CC BY
13ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
ПОВЕРХНОСТНЫЙ СЛОЙ
ТС виброустойчива при работе как с четным, так и нечетным числом зубьев, а также с переменным числом зубьев, находящихся в контакте с заготовкой. Виброустойчивость ТС в этих случаях объясняется следующими причинами. Находящиеся в противофазах следы четного числа зубьев взаимно уравновешивают друг друга. При взаимодействии четного числа следов с сочетаниями начальных фаз «О — 7С/2» или «тс/2 — 0» тенденция гашения автоколебаний превалирует над их нарастанием. Оставшийся неуравновешенным один след с начальной фазой О, л/2 или л перед зубом с укороченным шагом также не вызывает раскачку ТС (см. линии 1,2 и 3 на рис.3,б [3]. Экспериментальное подтверждение возможности повышения виброустойчивости ТС в ходе скоростной многолезвийной обработки дано в работе проф. АШг^ав'а [7] на примере областей стабильности работы твердосплавньх концевых фрез с переменным шагом зубьев при обработке алюминиевых и 1И1аноыых сплавов.
Использованная в нашем исследовании математическая модель колебаний ТС не учитывает одной важной особенности динамики процесса резания - выскакивания инструмента из заготовки при больших амплитудах колебаний, что привело к завышенным расчетным значениям амплитуд регенеративных автоколебаний, которые ограничивались только вязким демпфированием ТС, заложенным в модель. Однако это не меняет принципиально характера полученных результатсв.
Проведенное исследование позволяет полнее понять
механизм вторичного возбуждения автоколебаний и наметить пути его нейтрализации. Результаты исследования могут быть использованы при конструировании многозубых инструментов с переменным шагом зубьев (например, фрез, протяжек, зенкеров и т.п.) и назначении режимов резания, обеспечивающих эффективное подавление регенеративных автоколебаний.
Литература
Ч.Кудинов В.А. Динамика станков. -М.: Машиностроение, 1967.- 359 с.
2.Жарков И.Г. Вибрации при обработке лезвийным инструментом. - Л.: Машиностроение, 1986.-184с.
3. Свинин В.М. Исследование условий возбуждения и гашения регенеративных автоколебаний в процессе резания.//Обработка металлов. - 2005.- № 1.- С.29-31.
4. Merrit Н.Е. Theory of self-excited machine tool chatter: contribution to machine tool chatter./J. of Eng. For Industry, Vol. 87, 1965, pp. 447 - 558.
5.Кедэов С.С. Колебания металлорежущих станков. -М.: Машиностроение, 1978. -196 с.
6.Шаламов В. Г. Выбор разьошагости зубьев фрез // Прогрессивная технология чистовой и отделочной обработки: Сб. статей.-Челябинск, 1991- С. 14-22.
7.Altintas Y. Modeling approaches and software for predicting the performance of milling operations at MAL-UBC. // Machininq science and technoloqy. - 2000. - №4 (3). - pp. 445-478.
Исследование структуры поверхностного слоя
при шлифовании
Т.Н. ИВАНОВА, канд. техн. наук, ДОАО «Ижевский инструментальный завод», г Ижевск
Процесс шлифования является наиболее сложным процессом резания. Режущая поверхность шлифовального круга представляет собой стохастический набор алмазных зерен со случайной геометрией. Все это приводит к тому, что резание ведется не сплошной кромкой, а отдельными режущими зернами, наиболее выступающими над связкой, которых не более 25 % [1]. Чтобы отделить припуск от основной массы заготовки, алмазные зерна проходят в металле определенный путь, обеспечиваемый движением инструмента и заготовки. Из числа контактирующих кромок алмазных зерен стружку снимают только ~е, которые имеют более благоприятную форму вершин и достаточную глубину внедрения в металл. Наличие в большинстве случаев у режущих алмазных зерен отрицательных передних углов резания приводит к длительному скольжению режущей кромки по дуге контакта и пластической деформации металла. Остальные контактирующие кромки алмазных зерен выполняют работу трения и упругопластической деформации без снятия стружки. Таким образом, микрорезание отдельно взятым на рабочей поверхности круга алмазным зерном представляет собой сочетание врезания и царапания. При этом скорость резания состоит из скорости врезания и скорости перемещения (царапания). Способность металла сопротивляться врезанию алмазного зерна характеризуется его твердостью, а сопротивление металла царапанию и срезу определяется его прочностью на сдвиг. В процессе шлифования возникают силы реза-
30 № 3 (28) 2005
ния, необходимые для преодоления сопротивления металла врезанию зерна и его перемещению относительно обрабатываемой поверхности заго-овки.
Динамическое воздействие каждого алмазного зерна на шлифуемый поверхностный слой металла, трение алмазных зерен и связки способствует выделению теплоты в зоне резания и повышению мгновенной температуры резания. Высокие мгновенные температуры, развивающиеся в процессе шлифования, с одной стороны, повышают пластичность деформируемого металла и улучшают условия образования стружки алмазными зернами круга. А с другой стороны, из-за обильного теплообразования вызывают структурные изменения металла в поверхностном слое и способствуют появлению напряжений растяжения в этих слоях металла на глубину от десятков до сотен микрон.
Степень изменения свойств поверхностного слоя связана такхе с состоянием материала и его способностью принимать закалку. Так как в большинстве случаев шлифуют твердые закаленные материалы, то после термической обработки остаются структурные напряжения. Эти напряжения могут быть различными по величине и знаку в зависимости от содержания мартенситных составляющих и аустенита и изменяются по мере удаления от поверхности.
При шлифовании происходит частичный отпуск поверхностного слоя с образованием смешанной структуры и понижением твердости, а также вторичная закалка поверхностного слоя металла, лежащего на отпущенном, более
ПОВЕРХНОСТНЫЙ слой
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
мягком слое, который постепенно переходит через все стадии отпуска в исходную структуру закалки. Кроме тоге, могут быть получены многослойные структурные образования, причем они появляются вследствие последовательной передачи тепла различными объемами материала.
Однако структурным и фазовым превращениям поверхностного слоя при шлифовании подвержены только предварительно закаленные стали. Установлено, что это обстоятельство зависит от скоростей нагрева и охлаждения объемов металла, входящих в зону контакта. Различают среднюю температуру поверхности (0О = 70 + 350 °С), мгновенную контактную температуру, среднюю по ширине круга (0т = 150 -г-1200 °С), и температуру резания отдель-ными зернами (03 = 1530°). При среднем значении 0О ~ 750 °С, скорость нагрева металла может достигать сотен тысяч градусов в секунду [1].
Исходная перлитная структура отожженной стали при таких скоростях нагрева может не превратиться в аусте-нит, так как диффузионный характер превращения требует некоторого промежутка времени. Если перлитная структура стали в процессе нагрева не превратилась в аустенит, то и после охлаждения она останется прежней. Если перлит превратился в аустенит, то структура после охлаждения зависит от скорости охлаждения и меняется по глубине в соответствии со скоростью охлаждения объемов металла на различной глубине (мартенсит, троостомартенсит, троостит, сорбит, мелкоплас1инча1ый перли I, крупнопластинчатый перлит).
В случае шлифования закаленной стали с мартенсит-ной стоуктурой переход последней в аустенит требует не значительного времени для диффузионных процессов (насыщение аустенита углеродом), и аустенит закаливается на мартенсито-аустенит. В результате вторичной закалки на поверхности образуется твердая хрупкая корочка, лежащая на сильно отпущенном основании.
В соответствии со структурными составляющими твердость материала, начиная с поверхности, изменяется в следующем порядке: твердость поверхностной мартенсит-ной структуры может превышать НРС 60, троостомартен-ситной фазы - НЖС 45-55, троостита - НРС 40, сорбита -НКС 30 и крупнопластинчатой перлитной структуры -НРС 15.
В крайнем поверхностном слое, измеряемом в долях высоты микронеровностей, может образоваться самостоятельная структура, например, белый нетравящийся слой вторично закаленного металла, имеющий наибольшую толщину у поверхности царапин и прерывающийся на вершинах неровностей. Этот слой удаляется при отделочных операциях.
Наиболее распространенными видами дефектов шлифуемых поверхностей являются структурные и фазовые изменения, именуемые чаще прижогами и трещинами. При-жог - это местное изменение твердости и структуры металла на шлифованной поверхности. Прижоги определяются глубиной отпущенного слоя, геометрией расположения на шлифуемой поверхности и зависят от контактной температуры. Участки прижогов могут быть менее твердыми, чем окружающий материал, или могут иметь закаленную корку, лежащую на мягком участке металла. Установлено, что первый вид прижога относится к случаю, когда средняя температура резания Этп 500 °С второй вид при 0т0 500 °С.
При торцовом шлифовании закаленных сталей б поверхностном слое металла в зависимости от величины
контактной температуры могут возникать прижоги с отпуском или с подкалкой. Если контактная температура превосходит точку АС1, то образуются продукты дополнительного распада мартенсита - троостит и сорбит. При разогреве зоны контакта выше температуры фазовых превращений Асз верхний, вторично закаленный слой лежит на слое отпущенного металла, который по мере углубления постоянно пороходит через все стадии отпуска в исходную структуру. Структурные изменения поверхностного слоя закаленных сталей проявляются тем сильнее, чем интенсивнее выделяется тепло в зоне резания и продолжительней тепловое воздействие абразивного инструмента с поверхностью детали [1].
В соответствии с изменениями температуры и структуры поверхностного слоя располагаются и поля остаточных напряжений. При интенсивных режимах шлифования на поверхности детали создаются остаточные температурные напряжения положительного знака, которые достигают величины, приближающейся к пределу текучести.
Вместе с этим фазовые и микроструктурные превращения могут вызывать остаточные структурные напряжения обоих знаков, и суммарные остаточные напряжения на поверхности будут зависеть от комбинации этих напряжений и их распределения по глубине от поверхности. Хотя и сжимающие, и рас~ягивающие напряжения при превышении предела прочности материала детали способны вызывать шлифовочные трещины на поверхности, наиболее опасными являются растягивающие напряжения, которые, складываясь с напряжениями от внешней нагрузки, приводят к нарушению сплошности материала [2].
При изучении влияния неоднородности структуры на образование шлифовочных трещин было установлено, что в сталях и сплавах гетерогенной структуры содержится очень много опасных дефектов. Наиболее опасным является наличие включений в виде сплошных межзеренных пленок. В этих случаях трещины зарождаются не в объеме зерна, а на границах. Высокие температуры в зоне резания и скопление шлаковых и иных неметаллических включений на границе аустенитных зерен ослабляют силы связи границ, а разность коэффициентов линейного объемного расширения фаз увеличивает действие разрушающей силы. Ослабление связей на границах зерен и повышенная напряженность обусловливают возникновение шлифовочных трещин.
Установлено [2], что при шлифовании деталей, имеющих в исходном состоянии значительное количество остаточного аустенита, приводит к образованию дополнительного количества аустенита, так как температура в точке контакта абразивного инструмента с деталью превышает критическую температуру фазового превращения. Чем больше в поверхностных слоях детали аустенита, тем полнее в результате нагрева от воздействия абразивного инструмента и последующего быстрого охлаждения происходит процесс закалки, так как образование мартенсита в поверхностном слое сопровождается концентрацией сжимающих напряжений. В более глубоких слоях температура ниже, но она достаточна для прохождения процесса отпуска и для образования дополнительного количества аустенита. Наличие большого количества аустенита в подповерхностном слое деталей приводит к образованию растягивающих напряжений. Так как аусте-нитная фаза более пластична, чем мартэнситная, она должна пластически деформироваться. Но вследствие кратковременности процесса растягивающие напряжения не успевают расходоваться на деформирование и компен-
№3(28)2005 31
»
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
ОБОРУДОВАНИЕ
сироваться сжимающими напряжениями поверхностных слоев. В конечном итоге эти напряжения реализуются в виде образования хрупких трещин на границе закаленного и отпущенного слоев. Микротрещины при последующем проходе абразивного инструмента раскрываются и распространяются на достаточно большую глубину.
Соотношение структурных составляющих аустенита и мартенсита в поверхностном слое определяет знак и величину остаточных напряжений, возникающих при шлифовании закаленных сталей. В том случае, когда в поверхностном слое металла в результате шлифования стали с мартенситной структурой количество аустенита свыше 50 % и имеется в наличии относительно глубокий слой отпущенного металла, в поверхностных споях возникают напряжения растяжения, величина которых возрастает с увеличением количества остаточного аустенита и глубины отпущенного слоя. Если преобладающей окажется мартенситная составляющая, т.е. составляющая с большим удельным объемом, и отпущенный слой будет незначительным, то в результате такого сочетания в по-
верхностном слое появятся напряжения сжатия [2].
Поэтому при обработке алмазным шлифованием поверхностей деталей стремятся получить на поверхности суммарные сжимающие напряжения, подбирая режимы шлифования с учетом смазочно-эхлаждающей жидкости и свойств материала.
Литература
1. Свитковский Ф.Ю., Иванова Т.Н. Исследование закономерностей и повышения эффективности процесса шлифования деталей из труднообрабатываемых материалов. // Обработка металлов. - № 1(22), 2004.- С. 22-24.
2. Свитковский Ф.Ю., Иванова Т.Н. Разработка основ управления качеством при шлифовании деталей типа пластин. Труды пятой сессии межд. научной школы «Фундаментальные и прикладные проблемы теории точности процессов, машин, приборов и систем». / Под ред. д.т.н. В.П. Булатова и Л.В. Ефремова. - СПб.: ИПМаш РАН, 2002.- С. 205-209.
Разработка конструкции автономного бурового снаряда
H.H. ГРУШ ЕВА. доцент, кандидат техн. наук, Е.А. КУДРЯШОВ, профессор, доктор техн. наук, ЧитГУ, г. Чита
Кафедра технологии машиностроения сотрудничает с НПО им. Лавочкина (г. Москва ) в совместных разработках малогабаритных автономных устройств направленного бурения предназначенных для размещения на космических аппаратах.
В проектной задаче поставлено условие, чтс устройство должно быть предназначено для образования разведочных скважин малою диамелра в породах I—IV категории твердости.
Поскольку сведения о физико-механических характеристиках грунтов отсутствуют, предположили, что в качестве исходной информации для разработки автономного бурового снаряда следует принять одну из базовых характеристик процесса, а именно - характер разрушения породы.
Из известных способов бурения: механическое, термическое, электрическое, взрывное, гидравлическое и др.-выбираем, как наиболее приемлемый, способ механического бурения. Гидравлический и пневматический способы бурения исключаются, исходя из задачи исследования, а применение термобура и плазмобура требует значительно увеличить мощность электропривода (батареи).
Способ бурения позволяет использовать следующие методы: вращательный, ударный, вибрационный или их сочетание.
В качестве породоразрушающего инструмента использованы буровые коронки и долота из различных стойких к износу и ударному разрушению конструкционных материалов, включая инструменты, оснащенные искусственными сверхтвердыми материалами на основе кубического нитрида бора (торговая марка композита).
Анализ существующих конструкций-аналогов буровых снарядов при отсутствии жидкости или газа, необходимых для удаления породы из скважины, представляет наиболее перспективным бурошнековое устройство, имеющее рабочий орган-коронку из композита, закрепленную на шнеке.
Известны способы образования скважины и соответствующие конструкции инструментов, применяемые для снарядов автономного действия. К ним можно отнести шне-ковое бурение, бурение раскаткой и врезанием, а такхе комбинированный способ, совмещающий дробление, резание и шнековую подачу породы. Как правило, конструкция таких буровых устройств содержит забурник и расширитель. Если последний дополнить шнековым участком, то можно придать снаряду и осевое перемещение. Однако высока вероятность реактивного вращения снаряда от инструмента.
Наиболее близким аналогом решаемой нами задачи является способ ударно-канатного бурения, основанный на использовании снарядов контейнерного типа, опускаемых в забуренную скважину на тросе. Такие снаряды в основном работают с вибраторами, сообщающими инструменту осевое периодическое движение. Грунт, снятый инструментом, поступает в контейнер и при его заполнении снаряд тросом извлекается из скважины для разгрузки.
Безусловно, более прогрессивным способом является непрерывный, но при этом используются снаряды с принудительной промывкой шлама раствором, применяемые для глубокого и сверхглубокого бурения. Очевидно, что отсутствие аналогов самодействующих буровых устройств обусловлено техническими трудностями использования их на больших глубинах и необходимостью применения для бурения неглубоких скважин.
В качестве базового варианта принято решение взять за основу схему устройств периодического действия с шагающим приводом. Последний позволяет снаряду перемещаться в осевом направлении за счет использования различных эффектов и механизмов. Например, шнековое перемещение подобных устройств осуществляется за счет периодического сокращения их длины.
Снаряд смонтирован в двух корпусных гильзах 1 и 2 с возможностью их осевого относительного перемещения.
32 № 3 (28) 2005
