CC BY
143
УДК 621.91.01
А.Н. Селиванов, Т.Г. Насад
ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА ОБРАБОТКИ ВАЛОВ ИЗ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ МЕТОДОМ ВЫСОКОСКОРОСТНОГО ФРЕЗЕРОВАНИЯ И ФРЕЗОТОЧЕНИЯ
Приводятся принципиальные схемы обработки валов методом высокоскоростного фрезерования. Для каждой из схем рассматривается процесс образования огранки, определяется производительность и выявляются наиболее перспективные схемы обработки.
Валы, фрезерование, фрезоточение, высокоскоростное резание, титановые сплавы, качество поверхности, огранка, производительность.
A.N. Selivanov, T.G. Nasad THE QUALITY MAINTENANCE OF PROCESSING SHAFTS FROM TITANIUM ALLOYS BY HIGH SPEED MILLING AND TURN-MILLING METHODS
The article presents principal schemes of producing shafts by high speed milling and turn-milling methods. For every scheme there is a special cutting process, productive efficiency and the most perspective schemes are also selected.
Shafts, milling, turn-milling, high speed cutting, titanium alloys, surface quality, ^tting, productive efficiency.
Широкое применение сплавы на основе титана получили во второй половине XX века. Из-за своей прочности, лёгкости и коррозионной стойкости металлы данной группы применяют в медицине, химической и пищевой промышленности. Особенно в последнее время титановые сплавы повсеместно используют в энергетическом и атомном машиностроении, а также в авиа- и приборостроении. При этом существенно возрастают требования, предъявляемые к качеству изготавливаемой продукции.
Как правило, в качестве финишных операций используют методы абразивной обработки, но их применение при обработке титановых сплавов сопровождается рядом существенных проблем:
1. Способность титановых сплавов налипать на шлифовальный круг и забивать поры снижает его стойкость в 10 и более раз [1, 2].
2. Абразивные методы обработки, в частности шлифование, сопровождаются выделением большого количества теплоты, что в сочетании с низким коэффициентом теплопроводности титановых сплавов приводит к концентрации теплоты в верхних слоях металла, а впоследствии это может привести к короблению обрабатываемой поверхности, отпуску термообработанных поверхностей, изменению структурно-фазового состава металла, образованию прижогов, остаточных растягивающих напряжений и возникновению микротрещин [3].
3. Результатом совместного действия указанных выше факторов является плохое качество обрабатываемой поверхности, что способно существенно снизить рабочий ресурс как отдельно взятой детали, так и всего механизма в целом.
4. Действие высоких температур, возникающих при шлифовании (600-1600°С [4]), способно привести к самовозгоранию и интенсивному горению стружки малых сечений (¿•5 = 0,05-0,07 мм и меньше). Учитывая тот факт, что процесс шлифования характеризуется снятием припусков малой величины с большой скоростью, а в процессе резания фактически образуется пыль, то данный фактор делает финишные операции, такие как шлифование, малоэффективными, экономически невыгодными, а подчас и невозможными [5, 6].
В то же время при отсутствии альтернативных способов обработки шлифование титановых сплавов осуществляется при сниженной скорости резания (до 500-600 м/мин) и использовании большого количества СОТС, что, в свою очередь, не находит одобрения у экологов и приводит к удорожанию конечной стоимости продукта [7, 8].
Таблица 1
Принципиальные схемы обработки валов фрезами
Кинематика процесса
Профиль огранки
Обработка валов по схеме окружного фрезерования
Обработка валов по схеме охватывающего фрезерования
Схема резания вращающимся резцом
1
5
2
6
3
7
Обработка металлов резанием является одним из самых распространённых способов получения готового изделия с заданными параметрами качества и практически любой формы. Существует огромное количество схем резания (точение, сверление, фрезерование и т.д.), каждая из которых обладает преимуществами и недостатками. Из-за такого многообразия часто встаёт вопрос об эффективности используемой схемы резания. Основными критериями, служащими для оценки эффективности резания, являются: производительность, мощность, качество и себестоимость обработки.
В работе [9] рассмотрены основные критерии оценки эффективности резания, из которых следует, что наиболее производительными являются:
- силовое резание, протягивание, точение по методу Колесова;
- способы с компенсацией сил резания и применением многолезвийного инструмента;
- высокоскоростное резание (ВСР).
Очень большое число выпускаемой продукции машиностроительных предприятий относится к группе тел вращения. Так, например, габариты валов (диаметр и длина) могут находиться в пределах от нескольких десятков до нескольких тысяч миллиметров. При этом металл, используемый для их производства, может хорошо подвергаться обработке резанием (сталь 45), а может вызывать большие трудности, связанные со стойкостью инструмента и качеством обработанной поверхности (титановые сплавы).
Проведя оценку вышеизложенных фактов, была поставлена задача получения качества поверхности, идентичного шлифованию, при обработке деталей тел вращения из титановых сплавов методом высокоскоростного резания с применением многолезвийного инструмента (фрез).
Для выявления возможных схем обработки валов с использованием в качестве режущего инструмента фрезы использовался метод графического моделирования. В качестве базовой схемы обработки тел вращения принята токарная операция.
На основании полученных данных составлена классификационная таблица (табл. 1, схемы 1-4), отображающая основные схемы обработки валов с использованием в качестве режущего инструмента фрезы. Кроме того, существование таких же схем обработки было подтверждено проведённым обзором научно-технической информации [10, 11, 12].
Общий анализ приведенных кинематических схем показал, что для осуществления процесса резания необходимо вращать инструмент и деталь, а также перемещать инструмент вдоль оси вращения детали для создания движения поперечной подачи £ПОП. При этом скорость резания будет зависеть от скорости вращения инструмента Уи, а величина продольной или окружной подачи будет зависеть от скорости вращения детали Уд, т.е. Уд м/мин = £ мм/мин. Глубина резания регулируется величиной перемещения фрезы в радиальном направлении (табл. 1, схемы 1-3) или в осевом (табл. 1, схема 4).
Также было установлено, что в процессе резания на обрабатываемой поверхности остаются выступы высотою к (огранка), расположение которых зависит от выбранных режимов резания. Так, например, если скорость вращения заготовки не будет кратна 360°, то в процессе обработки огранка будет распределена в виде спирали
по длине обработанной поверхности вдоль оси вращения заготовки (рис. 1). В то же время, если скорость вращения заготовки будет кратна 360°, то огранка распределится в виде нескольких прямых линий вдоль оси вращения заготовки (рис. 2). Таким образом, учитывая тот факт, что обработка валов ведётся на высоких скоростях резания при использовании инструмента с режущими зубьями конкретной геометрии и чётко ориентированными в пространстве, а выбор скорости вращения детали Уд позволяет регулировать распределение огранки по поверхности, то можно утверждать, что при обработке валов методом фрезерования на обработанной поверхности происходит образование регулярного микрорельефа, что оказывает благоприятное воздействие на эксплуатацию детали, и что в принципе недостижимо при шлифовании.
Дальнейшее изучение вопроса позволило установить, что профиль огранки зависит от принятой схемы обработки (табл. 1, схемы 5-8) и для каждой схемы на это оказывают влияние различные факторы.
Для их выявления был использован метод графического моделирования, на основании которого получены формулы, позволяющие рассчитать высоту огранки к для каждой из представленных схем обработки. Проведённые расчёты по полученным формулам позволили построить графики, отображающие зависимость высоты огранки к от ряда факторов, и установить степень влияния каждого из них. Установлено, что наибольшее влияние на величину огранки для всех схем обработки оказывает величина подачи £2.
Рис. 1. Неравномерное распределение огранки Рис. 2. Равномерное распределение огранки
Критерием назначения режимов резания служило получение высоты огранки, соответствующей шероховатости Яа = 1,25-0,63 мкм, что соответствует 7-8-му классу чистоты и идентично обработке шлифованием, при условии, что радиус инструмента гИ = 100 мм, радиус детали Яд = 75 мм.
При вычислении высоты огранки И для схем окружного фрезерования и фрезоточения (табл. 1, схемы 1, 4) использовались формулы (1) [12] и (2) [13] соответственно:
ги • вт
к = ги
180 - а вт
90-(я-Яд -0,5• Sz)
п • Я
2 - 2•сов
(90• Sz ^
п • Я
90 • (п • Яд - 0,5 • Sz)
п • Я
90 • (п • Яд - 0,5 • Sz)
п • Я
■д
, (1)
г
г
И
БШ-
где гя - радиус инструмента, мм; Яд - радиус обработанной поверхности детали, мм; -
величина подачи, мм/зуб.; в - межцентровое расстояние в = Яд + ги.
Для определения наиболее производительной схемы обработки составлена табл. 2, в которую занесены исходные данные (рабочие параметры), оказывающие влияние на величину огранки и значения величины огранки, рассчитанные для каждой схемы обработки.
Производительность схем оценивалась путём сравнения качества обработанной поверхности (значения высоты огранки к) и величины подачи Бг. Максимальная разница между полученными расчётными значениями величины огранки к не превышает 6,5%.
Анализ данных табл. 2 показал, что по степени производительности
представленные схемы обработки в табл. 1 расположились следующим образом (табл. 3).
Оценивая возможность практической реализации рассматриваемых схем обработки, следует отметить, что для обработки валов методом охватывающего фрезерования (табл. 1, схема 2) необходимо применять специализированное оборудование, в то время как обработку валов по схемам 1, 3, 4 (табл. 1) возможно проводить как на
специализированном, так и на модернизированном оборудовании [14, 15]. Кроме того, применение схемы охватывающего фрезерования при обработке крупногабаритных валов ведёт к удорожанию и затруднению использования данной схемы обработки из-за необходимости применения фрез всё больших диаметров по мере увеличения диаметра обрабатываемых заготовок, в то время как применение других схем обработки не обязывает увеличивать диаметр используемого инструмента.
Таблица 2
Исходные данные для расчётов
Рабочие параметры Схема обработки
окружное фрезеров ание охватывающе е фрезеровани е фрезоточение вращающимися резцами (положение № 1) фрезоточение (положение № 2)
Радиус детали ^д, мм 75 75 75 75
Радиус инструмента гИ, мм 100 100 - -
Подача Б2, мм/зуб. 1,17 8 0,05 1,6
Угол у(ф), град. - - -20 (70) -
Угол а(ф'), град. - - 5 (5) -
Величина огранки Л, мм 4,012х10-3 4,023х10-3 4,252х10-3 4,272х10-3
Таблица 3
Определение производительности схем обработки
Схема обработки Относительная производительность, %
1. Охватывающее фрезерование 400
2. Фрезоточение (положение № 2) 36,75
3. Окружное фрезерование 2240
4. Вращающиеся резцы
Исходя из вышеизложенного, сделан вывод, что, несмотря на высокую производительность обработки валов методом охватывающего фрезерования, применение данной схемы не всегда возможно и оправдано. Принято решение отказаться от схемы «вращающиеся резцы» ввиду её низкой производительности. Таким образом, наиболее целесообразным при дальнейшем изучении вопроса будет рассмотрение схем фрезоточения и окружного фрезерования.
Проведённые пробные эксперименты по обработке вала из титанового сплава марки ВТ 1-0 по схеме окружного фрезерования (схема 1, табл. 1) показали, что при использовании попутного фрезерования и высоких скоростей резания (70, 120 м/мин) происходит своевременное и качественное удаление стружки из зоны резания и наблюдается хорошее качество обработанной поверхности, в то время как при встречном фрезеровании происходит налипание стружки на обработанную поверхность детали и инструмента тем сильнее, чем выше скорость резания.
Вывод
В результате проделанной работы были определены: высокоэффективные схемы обработки валов с использованием в качестве режущего инструменты фрезы, изучен процесс образования огранки, факторы и степень их влияния на высоту огранки, проведена оценка производительности каждой из схем обработки и выбраны наиболее перспективные. Данные проведённого эксперимента свидетельствуют о том, что обработка тел вращения из титановых сплавов методом ВСР является возможной и позволяет получить поверхность высокого качества, при этом становится возможным отказаться от операции шлифования. Таким образом, метод ВСР титановых сплавов обладает наибольшими преимуществами перед другими методами обработки титановых сплавов и обеспечивает высокое качество поверхности при существенном росте производительности.
ЛИТЕРАТУРА
1. Филимонов Л.Н. Высокоскоростное шлифование / Л.Н. Филимонов. Л.: Машиностроение, 1979. 248 с.
2. Галицкий В.Н. Алмазно-абразивный инструмент на металлических связках для обработки твёрдого сплава и стали / В. Н. Галицкий, А. В. Курищук, В. А. Муровский. Киев: Наукова думка, 1986. 144 с.
3. Лоскутов В.В. Шлифование металлов: учебник для средних и профессиональнотехнических училищ / В.В. Лоскутов; 6-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1979. 243 с.
4. Евсеев Д. Г. Формирование свойств поверхностных слоев при абразивной обработке / Д.Г. Евсеев. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1975. 128 с.
5. Подураев В.Н. Резание труднообрабатываемых материалов: учеб. пособие для вузов / В.Н. Подураев. М.: Высшая школа, 1974. 587 с.
6. Справочник по технологии резания материалов: в 2 кн. / под ред. Г. Шпура, Т. Штеферле; пер. с нем. М.: Машиностроение, 1985. Кн. 2. 688 с.
7. Абковиц С. Титан в промышленности / С. Абковиц, Дж. Бурке, Р. Хильц. М.: Оборонная промышленность, 1957. 147 с.
8. http://www.vtool.ru/anl/ito0405-cotc.pdf.
9. Ермаков Ю.М. Комплексные способы эффективной обработки резанием: библиотека технолога / Ю.М. Ермаков. М.: Машиностроение, 2005. 272 с.
10. Рогов В . А. Технологические возможности станков, предназначенных для обработки шеек коленчатых валов / В.А. Рогов, А.С. Кошеленко // Технология машиностроения. 2007. № 7. С. 25-29.
11. Ермаков Ю. М. Современные тенденции в развитии лезвийной обработки / Ю.М. Ермаков. М.: НИИмаш, 1983. 68 с.
12. Мир металлообработки. 2007. № 2. 36 с. http://www.coromant.sandvik.com.
13. Селиванов А.Н. Определение высоты огранки, возникающей при обработке валов методом фрезерования / А. Н. Селиванов // Исследование сложных технологических систем: сб. науч. тр. Саратов: СГТУ, 2009. С. 162-165.
14. Селиванов А. Н. Определение высоты огранки, возникающей при обработке валов фрезоточением / А.Н. Селиванов // Инновации и актуальные проблемы техники и технологий: материалы Всерос. науч.-практ. конф. молодых ученых: в 2 т. Саратов: СГТУ, 2009. Т. 2. С. 48-
49.
15. http://www.spinstrument.ru.
16. http://edu.tltsu.ru.
Селиванов Александр Николаевич -
аспирант кафедры «Технология электрофизических и электрохимических методов обработки» Энгельсского технологического института (филиала) Саратовского государственного технического университета
Насад Татьяна Геннадиевна
доктор технических наук, профессор, заведующая кафедрой «Технология электрофизических и электрохимических методов обработки» Энгельсского технологического института (филиала) Саратовского государственного технического университета
Selivanov Aleksander Nikolaevich -
Postgraduate Student of the Department of «Technology of Electro-chemical and Electro-physical Processing Methods» of Engels Technological Institute (branch) of Saratov State Technical University
Nasad Tatiyana Gennadievna -
Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of the Department of «Technology and Equipment of Electro-chemical and Electro-physical Processing Methods» of Engels Technological Institute (branch) of Saratov State Technical University
Статья поступила в редакцию 18.05.10, принята к опубликованию 14.07.10
