CC BY
4
THE EFFECT OF POST-TREATMENT ON THE PHYSICAL AND MECHANICAL PROPERTIES OF SAMPLES,MANUFACTURED BY FDM PRINTING
I.V. Gnidina, V.M. Volgin, A.P. Malakho, A.A. Potapov
The analysis of methods of post-treatment of samples after FDM printing is carried out. A method of thermal post-treatment of ABS plastic samples obtained by FDM printing has been developed. Experimental studies of tensile strength, porosity and deformations of samples after thermal post-treatment have been carried out. It is shown that thermal post-treatment makes it possible to improve the physical and mechanical properties ofparts obtained by FDM printing.
Key words: thermal post-processing, FDM-printing, ABS-plastic, tensile strength, porosity, deformation.
Gnidina Inna Vycheslavovna, candidate of technical science, docent, senior researcher, laboratory of technologies of polymer materials and composites, [email protected], Russia, Tula, Tula State University,
Volgin Vladimir Mirovich, doctor of technical sciences, professor, leading researcher, laboratory of chemistry of composite and carbon materials, [email protected], Russia, Tula, Tula State University,
Malakho Artem Petrovich, candidate of chemical sciences, docent, [email protected], Russia, Tula, Tula State University; Moscow, Lomonosov Moscow State University, UNICHIMTEK,
Potapov Andrey Alekseevich, postgraduate, junior researcher, laboratory of chemistry of composite and carbon materials, potapov-kristall@mail. ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.9.025
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-9-334-335
СТАТИЧЕСКИЕ И ДИНАМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НАГРУЖЕНИЯ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ ПЛАСТИН С ИЗНОСОСТОЙКИМ ПОКРЫТИЕМ
Ю.А. Темпель, Д.А. Сартакова, О.А. Темпель, М.О. Чернышов
Стойкость режущего инструмента при металлообработке во многом определяет трудоемкость и эффективность реализации технологического процесса изготовления детали. В связи со статистическими данными производства можно сделать вывод о недостаточной работоспособности пластин, на которую влияет большое количество факторов, в том числе режимы резания, силы резания, температурный фактор, обрабатываемый и инструментальный материалы. Одним из способов увеличения периода стойкости пластин является нанесение износостойких покрытий, которые находят все большее применение в инструментостроении. Статья посвящена определению оптимальных режимов резания и рациональному выбору износостойких покрытий на режущую пластину токарных резцов. Проведены исследования напряжённо-деформированного состояния при статическом и динамическом нагружении пластины в программном продукте Ansys, разработан алгоритм реализации выбора покрытия при определенных условиях и параметрах резания.
Ключевые слова: износ, стойкость, режущая пластина, резец, напряжённо-деформированное состояние, цифровые инструменты, силы резания.
В настоящее время невозможно обеспечить снижение издержек и повышения конкурентоспособности производства без использования современных технологий, оборудования, инструментов. Одним из путей подъема эффективности обработки резанием является переход с использования напайного режущего инструмента на сборный с механическим креплением сменных многогранных пластин (СМП) [1]. Результативность и эффективность применения режущей пластины зависит от ее стойкости при металлообработке. Критерием эффективности также является и вспомогательное время, необходимое на смену режущих пластин при их износе.
Стойкость режущего инструмента сложное понятие и фактически определить ее можно только натурными экспериментами. Но с появлением цифровых инструментов и технологий моделирования можно провести модельные эксперименты с учетом большого количества факторов и начальных данных.
Направлениями в области увеличения стойкости режущих инструментов являются изучение и изменение геометрии режущей пластины и использования вторичного ресурса, например, как представлено в работах [2,3,4]; применение износостойких покрытий, также исследование которых принимает широкое изучение сейчас, например, как в работах [5,6,7]; оптимизация режимов резания, исследование этой области, например, раскрыто в работах [8,9].
В связи с вышесказанным, целью работы является изучение износостойких покрытий на пластины токарных резцов и проведение статических и динамических исследований нагружения металлорежущих пластин при модельных экспериментах в Ansys.
Объектом исследования являются пластины токарных резцов.
Материал и методы исследования. Исследования основаны на теоретических положениях резания металлов, технологии машиностроения и инструментостроения. При проведении модельных экспериментов применялись методы моделирования и численных исследований в программной среде Ansys.
Результаты исследования и их обсуждения. При выборе износостойкого покрытия на режущий инструмент, целью результативности является обеспечение условия (1) (целевая функция исследования):
R=F(X)^min, (1)
где R - показатель (критерий) результативности; F(X) - целевая функция, зависящая от фактора X; Х - фактор, влияющий на деформационные процессы режущей кромки.
Для выбора рационального износостойкого покрытия для конкретных параметров обработки проведены статические и динамические исследования трех износостойких покрытий при токарной обработке детали из стали 40Х.
В модельном исследовании при проведении первого эксперимента взято износостойкое покрытие - ион-но-плазменное покрытие на основе нитрида титана (вакуумное напыление - PVD); второго - алмазоподобное покрытие DLCPateks (а-С:Н/а- SiOCN); третьего - алмазоподобное покрытие DLC(ta-C). В качестве обрабатываемого материала выбрана Сталь 40Х. Эксперимент проводился при 16 различных сочетаниях режимов резания с расчетной соответствующей силой резания и планом эксперимента.
На рис. 1, 2 и 3 представлены результаты первого опыта статического нагружения пластины с износостойким покрытием. Параметры опыта представлены в табл. 1.
Таблица 1
Параметры опыта статического нагружения пластины ^с износостойким покрытием_
№ опыта Режимы резания Силы резания
S (мм/об) V (м/мин) п (об/мин) t (мм) Pz, Н Рх, Н Ру, Н
1 0,19 75 390 0,49 216,72 210,89 90,49
Рис. 1. Иллюстрация напряжений в результате прочностного статического анализа в Ansys режущей пластины с алмазоподобным покрытием DLCPateks(a-C:H/a-SiOCN)
Рис. 2. Иллюстрация напряжений в результате прочностного статического анализа в Лп.чу.ч режущей пластины с ионно-плазменным покрытием на основе нитрида титана TiN
Рис. 3. Иллюстрация напряжений в результате прочностного статического анализа в Ansys режущей пластины с алмазоподобным покрытием DLC(ta-C)
Результаты максимальных и минимальных напряжений и деформаций пластины при трех экспериментах из 16 опытов представлены в табл. 2.
По результатам модельного компьютерного эксперимента нагружения пластины резца в зависимости от трех износостойких покрытий силами резания с варьированными параметрами режимов резания наблюдается, что разброс значений по максимальному напряжению составил 2,85 процента, а разброс значений по максимальной
335
деформации значительно высокий, поскольку резко отличается значение максимально возможной деформации в опыте №2 по износостойкому покрытию - алмазоподобное покрытие DLCPateks (а-С:Н/а^ЮС^, и составил 84,85 процента; относительно опыта №1 и №3 разброс - 49,2 процента.
Таблица 2
Сводные данные по результатам максимальных и минимальных напряжений и деформаций пластины ___при трех экспериментах__
№ опыта Omax, МПа Omin, МПа Максимальная деформация пластины, мкм Минимальная деформация пластины, мкм
1 1344,9 0,000483 2,002000 1,745300
2 1333,3 0,000723 9,323000 8,128300
3 1401,2 0,000327 1,038700 0,000327
Для подтверждения результатов прочностного статического анализа в Ansys режущей пластины с алма-зоподобным покрытием DLC(ta-C) при обработке стали 40Х проведён динамический анализ с явным типом интегрирования во времени в Ansys. С этой целью проведено конечно-элементное моделирование процесса точения проходным резцом. Также в качестве начальных условий выступают оптимизационные параметры режимов резания, выявленные при статическом нагружении.
В списке расчётных параметров присутствовали деформация и напряжения в процессе резания. Иллюстрация напряжений в результате динамического анализа в явной постановке (Explicit Dynamics) в Ansys режущей пластины с алмазоподобным покрытием DLC(ta-C) представлена на рис. 4.
ANSYS
4
Рис. 4. Иллюстрация напряжений в результате динамического анализа в явной постановке (Explicit Dynamics) в Ansys режущей пластины с алмазоподобным покрытием DLC(ta-C)
Замечено, что износостойкие покрытия экспериментов №1 и №2 имеют приближённо одни значения, в отличие от эксперимента №3.
Выводы:
1 Проведены прочностной статический и динамический анализы в Ansys режущей пластины с износостойкими покрытиями, определены напряжения и деформационные отклонения.
2 Определены оптимальные параметры резания при модельных экспериментах пластин с тремя износостойкими покрытиями. Наиболее оптимальное сочетание режимов резания при обработке детали из стали 40Х резцом с износостойкими покрытиями - алмазоподобное покрытие DLCPateks(a-C:H/a-SiOCN), ионно-плазменное покрытие на основе нитрида титана TiN, алмазоподобое покрытие DLC(ta-C) выявлено следующее: S=0,19 мм/об, V=85 м/мин, n=410 об/мин, при составляющей силе резания Pz=212,69 Н.
3 Разработан алгоритм выбора износостойких покрытий с применением численных исследований и цифровых инструментов. Доказан экономический эффект от рационального выбора и увеличения стойкости за счет снижения деформационных отклонений, как относительного показателя, свидетельствующего повышению использования ресурса пластины при оптимальных режимах резания в среднем на 40 процентов.
Исследования проведены при поддержке НИОКТР Некоммерческой организацией «Благотворительный фонд «ЛУКОЙЛ».
Список литературы
1. Артамонов Е.В., Чернышов М.О., Помигалова Т.Е., Васильев Д.В. Повышение работоспособности сменных режущих пластин сборных инструментов // СТИН. 2014. №7. С. 19-21.
2. Артамонов Е.В., Ефимович И.А., Помигалова Т.Е. Патент 2201316 РФ, МПК7 В23 В 27/16. Режущая пластина, 2003.
3. Попов А.Ю. Повышение эффективности использования современных инструментов со сменными твердосплавными пластинами за счет их вторичного ресурса. / А.Ю. Попов, Д.С. Реченко, Е.В. Васильев, В.С. Сергеев, А.Г. Кольцов // Вестник Уфимского государственного авиационного технического университета. Уфа.,2012. Т. 16. № 4 (49). С. 24-29.
4. Попов А.Ю. Способ упрочнения твердосплавного инструмента / А.Ю. Попов, Н.Г. Васильев, А.А. Рау-ба // Патент на изобретение RUS 2137590 24.07.1997.
5. Дрималовский Е.И. Особенности нанесения твердых покрытий на режущий инструмент / Е. И. Дрима-ловский, Е. А. Памфилов // Новые материалы и технологии в машиностроении. 2019. №29. С. 33-36.
6. Молочных П.Н. Влияние размерного износа режущего инструмента на точность обработки // Наука и образование. 2012. №4. С. 1-6. [Электронный ресурс] URL: http://technomag.edu.ru (дата обращения: 09.09.2022).
7. Табаков В.П. Износостойкие ионно-плазменные покрытия режущих инструментов / В.П. Табаков, Н.А. Ширманов, М.Ю. Смирнов, А.В. Циркин // Фундаментальные исследования. 2005. №8. С. 92-93.
336
8. Некрасов Р.Ю., Темпель О.А., Васьков Д.Е. Определение оптимальных режимов резания при обработке труднообрабатываемых материалов // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2022. Вып. 4. С. 484-489.
9. Темпель О.А., Темпель Ю.А., Васьков Д.Е. Планирование эксперимента выбора оптимальных параметров процесса резания труднообрабатываемых материалов // Вестник МГТУ «Станкин». 2022. №4(63). С. 2832.
Темпель Юлия Александровна, канд. техн. наук, доцент, [email protected]. Россия, Тюмень, Тюменский индустриальный университет,
Сартакова Диана Андреевна, обучающийся, [email protected], Россия, Тюмень, Тюменский индустриальный университет,
Темпель Ольга Александровна, старший преподаватель, [email protected]. Россия, Тюмень, Тюменский индустриальный университет,
Чернышов Михаил Олегович, канд. техн. наук, доцент, [email protected]. Россия, Тюмень, Тюменский индустриальный университет
STATIC AND DYNAMIC STUDIES OF LOADING OF METAL-CUTTING PLATES WITH A WEAR-RESISTANT COATING
Yu.A. Tempel, D.A. Sartakova, O.A. Tempel, M.O. Chernyshov
The durability of the cutting tool in metalworking largely determines the complexity and efficiency of the implementation of the technological process of manufacturing the part. In connection with the production statistics, it can be concluded that the inserts are not efficient enough, which is influenced by a large number of factors, including cutting conditions, cutting forces, temperature factor, workpiece and tool material. One way to increase the tool life of inserts is to apply wear-resistant coatings, which are increasingly used in tool making. The article is devoted to the determination of optimal cutting conditions and the rational choice of wear-resistant coatings on the cutting insert of turning tools. Studies of the stress-strain state under static and dynamic loading of the plate in the Ansys software product were carried out, an algorithm for implementing the choice of coating under certain conditions and cutting parameters was developed.
Key words: wear, durability, cutting plate, cutter, stress-strain state, digital tools, cutting forces.
Tempel Yulia Aleksandrovna, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Tyumen , Tyumen Industrial University,
Sartakova Diana Andreevna, student, [email protected], Russia, Tyumen, Tyumen Industrial University,
Tempel Olga Aleksandrovna, senior lecturer, [email protected], Russia, Tyumen, Tyumen Industrial University,
Chernyshov Mikhail Olegovich, candidate of technical sciences, docent, chernyshovmo@tyuiu. ru, Russia, Tyumen, Tyumen Industrial University
УДК 544.77.023.523
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-9-337-337
АНАЛИЗ ДИСПЕРСНОГО СОСТАВА ПЫЛИ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ БЕСЦЕНТРО-ШЛИФОВАЛЬНЫХ СТАНКОВ
Е.М. Щерба, А.С. Гуменюк, Ю.И. Булыгин, В.С. Исаков
В данной работе проведено комплексное исследование дисперсного состава пыли, возникающей в процессе бесцентрового шлифования закаленной стали. Эксперименты выполнены как при отсутствии охлаждающих жидкостей, так и с их использованием. Пыль методически отобрана в зонах операторов станков, оснащенных шлифовальными кругами различных диаметров. Для анализа дисперсного состава пыли применён классический ситовой метод с использованием виброгрохота. В исследовании определены статистические свойства исходных гранулометрических составов пыли при помощи метода интегральных моментов. Полученные в ходе экспериментов характеристики пыли и результаты дисперсного анализа позволяют разрабатывать адекватные технологическому процессу математические модели в виде интегральных и дифференциальных функций распределения размера частиц пыли. Высказаны рекомендации по выбору наиболее оптимального модельного распределения. Установленные закономерности гранулометрического состава пыли учитывают условия эксплуатации станков, включая их технологические параметры, такие как диаметр шлифовального круга и применение охлаждающей жидкости. Полученные результаты имеют потенциал для последующего проектирования и создания систем обеспыливания бесцентро-шлифовальных станков. Снижение запыленности рабочей зоны в условиях эксплуатации позволит наравне с повышением износостойкости оборудования и увеличением качества обработки изделий также улучшить условия труда операторов станков и повысить производительность.
Ключевые слова: шлифование, пылеобразование, дисперсный состав, ситовой анализ.
Введение. Целью исследования является изучение дисперсного состава пыли, образующейся в рабочей зоне оператора бесцентровочно-шлифовального станка. Для реализации цели необходимо: провести ряд экспериментальных исследований, позволяющий разработать математическую модель диспергирования смеси стальной и абразивной пыли при шлифовании [1].
