CC BY
88
Key words: humidimetry, liquid hydrocarbons, the device of measurement of humidity, porous materials, spatially-globuljarnaja structure, accuracy of measurement.
Konstantinov Vitaly Evgenevich, candidate of technical sciences, the senior scientific employee, vitacon194@„mail.ru, Russia, Moscow, FAE «The 25-th State Research Institute of Himmotology, Ministry of Defence of Russian Federation»,
Sharykin Fedor Evgenevich, the senior scientific employee, fedor rf@,mail.ru, Russia, Moscow, FAE «The 25-th State Research Institute of Himmotology, Ministry of Defence of Russian Federation»
Kalashnikov Valery Georgievich, the younger scientific employee, 22otdel@,mail.ru, Russia, Moscow, FAE «The 25-th State Research Institute of Himmotology, Ministry of Defence of Russian Federation»
Gapochka Mikhail Germanovich, candidate of physical and mathematical sciences, docent, [email protected], Russia, Moscow, The Moscow State University named after M. V. Lomonosov
УДК621.91.02:621.9.04
ОБОСНОВАНИЕ МИКРО- И НАНОРЕЛЬЕФОВ НА ПОВЕРХНОСТИ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА И ВЫБОРА МЕТОДОВ ИХ ПОЛУЧЕНИЯ
В.В. Любимов, В.М. Волгин, И.В. Гнидина, М.С. Саломатников
Обоснована микрогеометрия поверхностей режущего клина в соответствии с течением металла по его поверхности. Показаны некоторые типовые варианты микрогеометрии поверхностей. Предложены электрофизикохимические методы и технологические схемы их реализации для получения заданных микрорельефов.
Ключевые слова: режущий клин, микрорельеф, электрофизикохимические методы обработки, технологические схемы.
Резание металлов, пластмасс, композитов осуществляется на основе использования режущего клина (инструмента) [1 - 3] при его относительном движении по отношению к заготовке (скорости резания и подаче). Основными элементами режущего клина являются три составляющие поверхности (передняя, главная задняя, вспомогательная задняя), режущие лезвия и вершина [1].
В настоящее время в подавляющем большинстве случаев режущий клин реализуется в виде сменных режущих пластин (СРП), выпускаемых различными фирмами [4]. Такие пластины стандартизованы [5 - 8] и характеризуются следующими параметрами:
1) сложной по макрогеометрии передней поверхностью с элементами геометрического и кинематического преобразования стружки с целью повышения износостойкости СРП;
2) простыми по макро- и микрогеометрии параметрами главной и вспомогательной задних поверхностей, свойство которых, как правило, определяются возможностями методов получения СРП;
3) формой и геометрическими параметрами режущих лезвий, являющимися интегральным результатом пересечения передней и задних поверхностей, характеризуемых случайными параметрами качества поверхности [9];
4) Геометрическими параметрами передних поверхностей, которые, как правило, носят макроскопический характер (макровыступы, макровпадины и т. п.).
В последнее время по мере развития высокоскоростной обработки и совершенствования условий чистовой обработки начаты работы по созданию искусственных макро- и микрорельефов, в основном на передних поверхностях режущего клина в виде канавок [10 - 14], фасонных фигур [15 - 17], цилиндрических, пирамидальных и других элементов [18, 19]. Есть ограниченное количество работ по созданию искусственных рельефов на задних областях клина [20, 21].
Недостатком выполненных работ в целом является недостаточная связь параметров элементов искусственной шероховатости поверхностей клина с сутью процессов резания. Это проявляется в применении постоянных по геометрическим характеристикам искусственных рельефов в пределах одной поверхности клина и в ограниченном перечне методов получения названных рельефов. Наиболее часто применяются механические методы обработки, в частности, шлифование [18, 22] и лазерные методы обработки [10, 13, 15, 16].
Целью работы является обоснование микро- и наногеометрических структур поверхностей режущего клина, его лезвий и выбора электрофизико-химических методов их получения.
Обоснование структур передних поверхностей. Различные зоны передней поверхности функционируют в отличающихся по силам, температурам и трению условиях. Учитывая различный функциональный характер таких зон передних поверхностей клина, можно выделить:
зону разделения материала (зона А);
зону транспортировки стружки (зона В); зону отрыва стружки (зона С).
Наличие зон А, В, С диктует необходимость создания переменных по параметрам микро- и нанорельефов на передней поверхности. В зоне А необходимо формировать микрорельефы, обеспечивающие наилучшие условия разделения материала. Исходя из этого, в зоне А не следует повышать высотные параметры микрорельефа режущего лезвия.
а б
Рис. 1. «Линии тока» материала по передней поверхности (а) и схема взаимодействия «стружка - передняя поверхность» (б): 1 - заготовка; 2 - инструмент (режущий клин); 3 - стружка;
4 - направления течения стружки; 5 - линия отрыва стружки
В зоне В после разделения материала и образования стружки необходимо создание условий для уменьшения сил трения пары «передняя поверхность - стружка». Для этого необходимо учитывать направление течения стружки по передней поверхности клина и создавать условия изменения смачиваемости поверхности (гидрофобность или гидрофильность) в зависимости от условий резания (черновая или чистовая обработка). Рассматривая процесс течения металла как жидкости большой вязкости, можно допустить схему течения, изображенную на рис. 1.
Можно ожидать, что для высокоскоростной обработки допустимо использование гидродинамической аналогии [23]. В этом случае при увеличении числа Рейнольдса зона В будет сокращаться, так как отрыв стружки по аналогии обтекания сферической поверхности, приведенной в работе [24], будет происходить ранее.
В зоне С нет необходимости создания специальных рельефов. Условием отрыва является йи!йу<0 [24].
Для сокращения зоны В передней поверхности необходимо режущее лезвие выполнять как ЗЭ-элемент с площадкой на задней поверхности (рис. 2). В этом случае для набегающего потока будут ранее формироваться условия отрыва, что приведет к снижению сил резания.
150
Рис. 2. Площадка по задней поверхности: 1 — линии отрыва потока; И — высота кромки по задней поверхности
Обоснование микрорельефов задних поверхностей. Микрогеометрия задних поверхностей определяет:
условия трения по задней поверхности клина;
характер микрогеометрии режущих лезвий;
формирование поперечной шероховатости обработанной поверхности.
В соответствии с условиями обтекания клина потоки вязкой жидкости (металла) формируются в зависимости от скорости набегания потока, ширины потока (глубины резания), «гладкости» клина (возмущений).
Возможны следующие варианты исполнения главной задней поверхности (рис. 3).
в г
Рис. 3. Возможные варианты микрогеометрии задних поверхностей: а — горизонтальный микрорельеф; б — вертикальный микрорельеф; в — наклонный микрорельеф; г — комбинированный микрорельеф; 1 — передняя поверхность клина; 2 — главная задняя поверхность клина;У — скорость (натекания) металла; 0 - угол наклона микрорельефа 151
При создании микрорельефов происходит образование локальных режущих клиньев на режущих лезвиях. Для обеспечения эффективного резания локальными режущими клиньями необходимо применение таких методов обработки, которые обеспечивают формирование микровершин и микрорадиусов у основания локального клина.
Каждый локальный клин имеет собственные геометрические параметры ул, аол, ал. Локальные клинья могут быть однорядовыми (рис. 4,б) или многорядовыми (рис. 4, а). При отрицательном а0 происходит дифференцирование съема материала. Шаг вершин локальных клиньев может быть постоянным или переменным.
Рис. 4. Вариант формирования локальных режущих клиньев на главной задней поверхности: 1 - вершины локальных клиньев;
а - задняя поверхность; б - сечение клина при а0<0; в - сечение клина при а0> 0; ал - локальный главный задний угол; ул - локальный главный передний угол
Обоснование микрогеометрии режущих лезвий. В настоящее время в сменных режущих пластинах микрогеометрия режущего лезвия является результатом пересечения случайных параметров шероховатости передней и задних поверхностей (Кг, б0, б).
Учитывая то, что Б^Жг, имеющиеся выступы на режущих лезвиях имеют очень большое значение угла е при вершине (около 120...140°) (рис. 5) и наличии большого радиуса при вершине элементов шероховатости. Поэтому естественно образованные локальные клинья весьма неэффективны с точки зрения условий резания.
1-1
Рис. 5. Естественная шероховатость режущего лезвия
Таким образом, создание искусственных шероховатостей на передней и задних поверхностях предопределяет детерминированность режущих лезвий как периодических локальных клиньев (рис. 6). Для создания таких клиньев необходимо применять методы формирования микрорельефов с шагами одного порядка по отношению к высотным параметрам при минимальных радиусах в зоне пересечения элементарных поверхностей микрорельефа.
Рис. 6. Образование локальных режущих клиньев при нанесении искусственных микрорельефов различной формы на поверхности инструмента: 1 - передняя поверхность;
2 - задняя поверхность; 3 - режущее лезвие
Из приведенных моделей пересечения видно, что режущее лезвие является пространственным элементом, параметры которого зависят от микрогеометрии пересекающихся передней и задней поверхностей.
Обоснование наношероховатости рельефов. Нанорельефные элементы шероховатости связаны с характеристикой обрабатываемого материала и параметрами процесса обработки. Параметры процесса обработки должны быть одного геометрического и временного порядка по отношению к нанопараметрам рельефа. Это условие выполняется для электрофизико-химических методов обработки (съем материала на наноуровне, временное воздействие на уровне десятков и сотен наносекунд).
153
Основное назначение формирования нанорельефов связано с созданием гидрофобных или гидрофильных свойств поверхностей, а также с изменением условий трения.
Обоснование микрогеометрии вершин клина. Вершина клина является одним из важнейших его элементов. В этом месте клина в процессе обработки сосредоточены максимальные напряжения и температу-ры.Вершина клина в зависимости от радиуса г характеризуется широким диапазоном углов в плане, что приводит к различным условиям резания в зоне вершины (рис. 7).
Рис. 7. Традиционная вершина резца (а) и вершина резца с микрогеометрией (б): ф0, ф - углы в плане; ф0л, фл - локальные углы в плане; ф0/, ф/ - углы в плане в зоне вершины
Фактически непосредственно в зоне г углы в плане имеют очень малое значение, что приводит к деформированию материала. Уменьшение г приводит к ухудшению размерной стойкости и стойкости инструмента в целом. В работе предлагается формирование вершин с искусственной шероховатостью. В этом случае фактически формируется многовершинный клин с локальными углами в плане ф0л и фл. Шаг вершин микрорельефа должен быть переменным, т.е. = Уаг, и некратным скорости подачи 80. В этом случае каждый локальный клин вершины будет осуществлять самостоятельный процесс резания.
Обоснование выбора методов формирования микро- и нанорельефов. Традиционные методы обработки имеют ограниченные возможности для формирования микро- и нанорельефов. Особые трудности возникают из-за высокой твердости СРП. Исходя из этого некоторое применение нашло только шлифование [18, 22]. Ряд проблем решается с помощью методов травления [12].
Наиболее перспективными для формирования искусственных рельефов с переменными параметрами являются электрофизические и электрохимические методы обработки, такие, как электроэрозионное, электрохимическое, ультразвуковая обработка, обработка с применением лазерного формообразования. Однако применение этих методов ограничивалось про-
<
а
б
блемами изготовления электродов-инструментов с соответствующими микропараметрами. Развитие метода прототипирования открыло возможности изготовления таких электродов-инструментов и тем самым возможность переноса микрорельефов на поверхности клина.
Электроэрозионная обработка (ЭЭО) может быть применена при использовании электрода-проволоки (в том числе вольфрамовой проволоки малого диаметра до 80 мкм) или электродов, прототипированных из меди или прототипированных из пластмасс с последующим нанесением электропроводного металлического слоя.
Электрохимическая размерная обработка может быть применена для создания рельефов, способствующих уменьшению трения (без острых вершин).
С применением ЭЭО были изготовлены СРП с горизонтальными и вертикальными микрорельефами на задних поверхностях (рис. 8) и СРП с переменными микрорельефамина передних поверхностях пластин (рис. 9, а, б). Получены локальные режущие клинья на задней поверхности СРП путем нанесения горизонтальных и вертикальных микрорельефов (рис. 9, в).
а б в
Рис. 8. Режущие пластины с постоянными микрорельефами на задних
поверхностях: а - вертикальное расположение элементов с малым шагом; б - вертикальное расположение элементов с большим шагом; в - горизонтальное расположение элементов
а б в
Рис. 9. Режущие пластины с переменными микрорельефами:
а,б - на передних поверхностях пластин; в - на задней поверхности с вертикальным и горизонтальным
расположением элементов
Выводы
1. В современных условиях механической обработки приобретает важное значение соответствие микро- и наногеометрических параметров поверхностей режущего клина условиям обработки.
2. Предложены варианты формирования микрорельефов с переменными параметрами на передней и задней поверхностях режущего клина.
3. Показано, что в реальных условиях режущие лезвия и поверхность клина является элементом, формирующим локальные режущие клинья со своими геометрическими параметрами.
4. Предложены некоторые методы и технологические схемы для формирования микрорельефов на поверхностях режущего клина.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ и Тульской области в рамках научного проекта 15-48-03250.
Список литературы
1. Бобров В.Ф. Основы теории резания металлов. М.: Машиностроение, 1975 . 344 с.
2. Грановский Г.И., Грановский В.Г. Резание металлов. М.: Высш. шк., 1985. 304 с.
3. Васин С. А., Верещака А.С., Кушнер В.С. Резание материалов. Термомеханический подход к системе взаимосвязей при резании. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001. 448 с.
4. Режущий инструмент / А. А. Рыжкин, К.Г. Шучев, А.Г. Схиртлад-зе, А.И. Боков, М.М. Алиев. Ростовн/Д: Феникс, 2009. 405 с.
5. Пластины сменные многогранные. Классификация. Система обозначений. Формы. ГОСТ 19042-80.
6. Пластины режущие сменные многогранные твердосплавные квадратной формы с отверстием и стружколомающими канавками на одной стороне. Конструкция и размеры. ГОСТ 19052-80.
156
7. ГОСТ 19086-80. Пластины сменные многогранныетвердосплав-ные. Технические условия.
8. ГОСТ 24257-80. Пластины режущие сменные многогранные твердосплавные ромбической формы с углом 55°, сотверстие мистружко-ломающими канавкам и на двух сторонах. Конструкция и размеры.
9. Хусу А.П., Витенберг Ю.Р., Пальмов В.А. Шероховатость поверхностей: теоретико-вероятностный подход. М.: Наука, 1975. 344 c.
10. Development of cutting tools with microscale and nanoscale textures to improve frictional behavior / N. Kawasegi, H. Sugimori, H. Morimoto, N. Morita, I. Hori // Precision Engineering. 2009. V.33(3). P.248-254.
11. Enomoto T., Sugihara T. Improving anti-adhesive properties of cutting tool surfaces by nano-/micro-textures // CIRP Annals-Manufacturing Technology. 2010. V.59Q). P.597-600.
12. Micro-texture at the coated tool face for high performance cutting / T. Obikawa, A. Kamio, H. Takaoka, A. Osada // International Journal of Machine Tools and Manufacture. 2011. V.51(12). P.966-972.
13. Effect of microscale texture on cutting performance of WC/Co-based TiAlN coated tools under different lubrication conditions / K. Zhang, J. Deng, Y. Xing, S. Li, H. Gao // Applied Surface Science. 2015. V.326. P. 107-118.
14. Rathod P., Aravindan S., Paruchuri V.R. Evaluating the effectiveness of the novel surface textured tools in enhancing the machinability of titanium alloy (Ti6Al4V) // Journal of Advanced Mechanical Design, Systems and Manufacturing. 2015. V.9 (3).
15. Cutting performance and wear mechanism of nanoscale and micro-scale textured Al 2 O 3/TiC ceramic tools in dry cutting of hardened steel / Y. Xing, J. Deng, J. Zhao, G. Zhang, K. Zhang // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. 2014. V.43. P. 46-58.
16. Study on micro texturing of uncoated cemented carbide cutting tools for wear improvement and built-up edge stabilization / J. Kummel, D. Braun, J. Gibmeier, J. Schneider, C. Greiner, V. Schulze, A. Wanner // Journal of Materials Processing Technology. 2015. V.215. P. 62-70.
17. Ma J., Duong N.H., Lei S. Numerical investigation of the performance of microbump textured cutting tool in dry machining of AISI 1045 steel // Journal of Manufacturing Processes. 2015.V.19. P.194-204.
18. Micro-grinding of micro-groove array on tool rake surface for dry cutting of titanium alloy / J. Xie, M.J. Luo, J.L. He, X.R. Liu, T.W. Tan // International Journal of Precision Engineering and Manufacturing. 2012. V. 13 (10). P. 1845-1852.
19. FEM assessment of performance of microhole textured cutting tool in dry machining of Ti-6Al-4V / J. Ma, X. Ge, C. Qiu, S. Lei // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2015. DOI 10.1007/s00170-015-7918-0.
20. Fatima A., Mativenga P.T. A comparative study on cutting performance of rake-flank face structured cutting tool in orthogonal cutting of AISI/SAE 4140 // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2015. V.78(9-12). P.2097-2106.
21. Fatima A., Mativenga, P.T. Performance of flank face structured cutting tools in machining of AISI/SAE 4140 over a range of cutting speeds // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part B: Journal of Engineering Manufacture. 2016. V.230(1). P.3-18.
22. Experimental study on cutting temperature and cutting force in dry turning of titanium alloy using a non-coated micro-grooved tool / J. Xie, M.J. Luo, K.K. Wu, L.F. Yang, D.H. Li // International Journal of Machine Tools and Manufacture. 2013. V.73. P. 25-36.
23. Баннов К.В. Модель направленного разрушения металлов резанием // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2010. Т.3. N12. C.370-377.
24. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. М.: Наука, 1974. 711 с.
Любимов Виктор Васильевич, д-р техн. наук, проф., lvv@,.tsu.tula.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Волгин Владимир Мирович, д-р техн. наук, проф., volgin@,.tsu.tula.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Гнидина Инна Вячеславовна, канд. техн. наук, доц., gnidina inna@,mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Саломатников Михаил Сергеевич,инженер, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет
THE RATIONALE OFTHEMICRO-AND NANORELIEFS ON THE SURFACE OF THE CUTTING TOOL AND THE METHODS OF THEM FABRICATIONS
V.V. Lyubimov, V.M. Volgin, I.V.Gnidina, M.S. Salomatnikov
The work is devoted to rationale of the surface microgeometry of the cutting wedge in the metal flow on its surface. Some typical variants of surface microgeometry are shown. The electrophysical and electrochemical methods and technological schemes for their realization to obtain the desired microreliefsare proposed.
Key words: cutting wedge, microrelief electrophysical and electrochemical machining, technological schemes.
Lyubimov Victor Vasilevich, doctor of technical sciences, professor, lvv@,.tsu.tula.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Volgin Vladimir Mirovich, doctor of technical sciences, professor, [email protected], Russia, Tula, Tula State University,
158
Gnidina Inna Vyacheslavovna, candidate of technical sciences, gnidi-na inna@,mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Salomatnikov Mikhail Sergeevich, engineer, [email protected], Russia, Tula, Tula State University
УДК 658.562:621.9
ОБЕСПЕЧЕНИЕ ИННОВАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ПРОИЗВОДСТВА КАЧЕСТВЕННОЙ ПРОДУКЦИИ
Е.В. Ким
Рассмотрены аспекты обеспечения инновационных технологий производства качественной продукции, этапы контроля качества. применение статистических методов контроля качества при обеспечении инновационных технологий производства качественной продукции, этапы методологии развертывания функций качества QFD.
Ключевые слова: аспекты обеспечения, этапы контроля, статистические методы, контроль качества, обеспечение инновационных технологии, методология QFD.
На современном этапе развития среди предприятий общественного питания значительно возросла конкуренция. Для поддержания конкурентоспособности в данных рыночных условиях работа специалиста-технолога должна быть направлена на обеспечение таких инновационных технологий производства, которые позволили бы реализовывать потребителю продукцию наиболее высокого качества.
В ходе обеспечения инновационных технологий производства качественной продукции общие принципы контроля качества остаются неизменными [1], но в настоящее время вместо понятия «контроль» специалисты-технологи зачастую используют такое понятие, как «обеспечение». В словарях термину «обеспечивать» (to assure) присваивается значение «гарантировать», тогда как «контролировать» (to control) означает управлять, регулировать в рамках определенных полномочий. В связи с этим термин «обеспечение» представляется более подходящим, поскольку управление в рамках данных полномочий зачастую не гарантирует хороших результатов.
Обеспечение инновационных технологий производства качественной продукции является одной из функций производственного менеджмента и одной из составляющих процесса управления качеством на предприятиях общественного питания [2]. В ходе реализации обеспечения
