Оценка разрушений инструмента при точении жаропрочных сталей и сплавов на станках с ЧПУ Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (93) 2010

Библиографический список

1. Полетика, М.Ф. Некоторые закономерности элементного стружкообразования при резании металлов [Текст]/М.Ф. Полетика, А.И. Афонасов, А.А. Ласуков // Известия ТПУ. — Томск, 2002.— Т. 305, вып. 1.-С. 34-41.

2. Розенберг, Ю.А. Один из методов аналитического определения степени деформации металла стружки при резании [Текст] / Ю.А. Розенберг // Региональн. научн.-техн. конф: сб. научн. тр. — Тюмень: ТюмГНГУ,1997. — С. 91-92.

3. Васин, С.А. Резание материалов: термомеханический подход к системе взаимосвязей при резании [Текст] / С.А. Васин, А.С. Верещака, В.С. Кушнер. — М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2001.— 448 с.

4. А. с. 901844 СССР, МКИ 001 К 7/02. Устройство для измерения температуры [Текст] / Ю.И. Некрасов, Е.В. Артамонов, И.А. Ефимович, В.С. Воронов (СССР). — № 2884590/18-10; Заявл. 19.02.80; Опубл. 30.01.82, Бюл. № 4.

5. Пат. 2254210 Российская Федерация, МПК 7 В 23 В 1/00. Устройство и способ измерения усадки стружки [Текст] / Некрасов Ю.И., Потерянский С.Л., Проскуряков Н.А. и др.; заявитель и патентообладатель Тюм. гос. нефтегаз. ун-т.—№ 2003134568/02 ; заявл. 27.11.2003 ; опубл. 20.06.2005, Бюл. № 17. — 6 с.: ил.

6. Обработка резанием жаропрочных, высокопрочных и титановых сплавов [Текст] / под ред. Н.И. Резникова.—М.: Машиностроение, 1972. — 200 с.

НЕКРАСОВ Юрий Иннокентьевич, кандидат технических наук, профессор кафедры технологии машиностроения.

Адрес для переписки: 625000, г. Тюмень, ул. Володарского, 38.

Статья поступила в редакцию 02.06.2010 г.

© Ю. И. Некрасов

УДК 621.9.025 : 622.276 Ю. И. НЕКРАСОВ

Т юменский государственный нефтегазовый университет

ОЦЕНКА РАЗРУШЕНИЙ ИНСТРУМЕНТА ПРИ ТОЧЕНИИ ЖАРОПРОЧНЫХ СТАЛЕЙ И СПЛАВОВ НА СТАНКАХ С ЧПУ_________________________________

Показано, что накопление повреждений твердосплавного инструмента при точении жаропрочных сталей и сплавов с образованием суставчатых стружек характеризуется множественными усталостными и смешанными разрушениями режущих лезвий. С использованием метода лазерного сканирования установлены объем и площадь повреждений лезвий твердосплавного инструмента. Полученные модели разрушений позволяют прогнозировать накопление повреждений и определять интенсивность разрушения лезвий при нестационарном резании высокопрочных труднообрабатываемых материалов.

Ключевые слова: нестационарное резание, суставчатая стружка, накопление повреждений, лазерное сканирование, разрушение лезвия режущего инструмента.

В высокотехнологичных отраслях металлообработки анализ структуры затрат и сопоставление значимости функций инструмента со стоимостью станкоминуты эксплуатационных расходов показывают, что на основной элемент технологической системы (ТС) приходятся лишь доли процента от общей стоимости современного станка с ЧПУ, что предопределяет интенсификацию режимов резания, обусловленную экономикой производства. На предприятиях авиастроения, энергетического, нефтегазового машиностроения и др. точение хромоникелевых жаропрочных сталей и сплавов в экономически целесообразном диапазоне режимов резания, представляемом известной зависимостью Урез = Су/ Тт, сопровождается, как правило, переходом от сливной к образованию суставчатой стружки [1]. Образование суставчатой стружки, снижение ее сплошности и циклическое нагружение инструмента при резании приводят к изменению характера накопления повреждений и вместо образования фаски износа преобладающими становятся отказы, связанные с разрушениями, проявляющимися в виде выкрашиваний, а также микро- и макросколов режущих лезвий [2].

Таким образом, при точении высокопрочных труднообрабатываемых материалов на станках с ЧПУ в условиях нестационарного резания необходимость наиболее полного использования прочностного ресурса инструмента неизбежно должна основываться на оценке накопления повреждений режущих лезвий. Оценка разрушений режущего инструмента при точении жаропрочных сталей и сплавов с целью обеспечения надежности прогнозирования его работоспособности и создание моделей накопления повреждений режущих лезвий позволяют разрабатывать эффективные алгоритмы управления процессами обработки при использовании в современном производстве станков, оснащенных интеллектуальными системами ЧПУ класса РСЫС [3].

Проведенные с использованием метода фракто-графии исследования и анализ повреждений лезвий твердосплавного режущего инструмента показали, что в условиях нестационарного резания представленное на рис. 1 накопление повреждений инструмента характеризуется множественными усталостными и смешанными разрушениями лезвий, а также сложной геометрией их формирования.

г) д) е)

Рис. 1. Повреждения в виде множественных усталостных и смешанных разрушений лезвий твердосплавного режущего инструмента ВК6 (а, г), ВК8 (б, д), Т15К6 (д, е), в процессе точения жаропрочных сталей и сплавов ХН56ВМТЮ-ВД (а, д); ХН77ТЮР (б, г); 35ХНМА (е, в) с образованием циклических стружек.х25

АКТОМ

Рис. 2. Схемы сканирования прямолинейных лезвий (а), криволинейных лезвий (б) и формирования изображений «лазерных световых сечений» лезвий инструмента (в), регистрируемых с использованием цифровой видеозаписи: 1-ОКГ (лазер); 2-система сканирования; 3-режущий элемент; 4-повреждение лезвия; 5-объектив; 6-цифровой камкордер; 7-экран; 8-изображение «лазерного светового сечения»; 9-луч ОКГ; 10-развертка луча ОКГ; 11-луч «лазерного

светового сечения», отраженный от лезвия

Рис. 3. Лазерная сканирующая установка для цифровой видеозаписи профилограмм разрушений лезвий режущего инструмента:

1 -камкордер; 2-экран; 3-панель аппаратная; 4-ОКГ (лазер); 5-PCNC; 6-объектив; 7-режущий элемент; 8-шаговый привод подачи; 9-трехкоординатный столик; 10-шаговый привод стола; 11-столик круговой подачи; 12-система сканирования

Прогнозирование работоспособности инструмента в соответствии с современными представлениями основывается на оценке энергии разрушений режущих лезвий, которая определяется параметрами объема разрушенного инструментального материала и и площади поверхности Р, образовавшейся в результате разрушения. При выполнении исследований разрушений инструмента разработаны способ и система лазерного сканирования лезвий по методу «наклонных световых сечений» [4]. В соответствии со схемой, представленной на рис. 2, при сканировании развернутый «в линию» луч Ие-Ые оптического квантового генератора (ОКГ) локализуется на исследуемой разрушенной поверхности лезвия, имеющего макросколы и иные повреждения, полученные при резании. Сфокусированный луч ОКГ (лазера) в процессе сканирования прорисовывает в плоскости, перпендикулярной оптической оси объектива, «лазерное световое сечение» (профиль) на поверхности лезвия, образованной повреждением (макросколом). Получаемое изображение «лазерного светового сечения» (ЛСС) повреждения посредством видеозаписи регистрируется камкордером (цифровой видеокамерой), объектив которой ориентирован под углом р/2 к плоскости скани-

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (93) 2010 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (93) 2010

Рис. 4. Схема разделения на фрагменты сканируемого криволинейного лезвия инструмента при диагностике его повреждений

Рис. 5. Схема к определению геометрических параметров выделенного при сканировании фрагмента лезвия режущего инструмента

рования. Полученные цифровые видеозаписи лазерных профилограмм позволяют после их расшифровки осуществлять компьютерную обработку профилей ЛСС с записью системы регистрируемых параметров на жесткий диск ПЭВМ. На основе предложенных схем сканирования разрушений лезвий режущего инструмента разработана представленная на рис. 3 лазерная установка, обеспечивающая возможность диагностики повреждений как прямолинейных, так и криволинейных лезвий режущего инструмента. Необходимость сканирования криволинейных лезвий обусловлена спецификой «условного значения» геометрии инструмента с «радиусным» сопряжением его «главной» и «вспомогательной» режущих кромок, накопление повреждений которых в процессе нестационарного резания, как показывает практика обработки, зачастую оказывает решающее влияние на точность формообразования сложных фасонных поверхностей деталей в процессе точения на станках с ЧПУ.

При определении геометрических параметров поврежденных лезвий инструмента устройство обеспечивает «ручное» и «программное» управление перемещениями исполнительных рабочих органов (ИРО) лазерной установки, которые осуществляются с использованием шаговых электродвигателей приводов линейных и угловых перемещений ИРО в декартовой и цилиндрической системах координат. При этом с использованием системы микровинтов обеспечивается возможность выверки в выбранной системе координат расположения режущей пластины, а также линейных смещений ИРО по координатным осям с точностью до 0,01 мм и по угловому расположению элементов с точностью до 4-х угловых минут. Программное управление перемещениями и процессом сканирования поврежденных лезвий инструмента, а также обработка экспериментальных данных осуществляется с использованием PCNC (Personal Computer Numerical Control). Использование PCN C обеспечивает возможность синхронизации регистрируемых перемещений с цифровой видеозаписью профилограмм ЛСС лезвий инструмента.

Разделение сканируемого криволинейного лезвия инструмента на фрагменты в процессе сканирования повреждений режущих элементов инструмента осуществляется в соответствии со схемой, пред-

ставленной на рис. 4. Каждый выделенный при сканировании фрагмент лезвия характеризуется системой геометрических параметров в соответствии со схемой, представленной на рис. 5. Программное управление шаговыми приводами и запуском видеозаписи изменяющихся в процессе сканирования ЛСС осуществляется от РСЫС, что обеспечивает управление системой, а также контроль и регистрацию всех параметров сканирования. Полученные при этом видеоизображения профилограмм ЛСС, представленные на рис. 6а,б, после предварительной обработки с использованием средств компьютерной графики, представленных на рис. 6в, г, подвергаются «оцифровке» с целью последующего определения параметров объема и площади повреждений сканируемых режущих лезвий.

В связи с большим объемом вычислений при обработке экспериментальных данных после их «оцифровки» в РСЫС использована система автоматического математического программирования. При расчетах в программной среде «MathCad» площадь поверхности F и объем разрушений U лезвий режущего инструмента представляются в виде зависимостей

F = Z L.W = 1 Ji1 +

dr sin j

X N f n-1

J 1 fine П

(R-r)/gr 1 к

k-1

,-sin j + П

1 1 7-П

r - r(i j )• cosj cOsj -(r(0 ,i)- %j))_

r - r(i,j) • COSj

dn

r(i.j+iY

(1)

r(ij)•cOSlj - r(i,j)• COSj

r - r(., j )•cOs j. r(t, ,ycOs jk- r(., j)-cOs j.

n-2

+ П

r - r(. , j )• COSj

r(n-i, j)• COSj - r(., j)• COSj,

'(n-M+1)

(n-1) )

n-1

fne П

R - Ri, jy cOsj COSj •(.% o- Rj

X

+

«=1

i=0

в) г)

Рис. 6. Лазерные световые сечения (а,б) и схемы «оцифровки» профилограмм (в,г) разрушений лезвий режущего инструмента

к-1

• sin ji + П

R - R(i. JY cos ji

RіkJ)•cos jk- R(i. J )•cos ji

+ П

■=0

<11 (Rk-sin jk )xi=k+1 R - R;,. jrcosj

R -

<i.j)

R., ;)• Cos ji

Rm. .,)• cosj- % jrcosj

Rk. j) •cos jk- ^ j) •cos ji

< Rn-l.i+l) " sinj(n-l) ) \dR(f) ^ 2 , (2)

где F— площадь поверхности повреждения; U —объём повреждения; W — расстояние между световыми сечениями; L-—длина i-й линии светового сечения; t—длина сканируемого режущего лезвия; fUne (r,j )—функция j-ой линии; г.. 7) • cos j — координата i-ой точки j-ой—ли-нии по оси ОХ; г,.^ • sin ji — координата i-ой точки j-ой линии по оси ОУ; i=0....n—I — номер точки; n—количество расчетных точек на линиях; j=0...m—I — номер линии; т—количество расчетных сечений световых линий; j — номер линии (0 < j < (m—I)—число кривых); R^ 7) • cos j — координата i-ой точки j-ой — линии по оси ОХ исходного контура режущего лезвия; Ri;^•sinj — координата i-ой точки j-ой — линии по оси ОУ исходного контура режущего лезвия.

В ходе проведения экспериментальных исследований с использованием видеозаписи профилограмм сканированием получены изображения «лазерных световых сечений», определены площадь поверхности F и объем U повреждений, полученных лезвиями инструмента непосредственно при резании. Анализ полученных экспериментальных данных и их статистическая обработка показали, что получаемые математические модели площади поверхности F и объема U с 95% -й вероятностью адекватны.

В результате проведенных экспериментальных исследований обрабатываемости жаропрочных ста-

лей и сплавов при реализации комплекса полных факторных экспериментов N=2 4 и обработки данных лазерного сканирования лезвий инструмента получены математические модели удельной площади поверхности Fуд и удельного объема иуд накопленных повреждений (отнесенных к единице длины активной части режущей кромки инструмента). Модели параметров Fуд и иуд адекватно (с 95% вероятностью) описывают зависимости повреждений лезвия от нормальных и касательных контактных напряжений на передней и задней q1N, д1р поверхностях

режущего клина и температуры в применительно к точению хромоникелевых жаропрочных сталей и сплавов инструментом из металлокерамических твердых сплавов.

В общем виде уравнение регрессии для полученных моделей удельного объема повреждений лезвий твердосплавного инструмента иуд представлено ниже:

Uyd = A + B • qN(a) + C • в (b) + D • qN(8) +

+ E • qN(a) в (b) + F • qN(a) X qlN(d ) +

+ G• qN(a) в (b) • q'N(S) + H • qN(a) •

• qlN(S)• qF(g)+K•в (b)• q'N(S)• qF(rX

(З)

где а,р,5,у—параметры уровней варьирования факторов , дрв, А ,В, С,..,К—коэффициенты аппроксимирующего полинома.

Результаты проведенных экспериментальных исследований в виде 3Б - моделей разрушений лезвий инструментов из металлокерамических твердых сплавов Т15К6, ВК6, ВК8 при точении жаропрочных сталей и сплавов Х12Н22Т3МР, ХН56ВМТЮ-ВД, 35ХНМА, Х16Н25Г7АР представлены на рис. 7. Анализ полученных моделей иуд и обобщение данных эксперимен-

X

+

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (93) 2010 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (93) 2010

а)Р=3,785 мм2; и =0,396 мм3

б)Р= 7,632мм2; и=0,358мм3

в)Р=4,311 мм2; и=0,192мм3

г)Р=4,308мм2; U=0,396 мм3

Р-площадь поверхности разрушения лезвия; и-объем повреждений лезвий инструмента

Рис. 7. 30-модели разрушений лезвий режущих инструментов при точении жаропрочных сталей и сплавов:

а) ХН56ВМТЮ-ВД-[ВК6М]; б) Х12Н22ТЗМР-[ВК8]; в) 35ХНМА -[ВК6М]; г) Х16Н25Г7АР-[Т15К6] (по данным лазерного сканирования)

тальных исследований показали, что при точении твердосплавным инструментом хромоникелевых жаропрочных сталей и сплавов в диапазоне режимов резания, соответствующем образованию суставчатой стружки, выполняется соотношение: Е>(В+С)> [Р+О+И+К]. Таким образом, наиболее значимыми факторами, определяющими интенсивность разрушений при накоплении повреждений режущих лезвий, являются нормальные контактные напряжения дм на передней поверхности и температура резания в , сочетание которых оказывает решающее влияние на интенсивность разрушений и накопление повреждений твердосплавного инструмента при точении жаропрочных сталей и сплавов [5].

Полученные модели накопления повреждений твердосплавного инструмента принципиально позволяют дать оценку энергии разрушений режущих лезвий, что необходимо для прогнозирования прочности, работоспособности инструмента и разработки эффективных алгоритмов управления обработкой в условиях нестационарного резания при точении жаропрочных сталей и сплавов на станках с ЧПУ.

Заключение

Показано, что в процессе точения хромоникелевых жаропрочных сталей и сплавов при переходе от сливной к образованию суставчатой стружки изменяется характер повреждений лезвий твердосплавного режущего инструмента.

Установлено, что преобладающим видом отказов твердосплавного инструмента при точении высокопрочных труднообрабатываемых материалов с образованием суставчатой стружки вместо изнашивания

становится накопление повреждений в виде множественных усталостных и смешанных разрушений режущих лезвий.

При оценке повреждений инструмента лазерное сканирование обеспечивает определение комплекса геометрических параметров и получение моделей объема разрушенного инструментального материала и площади поверхности, образовавшейся при разрушениях режущих лезвий.

Полученные модели позволяют дать оценку интенсивности накопления повреждений, что необходимо для определения энергии разрушений лезвий твердосплавного инструмента и прогнозирования его работоспособности в условиях нестационарного резания при точении жаропрочных сталей и сплавов на станках, оснащенных системами ЧПУ класса РСЫС.

Библиографический список

1. Полетика, М.Ф. Стружкообразование при обработке жаропрочного сплава [Текст]/М.Ф. Полетика, А.И. Афонасов, А. А. Ла-суков //Труды XIII научной конференции, посвященной 100-летию начала учеб. занятий ТПУ—Филиал ТПУ, Юрга, 2000. — С. 95.

2. Некрасов, Ю.И. Модель деформирования срезаемого слоя при точении с образованием суставчатой и элементной стружки [Текст] / Ю.И. Некрасов // Новые материалы, неразрушающий контроль и наукоемкие технологии в машиностроении: материалы III Международной научно-технической конференции. — Тюмень: Феликс, 2005. — С. 144 — 150.

3. Некрасов, Ю.И. Моделирование разрушений при оценке ресурса режущего инструмента из металлокерамических твердых сплавов [Текст] / Ю.И. Некрасов, У.С. Путилова // Акту-

альные проблемы современной науки: труды 2-го Международного форума (7-й Международной конференции). — Самара: СГТУ, 2006. - С. 117-119.

4. А.С. 1089539 , С 02 В 27/17. Сканирующее устройство [Текст] / Ю.И. Некрасов, В.Н. Долгушин, И.А. Еремеев (СССР). — № 3588991; заявл. 08.02.1983; опубл.03.01.1984, Бюл. № 16. — 2 с.: ил.

5. Некрасов, Ю.И. Лазерная нанометрия деформирования режущего инструмента [Текст]/Ю.И. Некрасов. — Тюмень: ТюмГНГУ, 2008. — 158 с.

НЕКРАСОВ Юрий Иннокентьевич, кандидат технических наук, профессор кафедры технологии машиностроения.

Адрес для переписки: 625000, г. Тюмень, ул. Володарского, 38.

Статья поступила в редакцию 02.06.2010 г.

© Ю. И. Некрасов

УДК 621914 Л. О. ШТРИПЛИНГ

М. Г. ПОПОВ

Омский государственный технический университет

Омский государственный институт сервиса

ПРИМЕНЕНИЕ ВЫСОКОСКОРОСТНОГО ФРЕЗЕРОВАНИЯ ТОЧНЫХ ОТВЕРСТИЙ ДЛЯ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА КОРПУСНЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ АЛЮМИНИЯ

Рассмотрено применение высокоскоростной обработки (ВСО) точных отверстий при производстве корпусных изделий из алюминия, повышающее качество и скорость их изготовления. Обосновывается эффективность применения данного метода при изготовлении небольших партий изделий. Проводится экспериментальное исследование геометрии и шероховатости точных отверстий, получаемых методом ВСО фрезерованием, а также измерения износа режущих кромок фрез в зависимости от времени их работы.

Ключевые слова: высокоскоростная обработка резанием, фрезерование, точные отверстия.

Корпусные изделия авиационного назначения, выпускаемые ОАО «Высокие технологии», например, корпуса регулятора топлива, масляного насоса для самолетов Су-27, Су-33, Миг-29 имеют большое количество отверстий и различных диаметров, достигающее 200 шт., к которым предъявляют высокие требования по точности и геометрической форме. Обработка отверстий занимает до 95% процентов времени обработки всего корпуса.

Резервом к сокращению времени обработки может быть применение высокоскоростной обработки фрезерованием (ВСО) [1—2].

Фрезерование имеет ряд достоинств по сравнению с традиционными методами, применяемыми в настоящее время, основными из которых являются:

— сокращает количество требуемого инструмента для обработки, что разгружает инструментальный магазин станка от большого количества расточных головок, позволяя объединить значительное количество операций механической обработки в одном установе;

— при применении систем активного контроля станка (контактных датчиков типа ЯешвЬа'^ с последующей коррекцией инструмента позволяет без предварительной проверки снимать изделие по окончании цикла обработки, что существенно сокращает время изготовления;

— стоимость фрез для ВСО в разы ниже, чем стоимость расточных головок, а при приобретении современного заточного оборудования еще более снижает затраты на переточку и изготовление инструмента.

Однако у ВСО существуют и недостатки, сдерживающие возможности его массового применения, которые также необходимо учитывать для правильного выбора между данными методами:

— износ инструмента влияет на отклонения формы отверстия, при несвоевременной замене концевых фрез начинают проявляться отклонения в геометрии обработанных отверстий (чаще всего конусность);

— обработка точных отверстий скоростным фре-ерованием требует наличия программного обеспечения для ВСО и соответствующего дорогостоящего обрабатывающего оборудования с высокой точностью позиционирования (в пределах 2 — 4 мкм);

— сложность применения ВСО точных элементов для сталей и других, сложно обрабатываемых материалов из-за низкой стойкости инструмента и сложности получения заданной шероховатости;

— сложность обработки глубоких отверстий фрезерованием (глубиной >5d мм и более).

Учитывая возможности современного, сверхточного обрабатывающего оборудования на ОАО «Высокие

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (93) 2010 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ