Особенности формирования качества поверхности после высокоскоростной обработки с тепловым воздействием Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.91.01

Т.Г. Насад

ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТИ ПОСЛЕ ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ ОБРАБОТКИ С ТЕПЛОВЫМ ВОЗДЕЙСТВИЕМ

Предложен новый метод обработки, сочетающий высокоскоростное резание и тепловое воздействие, позволяющий повысить производительность обработки труднообрабатываемых материалов и обеспечить высокое качество поверхности. Приведены зависимости, устанавливающие взаимосвязь между наиболее значимыми параметрами, характеризующими процесс.

T.G. Nasad РECULIAR PROPERTIES OF SURFACE FORMING AFTER HIGH-SPEED MACHINING WITH HEAT INFLUENCE

The new method of machine processing combining high-speed cutting and heat influence is proposed in this research. This method allows an increase of productivity in hard materials processing and high quality surfaces procedure.

The dependencies between the most important parameters defining the processes are studied in the article.

Наиболее высокой эффективностью при резании сталей и легких сплавов обладает высокоскоростная обработка (ВСО) [4]. Ее применение позволяет существенно поднять производительность и улучшить качество поверхности. Достигаемая шероховатость после ВСО сопоставима с шероховатостью после шлифования, но при этом значительно сокращается общая длительность цикла формообразования. Применение ВСО позволяет отказаться от необходимости использования смазочно-охлаждающей технологической среды, что обусловливает более высокую экономичность процесса и в меньшей степени загрязняет окружающую среду. Скорости резания при ВСО в 5-10 раз превышают скорости резания при традиционной обработке, а высокая частота вынужденных колебаний технологической системы (ТС) и незначительные силы резания позволяют обрабатывать нежесткие детали. При исследовании теплофизики процесса ВСО основная часть тепла, выделившегося при резании, отводится со стружкой, поэтому тепловые деформации детали незначительны. ВСО редко

применяется при резании труднообрабатываемых материалов, из-за низкой стойкости режущего инструмента. Практическая реализация данного способа возможна при условии снижения прочностных характеристик обрабатываемого материала, то есть при использовании предварительного нагрева поверхности заготовки.

При сочетании ВСО с тепловым воздействием на поверхность заготовки [2,3] возникает ряд особенностей, связанных с предварительным нагревом снимаемого припуска, высокими скоростями резания и прерывистостью процесса. Эти особенности накладывают существенные отличия как на механизм формирования качества обрабатываемого поверхностного слоя, так и на свойства поверхности детали. Нагрев заготовки в сочетании с высокими скоростями резания значительно уменьшает образование пластических заусенцев или локализует их образование в зоне, ограниченной геометрическим профилем режущего лезвийного инструмента, что приводит к улучшению микрогеометрии поверхности детали.

Для исследования влияния теплового фактора на качество поверхностного слоя разработана теплофизическая модель, позволяющая рассчитывать температуры в контактирующих телах с учетом фрикционного нагрева и резания.

При создании теплофизической модели фрикционной обработки деталь и инструмент представлены в виде полупространства, а стружка - в виде бесконечной пластины. Рассматривались три зоны контакта. Первая зона контакта - участок между стружкой и передней поверхностью инструмента с граничными условиями второго рода [5]: постоянным тепловым потоком в зоне контакта и нулевым потоком вне зоны контакта. При установившемся теплообмене температуры в инструменте выражаются зависимостью для полосового источника, непрерывно действующего на поверхности полупространства, то есть на боковой стороне фрикционного диска:

©(У, Т):

2 q

\ф'

х ф4к

л/т ехр

У

4 “ф Т

У

л/П

г

1 - егГ

л/4“

л

(1)

где q1ф - плотность тепловыделения источника, действующего на стружке, Вт/м ; у - координата исследуемой точки, м; щ - коэффициент температуропроводности материала диска, м2/с; X ф - коэффициент теплопроводности материала диска, Вт/м °С; Т - время действия источника, с.

Температура от действия плоского теплового источника с равномерно распределенной интенсивностью q1с, движущегося по поверхности пластины (стружки), рассчитывается по формуле:

© (У, г) = |

ехр

У1(г - /) 2 ю

к

У2 +(г - гУ

2 Ю

(2)

где Км - коэффициент приведения формы [5]; дхс - плотность тепловыделения источника, действующего на стружке, Вт/м ; У\ - скорость перемещения стружки, м/с, определяемая выражением У\=У/кс; кс - коэффициент усадки стружки; К0 - модифицированная функция Бесселя второго рода нулевого порядка [8]; у, г - координаты исследуемой точки, м; ю - коэффициент температуропроводности материала, м2/с; X - коэффициент теплопроводности материала, Вт/м °С.

Вторая зона контакта (задней поверхности диска с деталью) - участок, через который в обрабатываемую деталь поступает тепловой поток с равномерно распределенной плотностью тепловыделения, поэтому на обрабатываемой поверхности заданы граничные условия второго рода [5]. В условиях установившегося теплообмена температура от действия источника шириной 2Н, движущегося в полубесконечной теплопроводящей среде, рассчитывается по формуле [6]:

У

Т

0 (х, г)

■ {-V ехр -к ПА

V (г - /) 2 ю

К

-^л]х2 + (г - г')2 2 ю

йг

(3)

где q2с - плотность тепловыделения источника, Вт/м ; V - скорость перемещения источника, м/с; К0 - модифицированная функция Бесселя второго рода нулевого порядка [4]; х, г - координаты исследуемой точки, м; ю - коэффициент температуропроводности материала детали, м2/с; А - коэффициент теплопроводности материала детали, Вт/м °С.

Температурное поле в инструменте (фрикционном диске) от действия непрерывно действующего полосового источника описывается выражением:

0(г,т):

2 q

2ф ■

А,

л/Г

ехр

4 юфт

гл/П

V4“,

1 - егГ

(4)

где ги=0; q2ф - плотность тепловыделения источника, Вт/м ; г - координата исследуемой точки, м; Юф - коэффициент температуропроводности материала диска, м2/с; Аф - коэффициент теплопроводности материала диска, Вт/м °С; т - время действия источника, с.

Третья зона контакта включает источник, действующий в районе плоскости сдвига, который схематизирован как наклонный, движущийся внутри пластины со скоростью VI, с равномерно распределенной интенсивностью qд. На основании формулы [6] с учетом корректировки граничных условий, получено выражение:

0 (у, г) = Чд Км |ехр ПА -к

(

— [у 8ша1 + (г-г')ео8а1 ]1 К0

2 ю \)

^4 У2 +(г - гУ 2 ю

йг , (5)

где а1=90°-Ф; а1 - угол наклона действующего источника; Ф - угол наклона плоскости сдвига.

По отношению к детали источник, действующий в плоскости сдвига, схематизирован как наклонный источник, движущийся по полупространству со скоростью V с равномерно распределенной интенсивностью qд. Температурное поле от действия источника описывается формулой:

0 (х, г) = — [ ехр - [х 8ш Ф + (г - г У)ео8 ф][

пА-к 12ю I

V

Л

К

V 2 ю

Vх 2+(г - г )2

йг' .

(6)

Определить значения интенсивностей потоков тепловыделения можно, решив задачу баланса теплоты. Для этого составим систему уравнений:

V = We + Wu + = Р^

wc = ь^д + V Wu = (1 - Ь )Щ + ^2с

= ^1ф + ^2ф ,

(7)

где Рг - тангенциальная составляющая силы резания; V - скорость резания; Wс, Wu, Wф - соответственно мощность тепловыделения в стружке, детали, фрикционном диске; Wд - мощность тепловыделения в результате деформации; Wlф, W2ф - тепловая мощность источников, возникающих на передней и задней поверхности инструмента как результат трения; W1ф, W2ф - тепловая мощность источников, возникающих на стружке и детали как результат трения; Ь - коэффициент, характеризующий часть теплоты деформации, передаваемую стружке.

Система уравнений является достаточно сложной и ее решение сопряжено с определенными трудностями вычислений. К наиболее удобным способам определения интенсивно-

2

г

г

т

к

стей тепловыделения относится их попарное рассмотрение, то есть определение относительных средних или максимальных значений температур 0отн в пределах одной площадки контакта [5]. Тогда, для площадки контакта задней поверхности инструмента и детали, на основании граничных условий четвертого рода, имеем:

= ©

2ф

(8)

Приравнивая значения средних температур, получим:

кЧ2с

I -у ехр -к пА

1 1 ( г 1 г ) і К

2 ю К 0

-—4х2 +(г - г )2

2 ю

йг

2ф ■

л/Т

ехр

4 юфТ

:л/П

(

л/4^

1 - егГ

(9)

По выражению (4) безразмерная температура определится выражением:

0отн =

А фл/л0

2 Ч2

(10)

Аналогичным образом рассчитываются безразмерные температуры и на других контактных площадках.

Подстановка в систему (7) неизвестных параметров позволила получить следующие результаты: в стружку направляется 8% от общего количества выделившегося тепла; в деталь поступает 4% теплоты; в диск - 88%.

При установке на торцевую поверхность диска лезвийного инструмента возникают дополнительные источники теплоты, то есть ВСО вносит свой вклад в обобщенную теплофизическую модель в силу своих характерных особенностей, таких как предварительный нагрев поверхности, прерывистость процесса резания. В основу теплофизических исследований положена методика А.Н. Резникова с изменением схематизации контактирующих тел, типа формируемых источников, учетом периодизации теплового воздействия и др. При расчете тепловых полей в режущем инструменте учитывалась дискретность воздействия в виде импульсов прямоугольной формы с использованием функции (Б0-Т) [9], представляющей собой зависимость теплового импульса от времени в период его действия. Решение задачи баланса теплоты при ВСО позволило определить, что в деталь поступает 15%, в стружку -22%, в резец - 63% от общего количества выделившегося тепла.

Теплофизический анализ обработки стали 45 с фрикционным нагревом инструментом из стали 40Х показал, что температура нагрева детали составляет 610°С, инструмента -853°С, стружки - 1024°С, что подтверждается экспериментальными исследованиями температур бесконтактным методом с помощью промышленного яркостного пирометра мод. «Промшь», работающего в диапазоне температур от 800 до 5000°С. Величина абсолютной погрешности при измерении температур в диапазоне 800-1400 °С составила 14°С, а средней квадратичной случайной составляющей основной погрешности - 2,5°С. Фиксировались температуры в зоне резания и температура стружки. В результате серии опытов установлено, что с увеличением скорости резания от 5 до 30 м/с мощность тепловыделения в зоне резания и соответственно температуры возрастают.

При исследовании качества поверхности после ВСО с учетом теплового воздействия применялся метод профилографирования обработанной поверхности с последующей обработкой данных на ЭВМ. Разработан ряд прикладных программ, рассчитывающих: высоту микронеровностей; корреляционную функцию профиля Л(0; спектральную плотность профиля (частотный спектр наиболее значимых гармоник); средний шаг периодической состав-

2

г

г

ляющей; удельный вес периодической и случайной составляющих; длину опорной линии на высоте профиля и др.

Для получения наиболее полной информации о профиле запись профилограммы производилась на режимах, фиксирующих все значимые микронеровности поверхности. Разрешающая способность профилограммы определялась минимальным значением параметра Кс:

К = ^ , (11)

с V N

пр

где Ь - длина профилограммы; Vпр - скорость перемещения ленты; N - количество расчетных точек.

Корреляционная функция профиля Я(т) позволила выделить наличие и уровень случайной и периодической составляющих в профиле, которые очень сложно обнаружить другими способами и рассчитывалась по координатам точек профилограммы по формуле:

1

N

(І+Т)

(12)

N — Т й

где N - количество измеренных точек профиля; Т - количество расчетных значений корреляционной функции; Уі - значение ординаты профилограммы на і-м шаге.

Спектральная плотность О(/), определяющая частотный состав и интенсивность каждой частотной составляющей в профилограмме, рассчитывалась по формуле:

О (/) = 2 кс

т—1

Я0 + 2 £Я(т) ео8

і=1

( пт/Л

/с

+ Я (т) ео8

(13)

где Кс - принятый интервал времени отсчета; Я0 - значение корреляционной функции в нулевой точке; Я(т) - значение корреляционной функции при шаге т; Я(т) - значение корреляционной функции при шаге т; т - число шагов корреляционной функции; /с - частота среза; /-произвольное значение частоты в диапазоне 0</</с.

Шаг периодической составляющей корреляционной функции Гр, характеризующей периодичность воздействия того или иного фактора при обработке для г-й составляющей определялся из соотношения:

1 1 N

т,, = т-=-е Ті

іі N і=1

(14)

Удельная доля периодической в и случайной у составляющих профиля позволяет судить о соотношении между этими параметрами. Для любого процесса имеет место соотношение [7]:

в + У = 1 . (15)

Средний шаг случайной составляющей Ту определялся по формуле [1,7]:

Т =

і

5 Тг

1п (Я(Т)

(16)

где тр - абсцисса точки, выбираемая на произвольном расстоянии от начала координат (обязательно выше систематической части коррелограммы); Яр(т) - ордината корреляционной функции в точке с абсциссой, равной тр; у - удельная доля случайной составляющей.

Для исследования шероховатости после фрикционной обработки анализировалась профилограмма поверхности, полученная в результате предварительного нагрева заготовки до температуры 0=430°С. Производилась обработка образца из стали 40Х на режимах: скорость резания V=10 м/с; подача £г=0,06 мм/зуб; глубина резания а=2,2 мм.

Определение удельного веса периодической в и случайной у составляющих в профиле производилось методом прямого перебора значений у, в в диапазоне 0<у<1 и 0<в<1 с выбранным шагом Лу и Ав-

Определение амплитуды и частоты колебаний составляет одну из наиболее важных и сложных задач гармонического анализа. Функционал Яа (среднее арифметическое отклонение точек реализации процесса от оси стационарности на интервале [0; Ь]) определялся из выражения:

1 1

Яа = - { Х(1) & . (17)

Ь 0

Математическое ожидание ЕЯа, выраженное через значение корреляционной функции, в нулевой точке Я0 имеет вид:

ЕЯа = . (18)

V п

Аналогичное выражение получено для суперпозиции гармоники со случайной фазой. Для определения амплитуды колебаний каждой периодической составляющей спектра А1, А2,...Ап необходимо решить систему уравнений:

А + 4 +... + 4 = Я (в) ; (19)

(„Л („Л

пт

Я (в) = А^08 — + А2 008 — +... + Ап — . (20)

Ті

Значения Т1, Т2,..., Тп определялись по формуле:

пт

т

V тп у

Т = у , (21)

3 г

где 3 - наиболее значимые частоты, выявленные при спектральном анализе корреляционной функции. Средний шаг периодической составляющей Тв определялся путем измерения шагов между соседними впадинами графика корреляционной функции.

Исследования шероховатости после высокоскоростной обработки показали, что среднее значение микронеровностей поверхности составило Яг=4...7 мкм. Скорость затухания корреляционных связей характеризовалась значением а=0,09. Удельный вес случайной составляющей соответствовал у=0,22, в то время как периодическая составляющая была равна в=0,78.

По итогам обработки профилограммы процесса ВСО с фрикционным подогревом зоны резания получена зависимость шероховатости поверхности от режимов резания и температуры подогрева снимаемого припуска.

Зависимость имеет вид:

Я1 = с1 V-а £ра/0х . (22)

Значения коэффициентов и показателей степени для различных материалов приведены в таблице.

Значения коэффициентов и показателей степени в формуле (22)

Обрабатываемый материал Сі в У X а

Сталь 45 0,93 0,43 0,24 0,15 0,37

Сталь 40Х 0,97 0,46 0,23 0,16 0,28

Сталь У8А 0,88 0,38 0,21 0,16 0,31

Х18Н10Т 1,13 0,43 0,23 0,13 0,33

СЧ-15 0,98 0,44 0,25 0,17 0,30

Экспериментально установлено, что нагрев заготовки существенно изменяет картину формирования шероховатости. Изменение физико-механических свойств металла от нагрева приводит к значительному улучшению шероховатости поверхности (см. рисунок).

ОС

о

о

н

го

ш

о

X

о

Ф

3

сталь 40Х ■сталь 45 -СЧ-15 -У8А

Скорость резания V, м/с

Зависимость шероховатости поверхности после ВСО с фрикционным нагревом от скорости резания (¿=35 мм/мин; ?ф=2,5 мм; ^=1,0 мм)

Сопоставление значений шероховатости Яг, полученных экспериментальным и теоретическим путем на основе профилограммы и последующего корреляционного анализа, показывает, что их расхождение не превышает 15-18%.

Применение спектрально-корреляционного анализа позволяет выявить удельный вес систематической и случайной составляющих и соответственно оценить их с позиций управления процессом. Значительный удельный вес случайной составляющей при обработке с ФН показал, что в формировании профиля принимают участие случайные процессы, такие как пластическая деформация металла, попадание раскаленных частиц в зону резания и другие, поэтому обработка с ФН не может быть отнесена к чистовым операциям. Для устранения недостатков и коррекции макро- и микрогеометрических характеристик необходима дополнительная чистовая обработка.

Исследования шероховатости после ВСО показали, что профиль характеризуется значительным удельным весом периодической составляющей, что позволяет причислить процесс ВСО с тепловым воздействием к управляемым. Таким образом, при ВСО возможно улучшение показателей качества за счет регулирования режимов обработки, в частности за счет увеличения скорости резания V и уменьшения величины подачи £.

ЛИТЕРАТУРА

1. Потапов В. А. Конференция по высокоскоростной обработке // СТИН. 2000. С.32-36.

2. Насад Т.Г., Игнатьев А. А. Высокоскоростная обработка труднообрабатываемых материалов с дополнительными потоками энергии в зоне резания. Саратов: СГТУ, 2002. 112 с.

3. Насад Т.Г., Козлов Г.А. Лезвийная обработка сталей с фрикционным подогревом зоны резания // СТИН. 2000. № 12. С.27-29.

4.Резников А.Н. Теплофизика процессов механической обработки материалов. М.: Машиностроение, 1982. 279 с.

5. Янге Е., Эмде Ф., Леш Ф. Специальные функции. М.: Наука, 1983. 344 с.

6. Сипайлов В.А. Тепловые процессы при шлифовании и управление качеством поверхности. М.: Машиностроение, 1978. 166 с.

7. Якимов А.В. Оптимизация процесса шлифования. М.: Машиностроение, 1975.

176 с.

8. Бендат Дж., Пирсол А. Применение корреляционного и спектрального анализа. М.: Мир, 1983. 312 с.

9. Хусу А.П., Витенберг Б.Р., Пальмов В.А. Шероховатость поверхности. М.: Наука, 1975. 217 с.

Насад Татьяна Геннадиевна -

кандидат технических наук, доцент,

докторант кафедры «Автоматизация и управление технологическими процессами» Саратовского государственного технического университета.