CC BY
17
Наука к Образование
МГТУ иш Н.Э. Баумана
УДК 621.9.015
Точность обработки при точении с опережающим пластическим
деформированием
1 * 1 Ярославцева Н.А. ' , Ярославцев В.М.
Наука и Образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2017. № 04. С. 33-43.
Б01: 10.7463/0417.0001129
Представлена в редакцию: Исправлена:
© МГТУ им. Н.Э. Баумана
01.03.2017 15.03.2017
:МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, Россия
Представлены результаты экспериментальных исследований влияния резания с опережающим пластическим деформированием на точность формы обработанных поверхностей деталей. Опытным путем установлено, что правильный выбор направления приложения нагрузки упрочнителя на материал срезаемого слоя может обеспечить полную компенсацию радиальной составляющей силы резания, действующей при точении перпендикулярно оси заготовки, приводя к существенному снижению отклонения профиля продольного сечения: в 2,4-3,3 раза. Эффективность воздействия нагрузки опережающего пластического деформирования зависит от поперечной жесткости заготовки. Показано, что одновременно со снижением отклонения профиля продольного сечения наблюдается уменьшение величины отклонения от круглости -1,2-1,6 раза. Последнее объясняется демпфирующим действием накатного устройства.
Ключевые слова: обработка резанием, резание с опережающим пластическим деформированием, труднообрабатываемые материалы, силовые факторы, точность формы
Решение задач обеспечения высокой точности изготовления и восстановления изделий без снижения производительности труда при механической обработке заготовок из труднообрабатываемых материалов потребовало от технологов нестандартных подходов к разработке новых методов обработки и использованию системного подхода к построению технологических процессов в целом [1-4]. Это привело к созданию высокоэффективных комбинированных методов обработки, одним из которых является метод резания с опережающим пластическим деформированием (ОПД). Метод ОПД базируется на использовании в зоне обработки дополнительного механического источника энергии [5, 6], который к началу воздействия режущего инструмента на материал срезаемого слоя уже совершил часть работы, затрачиваемой на пластическое деформирование в процессе стружкообразо-вания при обычном резании. Таким образом, при резании с ОПД режущим инструментом совершается не вся работа, а только ее часть. Это обеспечивает снижение силы и температуры резания и, как следствие, повышает период стойкости инструмента и производительность обработки [1, 2, 6-12].
Действие в процессе резания на заготовку дополнительного нагружающего устройства ОПД изменяет деформированное состояние технологической системы и, таким обра-
зом, может оказывать существенное влияние на точность обработанных поверхностей и производительность изготовления деталей.
Известно [1, 13-15 и др.], что возможность обеспечения точности формы связана, прежде всего, с радиальной составляющей силы резания Ру, направленной по нормали к обрабатываемой поверхности. В соответствие с этим при точении валов с малой поперечной жесткостью точность формы можно существенно повысить путем частичной или полной компенсации силы Ру, что подтверждается практикой применения на станках люнетов. При точении с ОПД неблагоприятное действие составляющей силы резания Ру может быть ограничено при правильном направлении приложения дополнительной нагрузки ОПД Ро.
В работе [ 16] приводится анализ различных схем нагружения заготовки при точении с ОПД и рассматриваются динамические условия повышения точности обработки за счет компенсации усилиями ОПД упругих смещений элементов технологической системы.
Ниже представлены результаты экспериментальных исследований влияния ОПД на точность обработанных поверхностей на операции точения.
В зависимости от физико-механических свойств материала заготовки радиальная составляющая Роу оптимальной величина силы ОПД может быть как меньше, так и существенно выше радиальной составляющей Ру силы резания. Если составляющая Роу < Ру, то наиболее рациональным направлением ее приложения является диаметрально противоположное по отношению к зоне резания. В этом случае достигается частичная или полная (при Роу = Ру) компенсация воздействия силы Ру на технологическую систему и соответствующее повышение точности обработки в результате снижения упругих деформаций технологической системы в зоне резания. При Роу > Ру полная компенсация действия радиальной составляющей Ру силы резания может быть получена путем изменения направления приложения нагрузки ОПД под углом у к оси у, как это показано на рис. 1.
Рис. 1. Составляющие силы резания Ру и нагрузки ОПД Роу, действующие на заготовку в плоскости уг в
направлении оси у
Здесь сила Роуг - проекция силы Ро ОПД на плоскость уг. Нагрузка ОПД и ее составляющие связаны следующими геометрическими соотношениями
Роух = РоСОБ ф; Роу = РССОБ ФСОБ у, где ф - главный угол резца в плане.
В этом случае угол действия у составляющей Poyz нагрузки ОПД по отношению к оси у рассчитывается как
у = arc cos [Роу/( Pc,cos ф)]. (1)
В [16] даются вычисленные значения угла у, определяющего направление действия составляющей Роу2 нагрузки ОПД в плоскости yz, для 20 марок материалов, представляющих 7 групп труднообрабатываемых сталей и сплавов по обрабатываемости резанием [17]. Установлено, что величина угла у, обеспечивающего условие разгрузки заготовки от действия сил Py и Роу на замыкающем звене технологической системы "ось заготовки - вершина резца", может изменяться в зависимости от условий обработки в широких пределах (~ от 20° до 80°).
Для опытной проверки расчетных данных на базе токарно-винторезного станка модели 16К20 была разработана лабораторная установка (рис. 2), предусматривающая возможность регулирования направления у действия составляющей Poyz усилия ОПД, а следовательно и величины нагрузки Роу в направлении оси у.
Рис. 2. Общий вид лабораторной установки для исследования точности формы обрабатываемых
поверхностей заготовок при точении с ОПД
Для этого силовое устройство ОПД 2 с накатным роликом устанавливали в различных положениях относительно заготовки 1 в круговом пазу стойки 3, размещенной на продольном суппорте станка. Испытания заключались в изготовлении серий образцов пониженной жесткости методом резания с ОПД и обычным точением с одинаковыми режимами резания и сопоставлении результатов обработки по точности формы обработанных поверхностей. Сила Ро ОПД принималась в каждом конкретном случае оптимальной, обеспечивающей максимальную эффективность повышения обрабатываемости резанием при применении данного метода в конкретных условиях резания. Значение радиальной составляющей силы резания Ру определяли предварительно опытным путем. Угол у на-
правления проекции Poyz усилия Ро ОПД на плоскость yz, перпендикулярную оси заготовки, вычисляли по формуле (1) с учетом равенства Роу = Py .
Сопоставление результатов точности обработки образцов указанными выше способами резания производили по двум показателям отклонения формы поверхностей: отклонение профиля продольного сечения EFP цилиндрической поверхности и отклонение от круглости EFK (ГОСТ 24642-81). Замеры отклонения профиля продольного сечения производили стандартным микрометрическим пассаметром. Для контроля отклонений от круглости применяли кругломер "Talyrond-51" английской фирмы "Rank Taylor Hobson"; примеры типовых круглограмм для различных условий обработки показаны на рис. 3. Условия испытаний и результаты измерений представлены в таблице.
Рис. 3. Типовые круглограммы, характеризующие отклонение от круглости EFK (*2000) обработанной поверхности при обычном точении (а, в) и точении с ОПД (б, г): а, б - сталь 12Х21Н5Т; в, г - сплав ХН77ТЮР. Условия испытаний - согласно таблицы.
Таблица Отклонения профиля продольного сечения ББР и от круглости ББК при точении с ОПД (сила Ро) и
обычном точении (Ро = 0)
Марка Режим обработки Отклонения
обрабаты- D, формы
ваемого L v, t, Ро, EFP, EFK,
материала мм м/с мм/об мм кН кН мкм мкм
20Х13 35, 1,47 0,21 2,0 0,74 0,50 48 16 7,1
350 0 0,54 - 38 11,3
12Х18Н10Т 25, 0,82 0,21 1,5 1,02 0,35 70 24 5,2
340 0 0,40 - 68 6,2
12Х21Н5Т 23, 0,49 0,21 1,5 1,64 0,48 73 28 5,4
300 0 0,53 - 87 7,3
ХН77ТЮР 22, 0,46 0,21 1,5 1,94 0,60 72 51 6,8
330 0 0,67 - 168 9,6
П р и м е ч а н и я: 1. Длина нормированного участка при определении EFP принималась равной 150 мм.
2. Приведенные в таблице значения EFK и EFP получены как средние величины 6-8 результатов испытаний образцов деталей в эквивалентных условиях.
3. Материал режущей части резцов: Т15К6 при точении сталей 20Х13 и 12Х18Н10Т; ВК8 при точении стали 12Х21Н5Т и сплава ХН77ТЮР.
4. Геометрия режущей части: Т15К6 (у = 8°, а = 12°, ф = ф! =45°, r = 1,5 мм); ВК8 (у = 8°, а = 10°, ф = ф! =45°, r = 1,5 мм).
5. Размеры цилиндрических образцов: D - диаметр; L - длина.
Сравнение полученных данных EFP и EFK показывает, что при точении с ОПД уменьшение погрешностей формы составило: для отклонения профиля продольного сечения 2,4-3,3 раза, для отклонения от круглости - 1,2-1,6 раза по сравнению с обычным точением.
Следует отметить, что уменьшение величины отклонения от круглости при точении с ОПД объясняется в первую очередь повышением виброустойчивости технологической системы [18, 19]: трущиеся подвижные соединения и элементы привода накатного устройства ОПД поглощают часть энергии колебаний ролика, обусловленных вибрациями заготовки, и действуют на технологическую систему как виброгасители. Например, силовое устройство ОПД с гидравлическим приводом [11] работает одновременно и как гидравлический виброгаситель.
Таким образом, экспериментально установлено, что применение метода ОПД на операции точения может обеспечивать значительное снижение одного из показателей погрешности формы обрабатываемых поверхностей деталей - отклонение формы продольного сечения EFP (ГОСТ 24642-81), особенно при обработке заготовок с низкой поперечной жесткостью. Такой результат обеспечивается при резании с ОПД за счет частичной или полной компенсации воздействия радиальной составляющей силы резания на технологическую систему, приводящей к уменьшению упругих деформаций технологической системы в зоне резания. При этом одновременно достигается повышение устойчивости процесса резания, что приводит к снижению величин отклонения от круглости EFK. Од-
новременно с повышением точности обработки опережающее деформационное упрочнение материала срезаемого слоя позволяет существенно интенсифицировать процесс обработки резанием [2, 7, 11].
Список литературы
1. Машиностроение: Энциклопедия / Отв. ред. П.Н. Белянин, ред. А.Г. Суслов. Раздел III: Технология производства машин; T.III-3: Технология изготовления деталей машин. М.: Машиностроение, 2000. 840 с.
2. Ярославцев В.М. Разработка методологии поиска новых методов обработки и ее практическая реализация // Вестник МГТУ им. Н.Э.Баумана. Сер. Машиностроение. 2007. № 2 (67). С. 56-70.
3. Ярославцев В.М., Ярославцева Н.А. Прогнозирование надежности реновируемых деталей машин на основе анализа структуры технологии восстановления // Методы менеджмента качества. 1999. № 8. С. 52-58.
4. Ковшов А.Н., Назаров Ю.Ф., Ярославцев В.М. Нетрадиционные методы обработки материалов: электрон. мультимедийное учеб. пособие. М.: Изд-во МГОУ, 2007. 211 с.
5. Ярославцев В.М. Базовые положения общности технологических методов обработки // 7-е Всероссийское Совещание-семинар «Инженерно-физические проблемы новой техники» (Москва, 20-22 мая 2003): Материалы. М., 2003. С. 185-186.
6. Ярославцев В.М. Технологический процесс - энергетический преобразователь // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2012. № 7. С. 3.
DOI: 10.7463/0712.0414854
7. Ярославцев В.М. Технологические возможности и основные направления совершенствования методов резания с опережающим пластическим деформированием // Юбилейная Всесоюзн. межвуз. научн.-техн. конференция, посвященная 150-летию МВТУ им. Н.Э. Баумана «Научные основы автоматизации производственных процессов и управления качеством в машиностроении и приборостроении" (Москва, 4-6 декабря 1979): Тезисы докл. М., 1979. С. 7-9.
8. Бондарев А.А. Влияние опережающего пластического деформирования на эффективность токарной обработки // Главный механик. 2016. № 3. C. 53-58.
9. Ингеманссон А.Р. Повышение работоспособности режущего инструмента при точении коррозионностойких сталей с опережающим пластическим деформированием // Металлообработка. 2011. № 6. С. 10-15.
10. Герасимова О.В., Герасимов В.Я. Повышение прочности резьбовых изделий на основе опережающего пластического деформирования металла // Вестник машиностроения. 2013. № 1. С. 79-80.
11. Ярославцев В.М. Эффективность методов опережающего деформационного упрочнения материала срезаемого слоя при обработке резанием // Вестник МГТУ им.
Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение. 2015. № 1(100). С. 119-127. DOI: 10.18698/0236-3941-2015-1-119-127
12. Крайнев Д.В., Полянчиков Ю.Н., Бондарев А.А. Повышение эффективности точения деформируемых сталей и сплавов с опережающим пластическим деформированием. Волгоград: Изд-во Волгоградского гос. техн. ун-та, 2015. 160 с.
13. Основы технологии машиностроения / В.М. Кован, В.С. Корсаков и др. 3-е изд. М.: Машиностроение, 1977. 416 с.
14. Безъязычный В.Ф., Козлов В.А. Назначение оптимальных режимов резания с учетом заданных параметров точности обработки и шероховатости обработанной поверхности // Вестник Рыбинской гос. авиационной технологической академии им. П.А. Соловьева. 2011. № 3. С. 35-42.
15. Ярославцев В.М. Технологическое обеспечение качества и надежности деталей машин методами обработки в условиях реновации // Надежность и контроль качества. Методы менеджмента качества. 1997. № 12. С. 24-28.
16. Ярославцев В.М. Влияние усилий опережающего пластического деформирования на точность обработки // Физико-химические методы обработки труднообрабатываемых материалов. М.: Изд-во МВТУ, 1981 (Труды МВТУ им. Н.Э. Баумана. № 361). С. 20-28.
17. Режимы резания труднообрабатываемых материалов: Справочник / Я.Л. Гуревич и др. 2-е изд. М.: Машиностроение, 1986. 240 с.
18. Бородкин Н.Н., Васин С.А., Васин Л.А. Предотвращение процесса возникновения и развития автоколебаний при точении резцами со структурированными державками // Известия Тульского гос. ун-та. Технические науки. 2014. Вып. 11. Ч. 1. С. 234-243.
19. Орликов М.Л. Динамика станков. 2-е изд. К.: Вища школа, 1989. 272 с.
Science ¿Education
of the Baumail MSTU
Science and Education of the Bauman MSTU, 2017, no. 04, pp. 33-43.
DOI: 10.7463/0417.0001129
Received: 01.03.2017
Revised: 15.03.2017
© Bauman Moscow State Technical Unversity
Precision Machining When Cutting with Leading Plastic Deformation
N.A. Yaroslavtseva1'*, V.M. Yaroslavtsev1 *mti3@bm&tuju
:Bauman Moscow State Technical University, Moscow, Russia
Keywords: machining, cutting with ahead of plastic deformation, hard to handle materials, factors of
the forces, the shape accuracy
Keeping up the product competitiveness continually requires solving the problems of reducing time for product creation and material costs for its production and ensuring the maximum conformity of the product quality with the individual requirements of a particular consumer. It is especially difficult to implement these tasks in product manufacturing from the hard-to-machine steels and alloys with extremely low production rate in machining (often 10-20 times lower than when cutting the ordinary structural steels).
Currently, one of the promising ways to improve the cutting process of hard-to-machine materials and quality of parts made from these materials is development and application of combined processing methods, which use additional energy sources to act on the machined material in the cutting zone. A BMSTU-developed cutting method with leading plastic deformation (LPD), which acts to raise the production rate, gain the cutting tool-life, reduce the surface roughness, improve the accuracy of processing and the performance characteristics of products, ensure the reliable flow chip control, and improve the labor conditions, belongs to such sort of methods.
One of the most important indicators of processing quality that has a great impact on the operation and cost characteristics of the product and on the machining rate as well is the accuracy of processing. In cutting, the processing errors largely arise from the elastic deformations of a technological system when the cutting force, and, in particular, the radial component of the cutting force, acts on it.
The deforming devices, used in cutting with LPD, being located as a rule, on the diametrically opposite side with respect to the cutting zone, act on the technological system as vibration dampers. In addition, as studies have shown, the choice of a rational direction for applying LPD load helps to compensate partially or completely the cutting force radial component effect on the technological system, thereby raising the accuracy of processing through reducing a value of the elastic deformations of a work-piece in the cutting zone.
The paper presents the comparative test results of the work-piece shape accuracy in cutting with LPD and in conventional cutting in two respects: profile deviation of the longitudinal sec-
tion of the cylindrical surface and circularity deviation. The studies were carried out using a special BMSTU-designed installation, which allows us to regulate direction of the angle of LPD force action, and, consequently, the load values in direction perpendicular to the surface to be machined. The experiments were carried out on soft samples, made from the low rigid hard-to-machine materials, belonging to different groups of machining property. It is found that when cutting with LPD there is a significant reduction of shape errors. For the processing conditions, assumed in the experiments, as compared to the ordinary cutting a deviation of the profile of the longitudinal section and a circularity deviation were decreased by 2.4-3.3 times and 1.2-1.6 times, respectively.
References
1. Mashinostroenie: Entsiklopediia. Razdel III: Tekhnologiia proizvodstva mashin; T.III-3: Tekhnologiia izgotovleniia detalej mashin [Mechanical Engineering: Encyclopedia. Pt. III: Production technology machines; Vol.III-3: The technology of manufacturing of machine parts]. Moscow: Mashinostroenie Publ., 2000. 840 p. (in Russian).
2. Yaroslavtsev V.M. Development and practical implementation of methodology of search of new methods of material processing. VestnikMGTU im. N.E. Baumana. Ser. Mashinostroenie [Herald of the Bauman MSTU. Ser. Mechanical Engineering], 2007, no. 2, pp. 56-70 (in Russian).
3. Yaroslavtsev V.M., Yaroslavtseva N.A. Reliability prediction of renovated machine parts on the basis of analysis of structure recovery technology. Metody menedzhmenta kachestva [Methods of quality management], 1999, no. 8, pp. 52-58 (in Russian).
4. Kovshov A.N., Nazarov Yu.F., Yaroslavtsev V.M. Netraditsionnye metody obrabotki materialov [Non-traditional methods of materials processing]. Moscow: MGOU Publ., 2007. 211 p. (in Russian).
5. Yaroslavtsev V.M. Bazovye polozheniia obschnosti tekhnologicheskikh metodov obrabotki [The basic provisions of common process treatment methods]. 7 Vserossijskoe soveschanie-seminar "Inzhenerno-fizicheskie problemy novoj tekhniki": Materialy [7th All-Russian conference-seminar "Engineering and physical problems of new technics"(Moscow, 20-22 May 2003)]: Proc. Moscow, 2003. Pp.185-186 (in Russian).
6. Yaroslavtsev V.M. Technological process as an energy conversion device. Nauka i obrazovanie MGTU im. N.E. Baumana [Science and Education of the Bauman MSTU], 2012, no. 7. DOI: 10.7463/0712.0414854 (in Russian)
7. Yaroslavtsev V.M. Tekhnologicheskie vozmozhnosti i osnovnye napravleniia sovershenstvovaniia metodov rezaniia s operezhayuschim plasticheskim deformirovaniem [Technological opportunities and the basic directions of perfection of methods of cutting with advanced plastic deformation]. Yubilejnaia Vsesoyuznaia mezhvuzovskaia nauchno-technicheskaia konferentsiia posviaschennaia 150-letiyu MVTU im. N.E. Baumana "Nauchnye osnovy avtomatizatsii proizvodstvennykh protsessov i upravleniia kachestvom v
mashinostroenii ipriborostroenii " [Jubilee All-Union Intercollegiate Scientific and technical conference dedicated to the 150th anniversary of Bauman MHTU "Scientific bases of automation of production processes and quality management in mechanical engineering and instrument-making" (Moscow, 4-6 December 1979)]: Abstracts of papers. Moscow, 1979. Pp. 7-9 (in Russian).
8. Bondarev A.A. The influence of advance plastic deforming on efficiency of machining operation. Glavnyj mekhanik [Master mechanic], 2016, no.3, pp. 53-58 (in Russian).
9. Ingemansson A.R. The tool's working capacity increase at turning of stainless steels with advancing plastic deformation. Metalloobrabotka [Metal processing], 2011, no. 6, pp. 10-15 (in Russian).
10. Gerasimova O.V., Gerasimov V.Ya. Increasing the strength of threaded components by prior plastic deformation of the metal. Russian Engineering Research, 2013, vol. 33, no. 4,
pp. 211-212. DOI: 10.3103/S1068798X13040096
11. Yaroslavtsev V.M. Effectiveness of methods for leadingstrain hardening of the material of cut down layer in machining. VestnikMGTU im. N.E. Baumana. Ser. Mashinostroenie [Herald of the Bauman MSTU. Mechanical Engineering], 2015, no. 1(100), pp. 119-127.
DOI: 10.18698/0236-3941-2015-1-119-127 (in Russian)
12. Krajnev D.V., Polianchikov Yu.N., Bondarev A.A. Povyshenie effektivnosti tocheniia deformiruemykh stalej i splavov s operezhayuschim plasticheskim deformirovaniem [Improving the efficiency of the turning of wrought steels and alloys with leading plastic deforming]. Volgograd: Volgograd State Technical Univ. Publ., 2015. 160 p. (in Russian).
13. Osnovy tekhnologii mashinostroeniia [Fundamentals of mechanical engineering technology] / V.M. Kovan, V.S. Korsakov a.o. 3rd ed. Moscow: Mashinostroenie Publ., 1977. 416 p. (in Russian).
14. Bez'iazychnyj V.F., Kozlov V.A. The purpose of the optimal cutting modes taking into account the specified parameters, precision machining and surface finish. Vestnik Rybinskoj gosudarstvennoj aviatsionnoj tekhnologicheskoj akademii im. P.A. Solov'eva [Herald of Rybinsk State Aviation Technological Academy in honor P. A. Solovyov], 2011, no. 3, pp. 35-42 (in Russian).
15. Yaroslavtsev V.M. Technological provision of the quality and reliability of machine parts processing techniques in the context of renovation. Metody menedzhmenta kachestva [Methods of Quality Management], 1997, no. 12, pp. 24-28 (in Russian).
16. Yaroslavtsev V.M. Vliianie usilij operezhayuschego plasticheskogo deformirovaniia na tochnost' obrabotki [The impact of the efforts of the advancing plastic deformation on the processing accuracy]. Fiziko-khimicheskie metody trudnoobrabatyvaemykh materialov [Physico-chemical methods of machining difficult to machine materials]. Moscow: MHTU, 1981. Pp. 20-28 (in Russian).
17. Rezhimy rezaniia trudnoobrabatyvaemykh materialov [Cutting hard materials] / Ia.L. Gurevich a.o. 2nd ed. Moscow: Mashinostroenie Publ., 1986. 240 p. (in Russian).
18. Borodkin N.N., Vasin S.A., Vasin L.A. Prevention of the emergence and development of self-oscillations in turning cutters with structural holders. Izvestiia Tul'skogo gosudarstvennogo universiteta. Tekhnicheskie nauki [Proceedings of the Tula State University. Engineering science], 2014, no. 11, pt. 1, pp. 234-243 (in Russian).
19. Orlikov M.L. Dinamika stankov [Dynamics of machines]. 2nd ed. Kiev: Vischa Shkola Publ., 1989. 272 p. (in Russian).
