Рациональных режимов торцового фрезерования сплавов на никелевой основе по температуре формоустойчивости ( часть 1) Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

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 1)

В статье разработана методика теоретического определения рациональных режимов фрезерования никелевых сплавов. В качестве основного ограничения использовалась связь интенсивности изнашивания с температурой формоустойчивости 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.

Актуальность. Сплавы на никелевой основе широко применяются при производстве деталей аэро-и ракетно-космической техники. Известные справочные материалы [1] по назначению режимов фрезерования никелевых сплавов разрабатывались исключительно на эмпирической основе и недостаточно полно и правильно учитывали схематизацию процесса фрезерования и влияние большого числа факторов на режимы резания. В частности, не учитывались взаимосвязь температуры и сопротивления никелевых сплавов пластическим деформациям [2], а также ограничения по износостойкости инструмента. В связи с этим теоретическое обоснование оптимальных режимов обработки никелевых сплавов фрезерованием является одной из важных и нерешенных задач современного аэро- и ракетостро-ительного производства.

Состояние вопроса. Важная роль температуры резания в определении режимов, характеризующих -ся минимальной интенсивностью изнашивания инструмента, была показана в работах А. Д. Макарова [3]. При этом не учитывалось влияние критерия затупления (ширины фаски износа задней поверхности), а температуры резания определялись экспериментально.

Теоретические методы расчета температуры в основном применительно к точению сталей активно разрабатывались в шестидесятые годы ХХ века и позже А. Н. Резниковым [4] и др. При задании плотностей тепловых потоков на поверхностях режущего лезвия использовались экспериментальные сведения о силах резания. Определенные погрешности были связаны с разделением общей мощности резания на мощности источников теплоты в зоне стружкообразования, на передней и задней поверхностях инструмента. Не учитывалась зависимость удельной работы деформации от деформации, скорости деформации и температуры, а также взаимо-

связь температуры и плотности тепловых потоков на участке пластического контакта инструмента со стружкой.

Целесообразность учета действительного упрочнения и разупрочнения никелевых сплавов в процессе резания, а также взаимосвязи предела текучести и температуры была показана в работах [5, 6].

В работе [5, с. 53 — 58] было показано, что при фрезеровании сталей рациональные режимы резания тесно связаны не с температурой резания, а с температурами передней и задней поверхностей режущих лезвий.

Более высокий уровень интенсивности изнашивания режущего лезвия при точении никелевых сплавов и сталей в тяжелых условиях резания связывался с деформацией режущих лезвий [6, с. 131 — 137; 7, 8]. В связи с этим в качестве основного температурного фактора, более тесно связанного с интенсивностью изнашивания, использовалась температура формо-устойчивости режущего лезвия [6, с. 138— 139; 8, с. 27-28] .

Задачи исследования. Для определения рациональных режимов фрезерования никелевых сплавов с учетом интенсивностей изнашивания режущего инструмента в настоящей статье:

— установлена связь условий фрезерования с допускаемой интенсивностью изнашивания режущего лезвия;

— усовершенствована методика расчета температуры деформации, контактных температур передней и задней поверхностей инструмента и температуры формоустойчивости;

— на основании анализа экспериментальных данных об изнашивании инструмента при обработке резанием никелевых сплавов выявлены зависимости интенсивности изнашивания от расчетной температуры формоустойчивости для различных значений критерия затупления твердосплавного инструмента;

Рис. 1. Схема процесса торцового фрезерования: а — в основной плоскости, б и г — в рабочей плоскости, в — в плоскости стружкообразования

— определены рациональные температуры формо-устойчивости и получены рекомендации по назначению минутной подачи и частоты вращения фрезы.

Связь характеристик износостойкости и изнашивания. Принятая схема позволила учесть особенности торцового фрезерования и, в частности, рассмотреть условия фрезерования в плоскости стружкообразования при максимальном угле контакта 9м, сопоставимые с аналогичными условиями при стационарном резании (точении) (рис. 1)

В соответствии со схемой (рис. 1) площадь обработанной поверхности связана с подачей на зуб, шириной фрезерования В (или глубиной врезания е), числом зубьев и количеством оборотов п фрезы соотношением:

где

1+

1 - ехр (Ре • 1ап фу)

Ре^апфу

(5)

Из (4) следует, что зависимость удельной работы деформации от деформации сдвига с учетом влияния скорости деформации и температуры описывается формулой:

1- ехр

АЖ —

АА1К . (1-5ьео / 0 )Кре ш+1

" (Го'-Г;)( т+1) . р

(1-„/о АКр

(то-г;)

(6)

р — 5 ьг • п.

z

(1)

С учетом (1) путь резания I , пройденный одним режущим лезвием, будет равен:

I'—» е..

2 мб2 в г

где ем — агссо8| 1-^ I. (2)

Средняя интенсивность изнашивания, соответствующая заданной площади обработки, определится формулой:

г(л' -ло) •б2 ьг

* — л -л0 — 2\л -л0)ь г

° I—

(3)

I

р е„

1р.—йАЖ.—АК.6 т ехр Бъ й. Р

Ь0 Р

(1-5ье0 /5М )ААКК

(Го'-Гс')(т+1)

Ре т+1 8 Р

Соответственно, зависимость предела текучести от деформации (т. е. кривая течения) для условий резания никелевого сплава может быть получена дифференцированием (6) по деформации:

—АК. 8 т ехр

, Р Р

АДК. (1-5М )К

(Г'-Г) (т+1)

ре .т+1

(7)

Максимальные значения предела текучести, достигаются при выравнивании упрочнения и разупрочнения:

т • ехр|

-—АК.

т+1

Термомеханическая модель сопротивления никелевых сплавов пластически деформациям в адиабатических условиях. Зависимость предела текучести от деформации с учетом влияния температуры, скорости деформации в адиабатических условиях имеет вид:

В*| 1-IА1КреАК.8,

АКгКРеАВч 11 1-

Я,,

1

1+т

(8)

Расчеты, выполненные по формулам (8) и по аналогичным формулам для предела текучести на перед-

Кре —

т

Р

5

т

5

Рис. 2. Влияние переднего угла режущего лезвия

на температуру деформации при резании никелевого сплава ХН56ВМТЮ-ВД (а =1250 МПа; 8=0,2; m=0,3)

ней поверхности, показали, что при резании никелевого сплава ХН56ВМТЮ-ВД с прочностными характеристиками при растяжении ав= 1250 МПа; 5 = 0,2; т = 0,3; наибольшее значение предела текучести на сдвиг в зоне стружкообразования т=1,245^ = 1870 МПа достигается при деформации =1,9 , примерно равной конечному истинному сдвигу еи = 2 Это свидетельствует о том, что деформация обрабатываемого материала в рассматриваемых условиях резания происходит в широкой зоне стружкообра-зования и сопровождается упрочнением материала вплоть до стабилизации предела текучести при значениях, близких к наибольшему пределу текучести. При этом среднее значение предела текучести (удельная касательная сила в условной плоскости сдвига) т7 =1,095ь =1640 МПа.

Полученные результаты расчета свидетельствуют о том, что удельные касательные силы ту при резании никелевого сплава значительно выше, чем при резании отожженных сталей. Это связано не только с более высоким действительным пределом прочности, но с большим упрочением в зоне стружко-образования в процессе резания.

Оценка температуры деформации. На основании полученных значений для удельной работы деформации (6) с учетом конечного истинного сдвига еи = 2, а также с учетом теплового потока, поступающего из зоны стружкообразования в обрабатываемую заготовку [2, с. 155— 159] рассчитывалась температура деформации:

(9)

Таким образом, для средних рациональных значений переднего угла у = 10° температура деформации равна 550 °С, что составляет большую долю допускаемой рациональной температуры передней поверхности режущего лезвия. Влияние теплового потока из зоны стружкообразования в обрабатываемую заготовку оценивалось коэффициентом КРе, который для рассматриваемых условий резания был примерно равен 0,7.

Библиографический список

1. Режимы резания труднообрабатываемых материалов : справ. / Я. Л. Гуревич [и др.]. — М. : Машиностроение, 1986. — 240 с.

2. Верещака, А. С. Резание материалов : учеб. / А. С. Верещака, В. С. Кушнер. — М. : Высш. шк., 2009. — 535 с.

3. Макаров, А. Д. Оптимизация процессов резания / А. Д. Макаров. — М. : Машиностроение, 1976. — 278 с.

4. Резников, А. Н. Теплофизика резания / А. Н. Резников. — М. : Машиностроение, 1969. — 288 с.

5. Бургонова, О. Ю. Повышение эффективности обработки конструкционных материалов фрезерованием : моногр. /

A. Ю. Бургонова, В. С. Кушнер. — Омск : ОмГТУ, 2013. — 140 с.

6. 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.

7. Кушнер, В. С. Оптимизация технологии токарной обработки дисков газотурбинных двигателей с целью уменьшения отклонений обработанной поверхности / В. С. Кушнер, О. Ю. Бургонова, Д. С. Губин // Проблемы разработки, изготовления и эксплуатации ракетно-космической техники : материалы VII Всерос. научн.-техн. конф., посвящ. памяти главного конструктора ПО «Полет» А. С. Клинышкова. — Омск, 2012. — С. 108 — 112.

8. Кушнер, В. С. Влияние температуры и напряжений на интенсивность формоизменения режущего лезвия при обработке никелевых сплавов / В. С. Кушнер, А. Н. Жавнеров,

B. А. Горшенин // Омский научный вестник. Сер. Приборы, машины и технологии. — 2007. — № 3 (60). — С. 26 — 28.

При фрезеровании никелевых сплавов наряду с их прочностными характеристиками большое влияние на температуру деформации оказывает передний угол у (рис. 2).

КУШНЕР Валерий Семенович, доктор технических наук, профессор (Россия), профессор кафедры «Машиностроение и материаловедение». Адрес для переписки: valerii_kushner@mail.ru ГУБИН Дмитрий Сергеевич, аспирант, ассистент кафедры «Машиностроение и материаловедение». Адрес для переписки: gubin.89@list.ru

Статья поступила в редакцию 18.02.2015 г. © В. С. Кушнер, Д. С. Губин

Книжная полка

Бельков, В. Н. Детали машин и основы конструирования. Передачи : учеб. пособие / В. Н. Бельков, Н. В. Захаров. - Омск : ОмГТУ, 2014. - 1 о=эл. опт. диск (CD-ROM). - ISBN 978-5-8149-1038-7.

Изложены основы теории, расчета и конструирования передач зацеплением и трением машин общего назначения. Пособие по структуре, содержанию и методике ориентировано на изучение дисциплины «Детали машин и основы конструирования». Содержит справочные таблицы и данные на основе нормативных документов, принятых в практике консультирования.