CC BY
9
УДК 921.91
Т.Г. Насад, И.П. Насад, К.Т. Шеров
ОБОСНОВАНИЕ ФОРМИРОВАНИЯ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ В РЕЗУЛЬТАТЕ ТЕРМИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ
Аннотация. В статье представлено обоснование формирования качества поверхности деталей из труднообрабатываемых материалов. Рассмотрено влияние теплового фактора на формирование микрогеометрических характеристик при обработке труднообрабатываемых материалов, что позволяет управлять за счет регулировки технологических параметров качеством поверхности.
Ключевые слова: формообразование, труднообрабатываемые материалы, технические характеристики, качество поверхности, микрогеометрия, структура, тепловые процессы
T.G. Nasad, I.P. Nasad, K.T. Sherov
FORMING QUALITY CHARACTERISTICS OF A WORKPIECE SURFACE BY MEANS OF THERMAL EFFECTS
Abstract. The article presents the substantiation of surface quality formation of parts from hard-to-process materials. Influence of thermal factor on formation of microgeometric characteristics during processing of hard-to-process materials is considered, which allows controlling quality of surface due to adjustment of technological parameters.
Keywords: shaping, hard-to-process materials, technical characteristics, surface quality, microgeometry, structure, thermal processes
ВВЕДЕНИЕ
Эксплуатационная надежность машин и механизмов, изготавливаемых в машино-и приборостроении, в основном зависит от метода обработки и, соответственно, достигаемого качества поверхностей изготавливаемых деталей [1-6]. При выборе метода обработки следует учитывать наиболее значимые факторы, к которым относятся:
- тепловое воздействие:
- энергосиловые параметры;
- вибрации элементов технологической системы;
- схема формообразования и пр.
Традиционные методы обработки обычно сопровождаются вибрациями составляющих узлов станка, вызванными процессами трения отдельных элементов технологической системы из-за некачественного технического обслуживания и несвоевременного ремонта,
73
что негативно сказывается на формировании качества поверхности. Снижение уровня колебаний элементов станочной системы может быть достигнуто подналадкой автоматизированного комплекса и определением оптимальных режимов резания для конкретных групп материалов «инструмент-деталь».
Существенную роль играет и теплофизика процесса, так как температуры, возникающие в зоне резания, вносят свой вклад в формообразование поверхности, вызывая структурные изменения в поверхностном слое, снижение или повышение микронеровностей, образование растягивающих остаточных напряжений.
К наиболее значимым характеристикам нагрева относят: уровень максимальных температур нагрева; скорость нагрева и охлаждения; длительность пребывания поверхности в условиях высоких температур.
Контроль качества изготавливаемых машин и приборов позволяет оценить макро-и микрогеометрические характеристики, структуру и микротвердость изучаемого объекта. Сравнительный анализ оценки процесса формообразования и показателей качества поверхности, позволяет сформулировать наиболее эффективные принципы управления.
Известно, что большинство труднообрабатываемых материалов отличаются низкой обрабатываемостью по сравнению с конструкционными сталями и сплавами. Обрабатываемость резанием является технологической характеристикой материала, которая определяется комплексом его физико-механических свойств. Помимо химического состава, имеет значение вид термической обработки и ее режимы, которые определяют структуру поверхностного слоя. Часто резание труднообрабатываемых материалов характеризуется крайне малой пластической деформацией при стружкообразовании. Механическая работа затрачивается в основном на упругие деформации и трение заготовки о переднюю поверхность режущего инструмента. Нарост при обработке данной группы материалов, как правило, отсутствует, поэтому износ инструмента протекает достаточно интенсивно. Из-за высоких значений механических характеристик обрабатываемого материала возникают большие силы резания, при этом значения радиальной составляющей Ру превышают значения силы Рz в 2 и более раз. Учитывая все особенности формообразования труднообрабатываемых материалов, наиболее целесообразно их обрабатывать с использованием гибридных технологий.
ИССЛЕДОВАНИЯ
Гибридные технологии в основном реализуются на гибридном оборудовании либо с использованием специальных методов.
Методы классифицируют:
• по виду энергии (механическая, электрическая, химическая, тепловая);
• способу подвода энергии (в зону резания, в заготовку на некотором расстоянии от зоны резания);
• виду физико-механического воздействия (пластическая деформация, плавление, испарение, анодное растворение, эрозионное разрушение);
• схемы формообразования (кинематическая схема обработки).
К основным процессам, протекающим последовательно или параллельно в зоне резания и оказывающим влияние на упрочнение (разупрочнение) поверхности при резании металлов, относят следующие: 74
1) слияние отдельных кристаллических решеток металла в маленькие блоки, состоящие из набора ячеек, дезориентированных друг относительно друга;
2) смещение амплитуды колебаний основных плоскостей решетки в сторону образования новой кристаллической решетки;
3) перемещение целых частей кристаллической решетки параллельно движению задней поверхности инструмента;
4) деформация ячеек или полный сдвиг всей решетки с изгибом ее плоскостей;
5) ориентирование кристаллов в определенном направлении на обратной поверхности детали.
Увеличение микротвердости (упрочнение) зависит от количества энергии, поглощаемой металлом при его пластической деформации.
Скрытая энергия Е, накопленная при деформировании металла и работа А связаны между собой соотношением
dE (dE^(dA^ (dE^(dTл +
dt
V dA у
dt
ушу
V dT у
dt
ушу
Скорость выравнивания кристаллической решетки при резании металлов определяет-
с1Б
ся выражением - и является функцией температуры рекристаллизации Т. Если деформа-
dT
ция кристаллов протекает при температуре выше температуры рекристаллизации, то величи-
dE
на - становится настолько значительной, что процессы протекают мгновенно и материал
dT
не успевает упрочниться.
Как правило, на величину шероховатости при гибридной обработке оказывают влияние такие основные факторы как геометрия рабочей части лезвия режущего инструмента и кинематика его рабочего движения; вынужденные колебания режущего инструмента относительно обрабатываемой поверхности; упругие и пластические деформации обрабатываемого материала в зоне контакта с режущим лезвием; микрогеометрия рабочей части режущего инструмента; адгезионные процессы в зоне контакта обрабатываемой детали и задней поверхности инструмента и его износ.
Первые четыре фактора вызывают образование систематической составляющей, которая имеет математическую интерпретацию. Пятый фактор вызывает образование случайной составляющей и определяет дисперсию параметров шероховатости, которую сложно описать математически. Полученная величина является результатом сложения всех перечисленных факторов и описывается выражением
5
Rz = Ь + ^ + hз + кл + ^ = X Ь
i=1
где Ь - составляющая высоты профиля, определяемая геометрией рабочей части инструмента; h2 - составляющая, обусловленная колебаниями режущего инструмента; ^ - составляющая высоты профиля, обусловленная пластическим оттеснением материала заготовки; И4 -составляющая высоты профиля, формируемая под влиянием микрогеометрии режущего ин-
струмента; h5 - составляющая высоты профиля, формируемая под действием случайных факторов.
Методика расчетов составляющей h1 (высота профиля шероховатости, определяемая геометрией рабочей части инструмента и кинематикой движения элементов ТС) состоит в определении по формулам в зависимости от схемы обработки и определенных условий. Для точения, растачивания, торцевого фрезерования составляющая h1 определяется выражением
h _ r(1 - cosф) /^ф/^фД^ - r(sinф + sin ф1) - 2/£ф(со$ф1 - cosф) cos у cos у(/£ф + tgф1)
где ф, ф1 - главный и вспомогательный углы в плане; S - подача (мм/об при растачивании или мм/зуб при торцевом фрезеровании); r - радиус при вершине резца; у - передний угол.
Составляющую высоты профиля шероховатости h2, обусловленную колебаниями режущего инструмента относительно обрабатываемой поверхности, рассчитывают по формуле
C SyVZ [HB"maxf - HB (t - R )z ]
y L mm ^ z max / J
HBn j (1 - (-)2 + П2
ср J тс V V / n
ш
где t - глубина резания; V - скорость резания; X - частота вынужденных колебаний ТС; ш - собственная частота колебаний; Т - постоянная времени демпфирования; Су, у, х, z, п - коэффициенты и показатели степени в расчетной формуле для силы резания Ру; jтс -жесткость технологической системы.
Составляющую высоты профиля Ь3, обусловленную пластическим оттеснением материала заготовки в зоне контакта с лезвием инструмента, рекомендуется определять по формуле
0,5Р(1" 21 а/0 >£Ф&Ф1
h3 =-^-,
tgф + tgфl
где р - радиус скругления режущей кромки; та - прочность обрабатываемого материала на сдвиг; от - предел текучести обрабатываемого материала.
Радиус скругления режущей кромки является величиной переменной, так как меняет свое значение в течение времени работы резца. Проведенные исследования показали, что радиус скругления режущей кромки р зависит от конкретных условий обработки и определяется механическими свойствами обрабатываемого материала и материала режущего инструмента. Для некоторых материалов среднее значение р приведено в табл. 1.
Таблица 1
Среднее значение р для различных материалов детали и инструмента
Обрабатываемый материал сталь 45 сталь 40Х13 сталь 20ХН3А сталь 12Х18Н10Т
Материал РИ Т15К6 Т15К6 Т15К6 ВК8
Значение р, мкм 35 30 25 40
Сопротивление пластическому сдвигу та зависит от вида обрабатываемого материала и температуры в зоне резания. Экспериментально получено выражение, позволяющее определять значения та, которое имеет вид
500
^ =-7-\-'
" ( T + 273 1
9,81(ехр(а[ 1 + с))
V100 + ь у
где а, Ь, с - эмпирические коэффициенты (табл. 2).
Таблица 2
Значения коэффициентов а, Ь, с
Обрабатываемый сталь сталь сталь
материал 40Х13 20ХН3А 12Х18Н10Т
Материал РИ Т15К6 Т15К6 ВК8
а 0,525 0,495 -0,699
Ь -6,586 -5,986 -7,222
с 1,147 0,968 1,528
По итогам обработки профилограммы исследуемого процесса получена экспериментально-аналитическая модель шероховатости поверхности в зависимости от режимов резания и температуры подогрева снимаемого припуска.
Зависимость имеет вид
я = С^^а;©".
Значения коэффициентов и показателей степени для различных материалов приведены в табл. 3.
Таблица 3
Обрабатываемый материал С1 Р ; а
Сталь 40Х13 0,97 0,46 0,23 0,16 0,28
Сталь 20ХН3А 0,88 0,38 0,21 0,16 0,31
Сталь Х18Н10Т 1,13 0,43 0,23 0,13 0,33
Экспериментально-аналитический метод определения шероховатости на основе про-филограммы позволяет произвести гармонический анализ шероховатой поверхности и определить наиболее значимые частотные составляющие, которые формируются в процессе резания и наиболее вероятный источник их возникновения.
ВЫВОДЫ
При воздействии высоких температур в процессе обработки шероховатость поверхности существенно снижается за счет повышения пластичности материалов, что дает возможность более точно копировать профиль режущего инструмента и исключить образование пластических заусенцев.
Исследования шероховатости после термического воздействия показали, что профиль характеризуется значительным удельным весом периодической составляющей, что позволяет причислить процесс гибридной обработки к управляемым. Таким образом, возможно улучшение показателей качества поверхности за счет регулирования режимов резания.
1. Управление качеством поверхности деталей машиностроения / Т.Г. Насад, А.Н. Васин, А.А. Казинский и др. // СТИН. 2018. Вып. № 7. С. 30-32.
2. Surface-layer quality after high-speed turning of hard material / I.E. Kiryushin, D.E. Kiryushin, S B. Venig at al. // Russian Engineering Research. 2014. Т. 34. № 6. С. 423-424.
3. Benefits of high-speed milling / I.E. Kiryushin, D.E. Kiryushin, T.G. Nasad, S.B. Venig // Russian Engineering Research. 2012. Т. 32. № 1. С. 48-49.
4. Nasad T.G., Kochetkov A.V. Highly efficient methods of machining titanium for oil-gas drilling equipment //. Chemical and Petroleum Engineering. 2016. Т. 52. № 3. С. 227-230.
5. Насад Т.Г. Износ лезвийного инструмента при высокоскоростной обработке с дополнительным тепловым воздействием // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2005. № 1 (6). С. 80-84.
6. Насад Т.Г., Шеров К.Т., Насад И.П. Теплофизические аспекты гибридных технологий // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2020. № 1 (84). С. 47-52.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ
Насад Татьяна Геннадиевна -
доктор технических наук, профессор
Tatyana G. Nasad -
Dr.Sc. Tech., Professor,
кафедры «Технология и системы управления Department of Control Systems
в машиностроении» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю. А.
Technology in Mechanical Engineering Yuri Gagarin State Technical University of Saratov
Насад Ирина Павловна -
аспирант кафедры «Технология и системы управления в машиностроении» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
Irina P. Nasad -
postgraduate, Department of Control Systems Technology in Mechanical Engineering, Yuri Gagarin State Technical University of Saratov
Шеров Карибек Тагаевич -
Karibek T. Sherov -
Dr.Sc. Tech., Professor, head: Department of Mechanical Engineering Technology, Karaganda State Technical University (Kazakhstan)
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Технология машиностроения» Карагандинского государственного технического
университета (Казахстан)
Статья поступила в редакцию 21.01.21, принята к опубликованию 24.02.21
