CC BY
62
ную нагрузку на подшипник [2]. Результаты испытаний представлены на рисунке 12.
В ходе испытаний нагрузка на подшипник ступенчато увеличивалась после наработки каждых 100000 циклов нагружения. Коэффициент асимметрии цикла 1/3, что приблизительно соответствует условиям нагружения на двигателе КамАЗ-740. Явно прослеживается зависимость между нагрузкой и уровнем деформаций.
В-третьих, появление корсетности объясняется именно неравномерным распределением остаточных деформаций по сечению вкладыша. В соответствии с законом Пуассона деформация сжатия по одной из осей частично передаётся в перпендикулярном направлении с обратным знаком. Коэффициент Пуассона составляет от 0,3 в области упругих деформаций до 0,5 в области пластичности.
Таким образом, при наличии остаточных деформаций сжатия в окружном направлении вкладыша по его образующей должны наблюдаться остаточные деформации растяжения. Причём меньшие по наружной поверхности и большие по внутренней. Отсюда и прогиб вкладыша по образующей. Наличие максимума на кривой корсетности (рисунок 5) объясняется наклёпом на наружной поверхности стальной основы.
Эпюры составляющих суммарных напряжений, исходя из представленного механизма их возникновения, показаны на рисунке 13.
Рисунок 13 - Составляющие суммарных окружных напряжений сжатия: Oh - напряжения сжатия от изменения высоты линии разъёма, Od - напряжения изгиба от изменения распрямления, Окгаи - напряжения сжатия от деформаций КГШ, Окгшг -напряжения изгиба от деформаций КГШ, От; - суммарные окружные напряжения
Для надёжного обеспечения плотности посадки вкладышей в постели подшипника при проектировании опоры необходимо задавать геометрические параметры вкладыша таким образом, чтобы величина суммарных напряжений не превышала предела пропорциональности стальной основы.
Литература
Тракторы и автомобили: Учебник для студентов вузов обучающихся по специальности «Автомобиле- и тракторостроение». / В.М. Шарипов, М.К. Бирюков, Ю.В. Дементьев и др.; Под общ. ред. В.М. Шарипова. - М.: Издательский дом «Спектр», 2010. 351 с. Никишин, В.Н. Формирование и обеспечение качества автомобильного дизеля. Часть II / В.Н. Никишин д.т.н.; ГОУ ВПО «Камская госуд. инж.-экон. акад.». Набережные Челны: Изд-во Камской госуд. инж.экон. акад., 2008. 175 с.
Dr. rer. nat. Erich Roemer. - GLYCO-METALL-WERKE Daelen@Loos GmbH, Wiesbaden -Schierstein. Die Berechnung des Preßsitzes von Gleitlager schal en. MTZ № 2, 1961.
1.
2.
3.
Повышение эффективности резания закаленной стали путем применения режущего инструмента из высокопрочной композиционной керамики с
покрытием
Сотова Е.С., Лазарева М.Н. МГТУ «СТАНКИН» (499)972-94-49, masha-000(a),mail.ru
Аннотация. Исследованы режущие свойства инструмента из высокопрочной композиционной керамики (ВКК) с многофункциональным покрытием при реза-
Раздел 2. Технология машиностроения и материалы, нии закаленной стали. Получены математические модели резания, устанавливающие зависимости износа по задней поверхности инструмента, шероховатости обработанной поверхности детали, тангенциальной составляющей силы резания, а также мощности резания от режимов точения. Сформулирована и решена задача оптимизации режимов резания инструментом из ВКК. Установлено, что нанесение многофункциональных покрытий на керамический режущий инструмент позволяет повысить эффективность обработки.
Ключевые слова: высокопрочная композиционная керамика (ВКК); покрытие; задача оптимизации; оптимальные режимы резания.
Введение
В современном машиностроении постоянно растет использование высоконагруженных деталей, изготовленных из закаленных сталей. Помимо традиционной обработки шлифованием возрастает роль обработки закаленных деталей точением. Это обусловлено повышенными требованиями к качеству и точности обработки и усложнением конструктивных форм деталей машин. На точность и качество изготовления деталей влияют прочностные характеристики режущего инструмента, а также его геометрия [ 1 ].
Точение сталей повышенной твердости по сравнению с обычным точением предъявляет повышенные требования к оборудованию, инструментам, а также инструментальным материалам. Так как такая обработка производится при высоких скоростях и твердость обрабатываемого материала составляет, в основном, НЯС 55-60, то необходимым условием для проведения успешной обработки является наличие определенных свойств у инструментального материала. Для этого все большее применение находят инструменты, оснащенные режущей керамикой (РК). Это объясняется уникальным сочетанием физико-механических и теплофи-зических свойств керамических материалов (повышенной твердостью и износостойкостью, химической инертностью, а также высокой термостойкостью (1200 - 1450 °С) в сравнении с твердыми сплавами) и относительной недефицитностью исходного сырья.
Высокая вероятность непрогнозируемого разрушения инструмента из РК (внезапный отказ) сдерживает его широкое применение в промышленности, особенно в автоматизируемом производстве при использовании станков с ЧПУ, автоматизированных станочных систем и обрабатывающих комплексов. В этой связи создание отечественного высокопроизводительного высокопрочного керамического инструмента для автоматизированного производства, обеспечение его надежной эксплуатации с минимизацией вероятности его внезапного отказа является весьма актуальной и востребованной научно-практической задачей настоящего и ближайшего будущего.
Определение оптимальных режимов резания при точении стали ХВГ режущим
инструментом из ВКК Для эффективного управления процессом точения и обеспечения требуемой надежности необходимо иметь информацию об оптимальных управляющих воздействиях. Эта информация получается в результате переработки информации о резании и информации о задаче управления [3].
Информация о задаче управления (эффективность управления) представляется в виде целевой функции и ограничений, накладываемых на решение задачи [3]. В роли критерия эффективности можно принять:
• штучное время;
• удельную себестоимость обработки;
• производительность обработки резанием, то есть количество снимаемой стружки за единицу времени;
• площадь заготовки, обработанную за единицу времени;
• объем удаленного материала до смены режущего инструмента;
• суммарную обработанную поверхность заготовки до смены инструмента;
• любой другой параметр резания.
В качестве целевой функции в данной работе была выбрана площадь поверхности изделия, образуемая за время резания до смены инструмента:
Г = \0~3 ■ 8 - V - Т = тах, м2. (1)
Максимальная эффективность резания достигается при оптимальных режимах резания $0 , У0 и Т0. Любое изменение подачи £, скорости V резания и времени Т резания до смены инструмента ведет либо к снижению эффективности инструмента, либо к его быстрому катастрофическому изнашиванию.
В качестве ограничений, накладываемых на решение задачи оптимизации, используются ограничения на параметры и факторы резания [3]. К ограничениям на параметры резания относятся:
• ограничения по качеству изделий (шероховатость обработанной поверхности, точность размеров и формы, остаточные деформации и остаточные напряжения в поверхностном слое и др.);
• ограничения по качеству инструмента (прочности, теплостойкости, сопротивлению изнашиванию, износостойкости);
• ограничения по качеству станка (мощности, виброустойчивости и др.);
• ограничения по надежности процесса резания.
К ограничениям на факторы резания относятся ограничения, накладываемые конструкцией станка (диапазон подач, диапазон частот вращения и др.), а также ограничение по времени резания, накладываемое производственной программой и нормой расхода режущего инструмента.
Информация о резании представляется в виде математической модели резания, представляющей собой функцию распределения случайных параметров резания, каждый из которых зависит от управляющих факторов резания. Построение математической модели для процессов резания и нанесения покрытия является процедурой сбора информации об управляющих воздействиях и о состоянии процесса резания [3]. Эта процедура состоит из следующих этапов:
• выбор процесса в пространстве и во времени;
• выбор вида математической модели процесса;
• планирование экспериментов;
• выбор средств измерения и осуществление экспериментов;
• определение параметров математической модели по результатам эксперимента.
Выбранная математическая модель должна быть действительна все время работы инструмента до его замены. На основании этого время резания должно быть включено в функцию модели для управления процессом резания как объект моделирования. Это необходимо потому, что резание является динамическим процессом, и его параметры закономерно изменяются в зависимости от времени.
В качестве модели резания была выбрана степенная мультипликативная функция вида:
п
К = С' П2" (2)
¿=1
Модель такого вида может быть использована для оптимизации процессов резания по методу линейного программирования.
Задача оптимизации режимов резания инструментом из ВКК без покрытия и с покрытием (Т1,А1)М-(Т1,Сг)М-(Т1,Сг,А1)Ы при точении формулируется следующим образом: при известной глубине резания I и подаче Л", определить такие значения скорости резания V и времени резания Г, которые в условиях ограничений по шероховатости обрабатываемой поверхности Яа < 2,5 мкм, износу по задней поверхности инструмента И3 < 0,4 мм и мощности резания Ыр < 7,5 кВт обеспечивают максимальную производительность инструмента:
.Р = 10~3 • £ • К • Г = тах, (3)
С1 -Г" • 5 й12 • Уап -Таи < [Яа], (4)
С2 -ta-x -Sa* -Va* -Та» <[h:], С3 • t• S17,2 • V• T< ].
(5)
(6)
Целевую функцию и ограничения-неравенства путем логарифмирования можно привести к линейному виду
1пК + 1пГ = тах.
аи • In V + а.ы • In Т < In
а23 - In V + а.0А ЛпТ <1п
24
аъъ • InF + ¿/34 • In Г < In
(7)
(8)
(9)
(10)
Объектом исследования служили пластины из высокопрочной композиционной керамики (ВКК: оксидно-нитридной керамики (А120з+Ю%АШ) и безвольфрамовой твердосплавной подложки (TiC-Ni,Mo) [2]) квадратной формы по ГОСТ 19042 без отверстия 03111-0363 (по стандарту ISO 1832 SNUN 120408TR), размерами 12,7x12,7x4,76 мм, с радиусом при вершине г = 0,8 мм, фаской на передней поверхности и диаметром вписанной окружности d = 5,16 мм, с углом Р = 90°, без покрытия и с покрытием (Ti,Al)N-(Ti,Cr)N-(Ti,Cr,Al)N.
Для эксперимента использовали пластины производства Всероссийского научно-исследовательского института твердых сплавов (ВНИИТС), состав и основные свойства которых показаны в таблице 1.
Таблица 1
Физико-механические свойства РК и твердого сплава подложки
Материал Плотность р * 103, кг/м3 Микро-твердость HV30, МПа Про1! и ость при изгибе сшг, МПа
Керамика на основе АЬОз 3.94 17100 550
Керамика на основе A1203-10%AJN 3.98 18350 540
Твердый сплав TiC - Ni.Mo 6:00 HRA 88.5 1100
По луч енный ВКК — — 950
Для получения многослойно-композиционных покрытий использовали процессы фильтруемого вакуумно-дугового осаждения (ФВДО), которые реализовывали на установке ВИТ-2 конструкции СТАНКИН-ЭКОТЕК, оснащенной устройствами для фильтрации паро-ионного потока, гашения микродуг, динамического смешивания газов, получения высокоэнергетических ионов.
Для эксперимента использовали резцы с механическим креплением сменной многогранной пластины (СМП) по ГОСТ 19058 производства Свердловского инструментального завода (СИЗ) - по стандарту ISO 1832 - CSSNR2516M12. Геометрические параметры режущей части проходного резца: у = - 8°; уф = -24°; а = 8°; ф = 45°; cpi = 45°; X = 0.
В качестве обрабатываемого материала использовали сталь ХВГ HRC 58..60 (ГОСТ 5950).
Точение стали ХВГ осуществляли на станке мод. 16К20 ОАО «Красный пролетарий» для широкого диапазона изменения режимов резания (//, S, Т). Станок мод. 16К20 по точности и жесткости соответствовал регламентам ГОСТ 8-82, ГОСТ 18097.
Для получения необходимой информации о составляющей силы резания Р: использовали универсальный тензометрический динамометр конструкции ВНИИ УДМ - 600, для изме-
рения износа по задней поверхности Из - большой инструментальный микроскоп БМИ-1Ц, для контроля и определения шероховатости обработанной поверхности заготовки Ra - про-филометр TR200 фирмы TIME Group Inc., Япония.
Мощность резания определяли по зависимости:
Р -V
-г, кВт. (11)
р 6-103
Согласно методике, представленной в работе [2], построены математические модели резания закаленной стали режущим инструментом, оснащенного СМП из ВКК без покрытия и с покрытием (Ti,Al)N-(Ti,Cr)N-(Ti,Cr,Al)N. Для удобства значения коэффициентов С, экспонентов Clj математической модели сведены в таблицу 2.
Таблица 2
Параметры математической модели резания
ВКК ВКК - (rifAl)N-m^N-QLCrAl)N
Ra С1 2.988 2,703
0.873 0,670
0.884 1.040
0.495 0,465
Л-14 0,630 0,482
hs 2,454-10-4 2,348- Ю-3
а21 1,128 0,020
<¿22 0,098 0,540
л23 1,723 0,980
Л24 0.591 0.305
Кр 2,032 -I О"3 0,149
а31 0,968 1,030
1,165 0,252
й-зз 0,743 -0,348
0,116 0.226
Нахождение оптимальных режимов резания можно решить графической задачей, потому что число факторов, которые необходимо определить, равны двум. На рисунке 1 показано графическое решение данной задачи.
10000 юоо ■ JQO J H V, M'MllH
11Д__-— \ N \ 4 \ 4 Оптимальное - - йз -Ra
решение Область допустимых решений ч ч S ч ч ч ч ч ч / / / / /
0,0] \ 100 1000000 1Е+10 1Е+14 Т, мин
0,1 \
0,01 ■ w
а) б)
Рисунок 1 - Графическое решение задачи оптимизации режимов резания инструментом из ВКК без покрытия (а) и с покрытием (Т1,А1)]Ч-(Т1,Сг)]Ч-(Т1,Сг,А1^ (б) при сухом точении (ОМ - сталь ХВГ НЯС 58..60; = 0,1 мм; = 0,1 мм/об)
Значения оптимальных режимов резания и максимальных значениях целевой функции
приведены в таблице 3.
Таблица 3
Значения оптимальных режимов резания и максимальных значений целевой функции
Инструментальный материал v, М MIHI Г, мин F, м2
ВКК 188.052 7,558 0.142
ВКК - (Ti,Al)N-(Ti,Cr)N-(Ti,Cr,Al)N 331,253 11,112 0.368
Инструмент, оснащенный СМИ из ВКК с покрытием (Ti,Al)N-(Ti,Cr)N-(Ti,Cr,Al)N, в общем случае позволяет значительно повысить эффективность обработки по сравнению с инструментом из ВКК без покрытия.
Заключение
Проведенные исследования позволили установить возможность повышения режущих свойств инструмента, оснащенного СМИ из ВКК, путем применения многослойно-композиционных покрытий.
Установлено, что при продольном точении стали ХВГ инструмент, оснащенный СМП из ВКК с покрытием (Ti,Al)N-(Ti,Cr)N-(Ti,Cr,Al)N, в общем случае позволяет в 2..2,5 раза повысить эффективность обработки по сравнению с инструментом из ВКК без покрытия.
Литература
1. Верещака A.C. Некоторые тенденции развития технологической производственной среды. // СТИН. № 8. 2009. с. 9-14
2. Сотова Е.С. Повышение эффективности резания закаленных сталей путем применения высокопрочной композиционной керамики с многослойно-композиционными покрытиями. // Дис. на соиск. уч. ст. к.т.н. М.: МГТУ «СТАНКИН», 2011.
3. Шарипов O.A. Повышение эффективности и обеспечение надежности резания инструментом из твердого сплава с износостойким покрытием: Дис. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук. М.: МГТУ «Станкин», 1992. 198 с.
Виртуальная координатно-измерительная машина
к.т.н. проф. Суслин В.П., к.т.н. доц. Джунковский A.B., Поповкин A.B., Холодов Д.А.
Университет машиностроения 8(495) 223-05-23 доб. 1392, 1472, labsapr(ajnarod.ru
Аннотация. В статье рассмотрены принципы построения и реализации виртуальной координатно-измерительной машины (КИМ), позволяющей разрабатывать на ПК управляющие программы для реальных КИМ, не занимая их производственное время. В разработке виртуальной КИМ особое внимание уделено повышению реалистичности моделирования измерений на экране ПК и повышению быстродействия программных модулей для создания режима реального времени.
Ключевые слова: измерения, координатно-измерительная машина, виртуальная КИМ, координатные измерения, управляюгцая программа.
Эффективное использование дорогостоящего производственного оборудования снижает себестоимость продукции и повышает ее конкурентоспособность. Максимальная загрузка оборудования достигается при его использовании по прямому назначению без отвлечения на вспомогательные операции. Примером могут быть координатно-измерительные машины (КИМ), стоимость которых составляет миллионы и даже десятки миллионов рублей.
В производстве на КИМ осуществляют контроль правильности геометрии деталей, что позволяет на ранней стадии определить и исправить ошибки технологических процессов. Измерения деталей, как правило, осуществляется в автоматическом режиме по заранее подготовленным управляющим программам (УП). Чаще всего для подготовки управляющих программ используется сама КИМ. Оператор вручную производит измерения детали, а спе-
