CC BY
35
УДК 621.91.01
В. С. КУШНЕР Д. С. ГУБИН
Омский государственный технический университет
ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ ТОРЦОВОГО ФРЕЗЕРОВАНИЯ СПЛАВОВ НА НИКЕЛЕВОЙ ОСНОВЕ ПО ТЕМПЕРАТУРЕ ФОРМОУСТОЙЧИВОСТИ (ЧАСТЬ 2)
В статье разработана методика теоретического определения рациональных режимов фрезерования никелевых сплавов. В качестве основного ограничения использовалась связь интенсивности изнашивания с температурой фор-моустойчивости режущего лезвия. Расчет температур выполнялся с учетом взаимосвязи температуры и характеристик сопротивления никелевых сплавов пластическим деформациям, а также с учетом влияния тепловых потоков, отводящихся из зоны резания в инструмент и в заготовку.
Ключевые слова: сплавы на никелевой основе, торцевое фрезерование, пластические деформации, температура формоустойчивости, рациональные режимы.
* Часть 1 опубликована в журнале «Омский научный вестник». — 2015. — 2 (141) — С. 31-33.
Расчет контактных температур и температуры формоустойчивости режущего лезвия. При расчете температуры передней поверхности с использованием термомеханического подхода значение предела текучести вблизи режущей кромки рассчитывалось по формуле, аналогичной (7), но с другим коэффициентом динамичности Кд = 2,3.
Вблизи режущей кромки (при ед = 1,17) предел текучести на сдвиг достигает д0 = 1,56 = 2340 МПа. Это значение принято как начальное значение предела текучести (рис. 1).
Распределение плотности теплового потока и температуры по длине пластического контакта рассчитывалось численным методом [1, с. 210; 2, с. 91—92] с учетом теплоотвода в стружку в направлении, перпендикулярном скорости резания и взаимосвязи плотности теплового потока и температуры:
дт = <0дТ
д* дХ
при qv = q
1 -
273 + е
1--д
т
Ки. (10)
(
1 -
)Р ес -е0 (С)ом ес - ед
( с г)
1 - кКе а
ем 2
(11)
Чр
д3
где ^Ст
1 -
с
у/.
)р
I
( К
1 - V
— 6м 2 м
(12)
Л
е»
9 м -
Т„ = -- и т3 = -3-. (13)
у у
р
Уменьшение плотности теплового потока вследствие разупрочнения материала учитывалось введением стоков теплоты на каждом из рассматриваемых интервалов [1, с. 186—187].
Учет плотностей тепловых потоков в стружку и деталь производился по формуле:
( Я А
Яст
При расчете температуры на задней поверхности режущего лезвия учитывалось влияние источника теплоты, расположенного на участке застойной зоны, непосредственно перед режущей кромкой [1, с. 177].
Расчет температур проводится при допущении, что при фрезеровании в любой момент времени температура передней и задней поверхностей режущего лезвия соответствует температурам этих поверхностей при точении при одинаковой толщине срезаемого слоя, соответствующей мгновенному положению зуба при фрезеровании. Для этого дуга контакта была разбита на интервалы (1=18), что позволило моделировать процесс изменения температуры в зависимости от угла контакта при фрезеровании никелевых сплавов.
Выполненные по разработанной программе расчеты позволили установить, что изменение толщины срезаемого слоя при повороте зуба вызывает соответствующие изменения плотностей тепловых потоков и температур передней (рис. 2а) и задней (рис. 2б) поверхностей.
Угол контакта 6 оказывает влияние на температуру передней поверхности через изме-
Кз = I 1 -
у
Рис. 1. Схема к расчету максимальных характеристик обрабатываемости материала резанием
ООО »0» ?оо
МО 300 400 300 200 100 О
1 —А
/
Л
V
-
0.03 0.06 0.0» 0.12
Дзтш шатана стружки с огргаогй жшгрхяоспоо ми
— 0м-90 гри -«м-Югрил
ютл.
УОй 800 700 «00 зоо
В
5 400
68 ><*>
\\
0.0« 0.1: 0.18 0,24 0,3 0 36 0.42 0,45 0.34 0.« 0,6« КООрЛОШЫ |>ингй ИЭДфХИОСт. им
— ЧМ-З ГРЦ -»»N-30 ГрЦ -вМ-90 Грел
?
I 1.«
В
* 1.4
ь.=
I 1.0
а о.8
| ол в
* о.:
и ч
1 1
I
.
1
1 |
£ 1
з
■ П.8
I 0.6 4
I
=2 0.2 4
0.03 0.06 0.04 о.п
Л.111НЗ МС'НТЯКи стружи) С ПСрСЛ№ГЯ ПОМр М0С1Ы0 .мм — 8м-<Н>граа—в№Мгри гр*1
И
1.4
]1
|
1
1
1
1_
0.06 0,12 0,1» 0.24 0,3 0.36 0.42 0,4« 0,34
К\Чф.ШНИШ [К'»Гр\>».НТИ чи
— 9м-3пмл -#М-30гр*д —Нм-90гр«л.
б)
Рис. 2. Распределение плотности тепловых потоков и соответствующих им температур на передней (а) и задней (б) поверхностях инструмента при фрезеровании никелевого сплава в зависимости от угла контакта: марка сплава ХН56ВМТЮ-ВД: аь=1250 МПа; 5=0,2; т=0,3; Оф=40 мм; Зм=50мм/мин, п=240 об/мин, \=30м/мин число зубьев фрезы г=4; глубина врезания зуба е=20 мм; глубина резания t =1,5 мм; передний угол у=10 °С; угол наклона режущей кромки Х=0°С; угол в плане ф=70 °С; радиус закругления вершины инструмента 1=0,5 мм;
критерий затупления h =0,4; усадка стружки £=1,8
нение длины лезвием:
контакта стружки с режущим
с « 2С,Б г sin ф sin 0 .
(14)
А на температуру задней поверхности — через высоту застойной зоны, которая на первой итерации принималась равной 0,3а [1, с. 178] и уточнялась с учетом влияния температуры.
Температура формоустойчивости режущего лезвия рассчитывалась по формуле (рис. 3):
0Ф = 0,7
[(е +(е -еп)21+400,
1\ л, тах 0 / \ з,тах 0 / .1
где е = 400 °С
(15)
Связь интенсивности изнашивания с температурой формоустойчивости режущего лезвия и рациональными параметрами фрезерования. Экспериментально полученные сведения об изнашивании твердосплавных режущих лезвий при резании сплавов на никелевой основе свидетельствовали о том, что зависимости ширины фаски износа
*
Рис. 3. Схема к определению температуры формоустойчивости режущего лезвия
Рис. 6. Зависимость минимальной целесообразной расчетной температуры формоустойчивости режущего лезвия от критерия затупления по задней поверхности. Условия резания те же, что на рис. 4
1,2 1 0.8 0.6 ■ 0 4 0.2 О
I U л и
Лт
#
/ /
0 100 200 300 Пут 400 ь резан 500 1Я. м 600 700 800
Рис. 4. Зависимости ширины фаски износа от пути резания для различных скоростей резания при точении никелевого сплава ЭП742 ВД (ХН56ВМТЮ-ВД) резцами ВК8 у=10°, ф=45°, г=1 мм, s=0,07 мм/об, =1,5 мм
Рис. 7. Графическая интерпретация нахождения рациональных значений параметров фрезерования никелевого сплава ХН56ВМТЮ-ВД (аь=1250 МПа; 8=0,2; m=0,3;) при ограничениях на основе теоретических и эмпирических данных
С 3
о
5 2 0J t 1
+ 1
XJ
3 1 —
2.
850 900 950 1000 1050 1100 1150 1200 Температура формоустойчивости, град. Ц
| ОЬ=Р,2мм пЬ=0.4мм АИ=0,бмм х ь=0.8 мм + И=1.0 мм |
Рис. 5. Зависимость интенсивности изнашивания от температуры формоустойчивости для различных значений ширины фаски износа при резании никелевого сплава
от пути резания на порядок выше, чем при резании сталей и имеют вид нелинейных кривых, форма которых изменяется при изменении режимов резания [1, с. 261 — 264]. Это свидетельствовало о необходимости использования в качестве характеристики изнашивания инструмента интенсивности изнашивания
81 = —- [1, с. 260; 2, с. 100-103; 3, с. 137], а также dL
о том, что интенсивности изнашивания в этих тяжелых термомеханических условиях резания зависят не только от изнашивания поверхностей режущего лезвия, но и от его деформации под действием
напряжений на передней и задней поверхностях (рис. 4).
На основании рис. 6 и формулы 14 получены зависимости интенсивности изнашивания от температуры формоустойчивости для различных значений ширины фаски износа задней поверхности режущего лезвии (рис. 5).
Из рис. 5 следует, что минимальная целесообразная расчетная температура формоустойчиво-сти режущего лезвия не остается постоянной при изменении критерия затупления И*, а уменьшается при увеличении допускаемой ширины фаски износа (рис. 6).
Для определения областей рациональных режимов фрезерования сплавов на никелевой основе нужно задать требования, в качестве одного из которых, например, может выступать требуемая площадь обработанной поверхности заготовки.
Зная среднюю интенсивность изнашивая и экспериментальные данные (рис. 4 и рис. 5) можно рассчитать температуру формоустойчивость режущего лезвия при фрезеровании никелевых сплавов и использовать ее в качестве одного из ограничений, для нахождения оптимальной подачи на зуб и числа оборотов:
5* - 50 51 -5о
0" - 0
0! -0
(16)
о у
где 8 — средняя интенсивность изнашивания, а 0 — соответствующая ей температура формоустойчивости; 80 и 00 — минимальные целесообразные интенсивность изнашивания и температура формоустойчивости; 81 и 00 — предельно
2
допустимые интенсивность изнашивания и температура формоустойчивости.
Задача оптимизации решалась в два этапа:
— определялась область допустимых значений Sz и n для конкретных условий фрезерования (условия те же, что и на рис. 2) при ограничении по температуре формоустойчивости режущего лезвия, принятой для твердосплавных пластин ВК8 0Ô = 900°С ;
— область допустимых значений сопоставлялась с целевой функцией Sm, имеющей с этой областью общую точку или некоторую область решений (рис. 7).
При необходимости учета ограничений по шероховатости или по износостойкости (площадь обработанной поверхности) назначается соотношение частоты вращения n и подачи на зуб Sz с учетом этих требований, за счет снижения производительности.
Заключение. Разработана схема бокового торцевого фрезерования с указанием геометрических параметров, режима фрезерования и сечения срезаемого слоя в четырех плоскостях (основной, рабочей, плоскости резания и плоскости стружкообра-зования).
Установлена связь характеристик износостойкости (площадь обработанной поверхности) с допускаемой средней интенсивностью изнашивания и другими характеристиками процесса фрезерования.
Выявлена зависимость удельной работы деформации Aw никелевого сплава в адиабатических условиях от деформации Sp, коэффициента динамичности KS и температуры при фрезеровании.
Показано, что при резании сплавов на никелевой основе предел текучести обрабатываемого материала достигает значения 1,24Sb в зоне стружко-образования и 1,56Sb на передней поверхности.
Установлено, что температура деформации 0 А существенно зависит о переднего угла и достигает значения порядка 550 °С при у0, что составляет существенную часть температуры, допускаемой интенсивность изнашивания S режущего лезвия.
Показано, что температура на участке пластического контакта стружки с режущим лезвием существенно зависит от взаимосвязи температуры и предела текучести материала.
Выявлено, что при фрезеровании никелевых сплавов тепловые потоки, отводящиеся через режущее лезвие могут составлять существенную долю от общей мощности источников тепла (до 20 %) и должны быть учтены при расчете температуры.
Библиографический список
1. Верещака, А. С. Резание материалов : учеб. / А. С. Верещака, В. С. Кушнер. — М. : Высш. шк., 2009. — 535 с.
2. Бургонова, О. Ю. Повышение эффективности обработки конструкционных материалов фрезерованием : моногр. / А. Ю. Бургонова, В. С. Кушнер. - Омск : ОмГТУ, 2013. - 140 с.
3. Крутько, А. А. Повышение эффективности восстановления токарной обработкой железнодорожных колесных пар : моногр. / А. А. Крутько, В. С. Кушнер, А. А. Воробьев. — Омск : ОмГТУ, 2013. — 176 с.
4. Режимы резания труднообрабатываемых материалов : справ. / Я. Л. Гуревич [и др.]. — М. : Машиностроение, 1986. — 240 с.
5. Макаров, А. Д. Оптимизация процессов резания / А. Д. Макаров. — М. : Машиностроение, 1976. — 278 с.
КУШНЕР Валерий Семенович, доктор технических наук, профессор (Россия), профессор кафедры машиностроения и материаловедения секции «Материаловедение и технология конструкционных материалов».
Адрес для переписки: valerii_kushner@mail.ru ГУБИН Дмитрий Сергеевич, аспирант, ассистент кафедры машиностроения и материаловедения секции «Материаловедение и технология конструкционных материалов». Адрес для переписки: gubin.89@list.ru
Статья поступила в редакцию 03.03.2015 г. © В. С. Кушнер, Д. С. Губин
Книжная полка
621.7/В75
Воронцов, А. Л. Теория и расчеты процессов обработки металлов давлением : учеб. пособие для вузов по направлению 150700 «Машиностроение». В 2 т. Т. 1 / А. Л. Воронцов. - М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана. - 2014. - 396 с.
В первом томе учебного пособия изложены теория процессов обработки металлов давлением и результаты теоретических и экспериментальных исследований различных операций. Приведены формулы и методы расчета основных технологических параметров с учетом исходной анизотропии свойств штампуемого материала, деформационной анизотропии, упрочнения, а также упругих деформаций формообразующего инструмента. Уточнены важные положения теории обработки металлов давлением, относящиеся к кривым упрочнения, а также к учету влияния масштаба обрабатываемой заготовки, скорости деформации и температурного эффекта. Рассмотрены теоретические методы прогнозирования разрушения заготовки и анализа распределения волокон структуры в получаемых изделиях, образования утяжин и застойных зон. Содержание учебного пособия соответствует курсу лекций, читаемых автором в МГТУ им. Н. Э. Баумана. Для студентов, обучающихся по направлению «Машиностроение», аспирантов и преподавателей, а также инженерно-технических и научных работников, специализирующихся в области обработки металлов давлением.
