пара) С + Н2О = СО + Н2; (1)
