CC BY
28
ческой системы либо при ее известных характеристиках назначить разрешенные режимы резания.
3. При высокоскоростном фрезеровании наиболее эффективно использовать монолитные фрезы из твердого сплава с покрытием из алюмонитрида титана, нитрида карбида титана или нитрида титана.
Л И Т Е Р А Т У Р А
1. Николаев, А. SURFCAM 2002 plus. / А. Николаев // Что нового? САПР и графика. - 2003. - № 6. - С. 43-47.
2. Степанов, А. Высокоскоростное фрезерование в современном производстве / А. Степанов // CAM/CAE Observer. - 2003. - № 4. - С. 2-8.
3. Zelinski, P. Five sides and one zero: Shopfloor
programming for five-side parts. Mod. Mach. / P. Zelinski // Shop. - 2003. - 76. - № 7. - С. 54-55.
4. Hans, B. Kief. CNC for Industry / Hans B. Kief. -2000. - Р. 198.
5. Smith S. Тенденции развития высокоскоростной обработки / S. Smith // ASME: Journal of Manuf. Science, 2002. - Nr. 4, V. 119. - С. 664-666.
6. Popоli, В. Шпиндели для высокоскоростной обработки / В. РороН // Tooling & Production. - 2002. - Nr. 5, V. 68. - С. 60-62.
7. Pontius, K. Высокоскоростное фрезерование заготовок из разнородных деталей / K. Pontius // Cutting Tool Engineering. - 2002. - Nr. 2, V. 54. - С. 41-43.
Поступила 01.04.2009
УДК 621.762
МОДЕЛИРОВАНИЕ ФОРМИРОВАНИЯ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТИ ЗАГОТОВОК ИЗ ЧУГУНОВ ПРИ ИГЛОФРЕЗЕРОВАНИИ
Доктора техн. наук, профессора БАРШАЙ И. Л., ФЕЛЬДШТЕЙН Е. Э., инженеры БИРИЧА. В., ГОНЧАРОВ С. П.
Белорусский национальный технический университет, Зеленогурский университет (Польша), ИОО «Ист Юропеан Партс», 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 мало- и безотходных, ресурсосберегающих и экологически чистых технологий.
Качество поверхности в значительной степени определяет эксплуатационные характеристики деталей машин. По данным [1], методы формирования качества поверхности деталей машин составляют 10-20 % общей трудоемкости их изготовления. Приведенные в этой работе результаты анализа технологических процессов изготовления деталей машин в различных отраслях машиностроения показали, что такой обработке подвергаются 85-95 % выпус-
каемых деталей. Обработка проволочным инструментом, в частности иглофрезой, является перспективным методом для формирования качества поверхности деталей.
Формирование топографии и геометрической структуры поверхности при иглофрезе-ровании осуществляется в режиме микрорезания в зоне взаимодействия режущих элементов с поверхностью заготовки. При иглофрезерова-нии, кроме уменьшения высоты микронеровностей до Яа = 40 мкм, в поверхностном слое формируется наклеп. Степень наклепа игло-фрезерованной поверхности достигает 40 % [2]. Варьирование параметров режима иглофрезе-рования позволяет управлять формированием качества обработанной поверхности детали, а следовательно, ее эксплуатационными показателями.
Исследовали влияние параметров режима
иглофрезерования: скорости резания v, подачи S и натяга i в системе «обрабатываемая поверхность - рабочая поверхность иглофрезы» на формирование качества поверхности. Обрабатываемые материалы - чугуны: СЧ15, СЧ25 (ГОСТ 1412-85), ВЧ50 (ГОСТ 7293-85). Из указанных материалов были изготовлены призматические образцы (15x20x10 мм). Применяли иглофрезу диаметром D = 125 мм, шириной B = 20 мм и плотностью набивки проволочных элементов 80 %. Диаметр единичного проволочного элемента (микрорезца) d = 0,3 мм, свободный вылет l = 20 мм. Обработку плоских поверхностей образцов иглофрезерованием выполняли на горизонтально-фрезерном станке 6Н82Г.
При изучении топографии поверхности был использован комплекс для микро- и макроанализа поверхности на базе микроскопа МКИ-2М-1 с увеличением до 1200 крат, преобразователя изображения с помощью цифровой камеры «Никон» с разрешением 4,5 млн пиксель и последующей передачей изображения на ЭВМ. Оценку геометрической структуры поверхности осуществляли на основе действующего в настоящее время комплекта международных норм - ISO 3274:1997 и ISO 4287:1998. Под геометрической структурой понимается объединение всех неровностей поверхности. При проведении экспериментов определяли формирование следующих характеристик геометрической структуры поверхности в зависимости от параметров режима иглофрезерова-ния: среднего арифметического отклонения профиля Ra, стандартного отклонения профиля Rq, высоту десяти точек отклонений от регулярного профиля Rz, максимальную высоту выступов профиля Rp, максимальную глубину впадин профиля Rv, среднюю ширину элементов профиля RSm. Определение этих характеристик осуществляли с помощью мобильного прибора класса точности 1 Hommel tester T500. Микротвердость измеряли на приборе ПМТ-3.
Разработку математических моделей влияния параметров режима иглофрезерования на изменение исследуемых параметров качества поверхности выполняли на основе математического планирования эксперимента [3]. Применяли метод ЛПт-последовательностей. В этом случае точки реализации экспериментов располагаются в многомерном пространстве таким образом, чтобы их проекции на осях Xj - X2,
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 осях Х1 и Х2 изображен на рис. 1. Результаты ранее выполненных исследований [4] позволили выбрать следующие значения параметров режима иглофрезерования, принятые за основной уровень в данном эксперименте: V = 280 м/мин; = = 420 мм/мин и , = 0,3 мм. Матрица планирования эксперимента (условия проведения опытов) представлена в табл. 1, а условия проведения опытов - в табл. 2.
Х2
Х1 ---1
Рис. 1. Проекции семи точек на осях Х1 и Х2
Таблица 1
Матрица планирования эксперимента
Фактор Точки исследований
1 2 3 4 5 6 7
Xi 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 0,375 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
1 140 210 0,15
2 70 135 0,08
3 210 170 0,22
4 255 530 0,04
5 105 35 0,19
6 175 210 0,11
7 35 85 0,26
При решении технологических задач для моделирования исследуемого процесса широко используются уравнения множественной регрессии:
у - СПх,'"' и у = ехр(60 + Sb,x,). (1)
Их можно привести к линейному виду путем логарифмирования с последующим использованием метода наименьших квадратов. В случае применения ЭВМ можно воспользоваться методикой Д. Полларда [5]
i...Xj У1 Y
X = 1-Х ; y = Уг ; y = Y
i...Xn Уп Yn
Ь = -
(2)
Тогда
ХЬ =
bo+bfXx
b0 +b,x, ■; у-хь = <
bo+b,x„
У\ -Ь0 -Ь,х! у -b0 -Ь,х, у„ -Ь0 +Ь,х„
• (3)
Критерий минимизации записывается следующим образом:
(у - ХЬ)Т(у - ХЬ) -> тт. (4)
Расчетные значения У рассматриваемой функции
У = ХЬ. (5)
Рассматривая матрицу = ХГХ и вектор Хгу. можно заметить, что имеет порядок 2x2, а размерность вектор-столбца Хту равна 2. Таким образом:
n n
».........X-v
s = г =1 II E-, 1=1
¿X-tx? ;=1 ;=1 ¿XJ, ;=1
(6)
Тогда уравнения метода наименьших квадратов в матричном виде могут быть записаны
Ь = *-1Хту. (7)
На рис. 2 изображена топография поверхности образцов из СЧ25 до обработки. Топография поверхности образцов до иглофрезерова-ния из других исследуемых марок чугунов аналогична приведенной.
На рис. 3 представлены фотографии топографии поверхности образцов после иглофре-зерования. Изучение топографии обработанной
поверхности образцов позволяет сделать вывод о том, что после иглофрезерования следы от проволочных элементов на поверхности произвольно изменяют свое направление. На поверхности формируются расположенные случайным образом выступы и впадины, риски. Поверхность образцов из исследованных марок чугу-нов после иглофрезерования стала более гладкой, без резких впадин и выступов.
Рис. 2. Фото топографии поверхности образцов из СЧ25 до иглофрезерования: а - х65; б - х250
1
2
Рис. 3. Фото топографии поверхности образцов из СЧ25
б
а
Ъ
о
Ъ
после иглофрезерования (цифры соответствуют номерам опытов в табл. 2), х250
Минимальные значения исследуемых характеристик геометрической структуры получены при обработке образцов из высокопрочного чугуна ВЧ50 в 4-м опыте, а для образцов из СЧ15 и СЧ25 - в 5-м. Полученные результаты объясняются тем, что при обработке хрупких материалов, какими являются чугуны, наряду со срезом отдельных частиц металла происходит их сдвиг и беспорядочное хрупкое скалывание от основной массы металла, увеличивающее шероховатость поверхности. Повышение скорости резания уменьшает скалывание частиц материала, и обрабатываемая поверхность становится более гладкой. Хрупкость чугуна марки ВЧ50 превышает хрупкость чугунов марок СЧ15, поэтому иглофрезерование с высокой скоростью резания и подачей (табл. 2, 4-й опыт) обеспечило минимальные значения высотных параметров геометрической структуры поверхности образцов из чугуна марки ВЧ50.
Геометрическая структура обработанной поверхности зависит от углов проволочного элемента инструмента (у и а), формируемых в процессе обработки [3]. Значения этих углов определяются его упругой деформацией. В свою очередь упругая деформация проволочных элементов зависит от параметров режима обработки. Увеличение значений параметров режима обработки приводит к росту углов у и а. Так, при формировании переднего угла у > (-20°) процесс микрорезания переходит в субмикро-резание и пластическое деформирование обрабатываемой поверхности.
Рост скорости обработки V способствует снижению высотных Яа, Яг, Ш, Rр, Яу, Яд, Rс и шаговой ЯБт характеристик геометрической структуры в 1,5-3,6 раза по сравнению с исходными (до обработки) значениями. Выявленный характер изменения характеристик геометрической структуры в зависимости от скорости V объясняется присущим обработке проволочным инструментом «краевым» эффектом [3]. Этот эффект заключается в следующем. Крайние со стороны обрабатываемой поверхности проволочные элементы (микрорезцы) имеют больший изгиб в направлении подачи заготовки, так как обладают меньшей жесткостью, чем весь пакет проволочных элементов. В результате они формируют микроцарапины на обраба-
тываемой поверхности. Повышение продольной подачи S ведет к увеличению исследуемых характеристик геометрической структуры, что связано с переходом процесса субмикрорезания к микрорезанию. Повышение натяга i в системе «обрабатываемая поверхность - рабочая поверхность инструмента» способствовало увеличению всех исследуемых характеристик геометрической структуры. Рост указанного параметра приводит к превалирующему влиянию процесса микрорезания и в меньшей степени -пластического деформирования обрабатываемой поверхности, вызываемого ударным воздействием проволочных элементов инструмента.
Исходное (до обработки) среднее значение микротвердости образцов: СЧ15 -Н\1 = 3817 МПа; СЧ25 - Н\у = 4093 МПа; ВЧ50 - Н\х = 2973 МПа. После иглофрезерования микротвердость поверхности образцов из исследуемых материалов зафиксирована в следующих пределах Яц = = 4124-7377 МПа.
Анализ результатов эксперимента свидетельствует о том, что минимальное значение микротвердости поверхности (H\i = 5367 МПа) для образцов СЧ15 получено в 1-м опыте (v = 140 м/мин; S = 195 мм/мин; i = 0,15 мм); для образцов СЧ25 {Ни = 4529 МПа) и ВЧ25 (Н\1 = 4124 МПа) зафиксировано после иглофрезерования в 3-м опыте (v = 210 м/мин; S = = 98 мм/мин; i = 0,22 мм). Максимальная микротвердость для всех исследуемых марок чугунов СЧ15 (Яц = 6670), СЧ25 (Я|1 = 7377 МПа) и ВЧ50 (Я|1 = 5300 МПа) сформирована во втором опыте (v = 70 м/мин; S = 292 мм/мин; i = = 0,08 мм). Таким образом, степень наклепа для исследованных марок чугунов после иглофре-зерования достигает: СЧ15 - 78 %; СЧ 25 - 80; ВЧ50 - 78 %.
На основе полученных результатов были разработаны математические модели влияния параметров режима обработки на изменение исследуемых характеристик геометрической структуры поверхности и микротвердости поверхности:
• СЧ25
Ra = 2,53v_0'006S°'0151i0'084; (8)
Rq = 3,15v0'005S°'041l0'085; (9)
Яг = И^0'021«^0'023/0'028;
Яр = 6,95^022«-0'006/0'050; Яv = 9,83v0'01955-),037/0'008;
Я«т = 15>0'021^°'023/0'028;
//и 5280г 'V
СЧ15
Яа = 2,06v0'011S)'1411/0'285; Яд = 2,82^02015°Д07/0'262; Яг = 14,1^,0065°'087/0'195; Яр = 4,66^,0105°'159/0'221; Яv = 9,83^'0055й'048/0'189; Я«т = 0,0458^0'0615ЙД93/0'027;
Иэ,мкм 2,8
(10)
(11) (12)
(13)
(14)
(15)
(16)
(17)
(18)
(19)
(20)
//ц = 5720у0'0285~°'014/0'009;
ВЧ50
(21)
Яа = 3,42^080^0'114/0'055; (22)
Яд = 4^0'073^0Д04/°,068; (23)
Яг = 21 ^0'0395^0'096/0'067; (24)
Яр = 8,67v0'0б 0«0,070/-0,097; (25)
Яv = 13v0'0175^0'121/0'037; (26)
Я«т = 0,156^0'0515°'095/0'166; (27)
//и = 3 740у~°'03285°'05 1 Г0,059. (28)
Одномерные сечения функций отклика разработанных моделей представлены на рис. 4-7.
И, мкм 15,5
35 65 95 125 155 185 215 245
35 65 95 125 155 185 215 245
Ир,мкм
35 65 95 125 155 185 215 245
35 65 95 125 155 185 215 245
ИЭт, мм 0,170
J V, м/мин
35 65 95 125 155 185 215 245
Рис. 4. Влияние скорости резания V на изменение характеристик геометрической
структуры поверхности
Рис. 5. Влияние подачи S на изменение характеристик геометрической структуры поверхности
Рис. 6. Влияние натяга / на изменение характеристик геометрической структуры поверхности
Рис. 6. Окончание (начало см. на с. 36)
Н\1, ГПа 6.0 5,5 5,0 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5
Яц.
ГПа
6,5 5,5 4,5 3,5 2,5 1,5
40
85
130
175 220 265 v, м/мин
190 300 410 520 630 S, м/мин
Яц, ГПа 6.0 5,5 5,0 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 0
М
2V
N
\
4^
Рис. 7. Влияние параметров режима иглофрезе-рования на формирование наклепа: а - скорость обработки v; б - подача в - натяг /
05 0,11 0,17 0,23 0,29 0,35 i, мм
б
а
в
В Ы В О Д
Разработанные модели позволят осуществить прогнозирование и управление процессом иглофрезерования для обеспечения требуемой геометрической структурой и микротвердости поверхности деталей из чугуна в зависимости от их эксплуатационного назначения.
Л И Т Е Р А Т У Р А
1. Суслов, А. Г. Технологическое обеспечение параметров состояния поверхностного слоя деталей / А. Г. Суслов. - М.: Машиностроение, 1987. - 208 с.
2. Перепичка, Е. В. Очистно-упрочняющая обработка изделий щетками / Е. В. Перепичка. - М.: Машиностроение, 1989. - 136 с.
3. Ящерицын, П. И. Планирование эксперимента в машиностроении / П. И. Ящерицын, Е. И. Махаринский. -Минск: Вышэйш. шк., 1985. -286 с.
4. 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.
5. Поллард, Д. Справочник по вычислительным методам статистики / Д. Поллард; пер. с англ. В. С. Занадво-рова. - М.: Финансы и статистика, 1982. - 344 с.
Поступила 02.02.2009
