УПРАВЛЕНИЕ КАЧЕСТВОМ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ДЕТАЛЕЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 921.91

УПРАВЛЕНИЕ КАЧЕСТВОМ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ДЕТАЛЕЙ

МАШИНОСТРОЕНИЯ

НАСАД ТАТЬЯНА ГЕННАДИЕВНА

заведующий кафедрой ТМС СГТУ имени Гагарина Ю.А., Саратов, РФ

САМОЙЛОВА ЕЛЕНА МИХАЙЛОВНА

доцент кафедры ТММ СГТУ имени Гагарина Ю.А., Саратов, РФ

БАБЕНКО МАРИНА ГЕННАДИЕВНА

доцент кафедры ТМС СГТУ имени Гагарина Ю.А., Саратов, РФ

Аннотация. Выполнены экспериментальные исследования зависимости влияния высоких температур на формирование показателей качества поверхности, таких как структура, механические свойства обрабатываемого материала, микрогеометрия и пр. По итогам обработки экспериментальных данных получена зависимость шероховатости от режимов резания. Предложен экспериментально-аналитический метод определения шероховатости, что дает возможность выявить наиболее значимые частотные составляющие, формирующие профиль и источник их возникновения. Всего выделено пять составляющих, из которых четыре способствуют формированию систематической составляющей, которая легко может быть выражена математической зависимостью. Пятая составляющая описывает случайные процессы. Установлено, что профиль поверхности детали характеризуется преобладанием периодической составляющей, что позволяет управлять процессом формообразования. Воздействие теплоты на поверхностный слой заготовки вызывает существенное повышение пластичности материала, что способствует точному копированию профиля резца.

Ключевые слова: качество, управление, шероховатость, поверхностный слой, экспериментально-аналитический метод, профиль поверхности, формообразование.

Повышение производительности и качества поверхностного слоя обрабатываемой поверхности связано с особыми физико-механическими свойствами, которые присущи современным труднообрабатываемым материалам. Возрастающие требования к обеспечению свойств таких материалов, невозможно решить с помощью традиционных подходов. Решение данной проблемы может быть успешно найдено при использовании интеллектуальных технологий, совмещающих такие виды воздействий как ультразвук, вибрационное резание, лазерное, плазменное, токи высокой частоты, применение аддитивных технологий и др.

Любое воздействие высоких температур может оказывать влияние на формирование показателей качества поверхности, таких как структура, механические свойства обрабатываемого материала, микрогеометрия и пр.

Обработка с использованием интеллектуальных технологий обладает рядом особенностей, связанных с тепловым воздействием на снимаемый припуск, высокими скоростями резания и прерывистостью процесса. Эти особенности, накладывают существенные отличия как на механизм формирования качества обрабатываемого поверхностного слоя, так и свойств поверхности детали.

Интенсификация процесса резания и тепловое воздействие оказывается полезным для получения поверхности с низкими значениями шероховатости, которая по своим характеристикам соответствует операции отделочной обработки.

Увеличение пластических свойств обрабатываемого материала за счет его нагрева вызывает образование пластических заусенцев на микровыступах шероховатостей, поэтому использование плазменного, лазерного и др. способов теплового воздействия в сочетании с традиционными скоростями резания допускалось в основном на черновых или получистовых операциях.

Нагрев заготовки в сочетании с высокими скоростями резания значительно уменьшает образование пластических заусенцев или локализует их образование в зоне, ограниченной геометрическим профилем режущего лезвийного инструмента, что приводит к улучшению микрогеометрии поверхности детали.

Сочетание прерывистого резания с тепловым воздействием на поверхность может также оказаться полезным с позиций формирования остаточных напряжений в поверхностном слое. Чередование фазы сжатия и растяжения при обычных условиях прерывистой обработки вызывает в поверхностном слое накопление дислокаций, рост микротрещин, формирование остаточных растягивающих напряжений и снижение усталостной прочности поверхности. В свою очередь воздействие источника энергии способствует демпфированию, возникающих при резании колебаний, особенно при прерывистой обработке. Изменение динамических характеристик поверхности детали можно использовать для улучшения качества поверхности. При наложении на кинематические перемещения элементов технологической системы, вибрации существенно ухудшают шероховатость, поэтому нагретый металл, с повышенными пластическими свойствами оказывает благоприятное воздействие на механизм формирования микрогеометрических характеристик поверхности детали.

Теплофизические исследования [2,3] показывают, что по критерию максимальных температур воздействие относится к среднему или высокому отпуску. При обработке стабильных структур, нагрев до указанных температур никаких структурных изменений в поверхности не вызывает. И наоборот, при обработке закаленных сталей нагрев до температур 500-600°С вызывает структурные изменения в поверхностном слое с образованием тросто-сорбитной структуры. Механические свойства данных структур, в силу мелкозернистости несколько превышают механические свойства исходного металла в отожженном состоянии, но значительно ниже механических характеристик закаленного слоя.

Для того чтобы описать влияние различных факторов на формирование шероховатости, необходимо сформулировать основные принципы управления процессом [1-7].

Всего выделено пять составляющих, из которых h1,h2,h3,h4 способствуют формированию систематической составляющей, которая легко может быть выражена математической зависимостью. Составляющая h5 описывает случайные процессы.

Если учесть все сопутствующие факторы, то можно получить зависимость:

5

Rz = h + h2 + h3 + h4 + h5 hi, (1)

i—1

где h1- параметр высоты профиля; h2 - параметр, учитывающий колебания РИ; h3- параметр, учитывающий пластическую составляющую формообразования; h4 - параметр, учитывающий микрогеометрию РИ; h5- параметр, учитывающий влияние случайных факторов.

Чтобы определить величины этих параметров необходимо каждую из них рассчитать по формулам, учитывая специфику схемы обработки:

k r(1 - cos ф) + tg9tg^ [S - r(sinф + sin ф!) - 2tgф(cos cos ф) 1 cos у cos у^ф + tg<Pj)

где ф, ф1 -углы в плане, град; S - подача (мм/об); r - радиус при вершине резца, мм; у -передний угол, град.

Для определения значения h2, вызванного колебаниями РИ, используем зависимость:

, CySyVz[HBnmaxtx - HBmm(t ~ Rzmax Л ^

К = —-;-, (3)

-

hb np jTC (1 - (- )2 + т 2 -

ю

где V - скорость резания; X - частота вынужденных колебаний элементов технологической системы (ТС); ш - собственная частота колебаний; 1 - глубина резания; Т - постоянная времени демпфирования; Су, у, х, 2, п - коэффициенты и показатели степени; _]тс - жесткость ТС. Параметр Из, рассчитывался по формуле:

0,5р(1 - 2т-/ )18ф1£ф1

Из =-^-, (4)

18Ф + 18Ф1

где Та - прочность материала на сдвиг; от - предел текучести обрабатываемого материала; р - радиус скругления режущей кромки.

Среднее значение р для различных материалов детали и инструмента приведено в таблице 1.

Таблица 1

Материал детали сталь сталь сталь 12Х18Н10Т

40Х13 20ХН3А

Материал РИ Т15К6 Т15К6 ВК8

р, мкм 30 25 40

Экспериментально получено выражение, позволяющее определять значения Та, с учетом температуры [3]:

500

^ а =

9,81(exp(a

T + 273 100 + b

(5)

+ c))

где a, b, c - эмпирические коэффициенты (табл. 2)

Таблица 2

Обрабатываемый 40Х13 20ХН3А 12Х18Н10Т

материал

Материал РИ Т15К6 Т15К6 ВК8

а 0,525 0,495 -0,699

b -6,586 -5,986 -7,222

c 1,147 0,968 1,528

Температура Т в зоне резания, как фактор, влияющий на микрогеометрию поверхности, определяется из выражения [2]:

Р

Т = —-a (tS)mVt + 20

103aF "v ' , (6)

где a - коэффициент линейного расширения материала режущего инструмента; F - площадь поперечного сечения инструмента; ав - предел прочности материала инструмента; р, m, t -

коэффициент и показатели степени, зависящие от обрабатываемого материала и материала РИ, значения которых приведены в таблице 3.

Таблица 3

Обрабатываемый Сталь 40Х13 Сталь 20ХН3А Сталь 12Х18Н10Т

материал

Материал РИ Т15К6 Т15К6 ВК8

p 4,5 5,0 5,4

m 0,75 0,72 0,73

t 0,5 0,4 0,35

Параметр высоты профиля hз в основном оказывает влияние на формирование микронеровностей при чистовом и тонком точении, растачивании и торцевом фрезеровании.

Составляющая шероховатости h4, формируется под влиянием микрогеометрии режущей кромки инструмента и имеет вид:

Rzp.кр, (7)

В начальный момент резания (Ь=1000-2000 м) шероховатость быстро меняется, затем ее рост стабилизируется и принимает установившееся равновесное значение Rzp, численная величина которого определяется экспериментально. Значения Я^р.кр приведены в табл. 4.

Таблица 4

Обрабатываемый материал сталь 45 сталь 40Х сталь 20ХН3А сталь 12Х18Н10Т

Материал РИ Т15К6 Т15К6 Т15К6 ВК8

Rzp.кр 0,4 0,6 0,8 0,8

Для случая обработки острозаточенным инструментом (г=0):

Rz =

^ф + ^ф1

Для случая обработки инструментом с радиусом при вершине (г^0):

= г(1 1 - (%г)2)

(8)

(9)

В общем случае для лезвийного резания с режимами, отличными от оптимальных, расчетное выражение для шероховатости имеет вид [2]:

' Pz V

R

tcp@

8г

E

0,1

Pe0'43 sin0,05 а

+ 0,6625

FD0,3E0,17^2

(10)

Pesin0,165 а

где Pz - сила резания; 0 - температура, соответствующая силе Pz; Ре - критерий Пекле, который определяет степень влияния режимных условий процесса по сравнению с влиянием теплофизических свойств обрабатываемого материала:

Ре = V^, (11)

a

где V - скорость резания; ai - толщина стружки; а - коэффициент температуропроводности обрабатываемого материала; F - критерий, отражающий влияние геометрии инструмента и отношение теплопроводности инструментального и обрабатываемого материала:

А pPs

F = (12)

А

где Ар - коэффициент теплопроводности материала РИ; А - коэффициент теплопроводности обрабатываемого материала; Р - угол заострения резца

Р = |- (а + у), (13)

где у, а - передний и задний угол; s - угол при вершине резца в плане

Л г

s=2~ (Ф + Ф1), (14)

где ф, ф1 - главный и вспомогательный углы в плане; D - критерий, характеризующий геометрию сечения среза:

d=a-, (15)

b1

a1, b1 - толщина и ширина среза; ср - удельная объемная теплоемкость обрабатываемого материала.

По итогам обработки экспериментальных данных получена зависимость шероховатости от режимов резания:

R = CV-aSp а у0А (16)

Значения коэффициентов и показателей степени для различных материалов приведены в таблице 5.

Таблица 5

Материал детали С1 Р у А a

Сталь 40Х13 0,97 0,46 0,23 0,16 0,28

Сталь Х18Н10Т 1,13 0,43 0,23 0,13 0,33

Сталь У8А 0,88 0,38 0,21 0,16 0,31

Основываясь на результатах проведенных исследований, можно сделать следующие выводы:

1. Предложенный экспериментально-аналитический метод определения шероховатости дает возможность выявить наиболее значимые частотные составляющие, формирующие профиль и источник их возникновения.

2. Воздействие теплоты на поверхностный слой заготовки вызывает существенное повышение пластичности материала, что способствует точному копированию профиля резца.

3. Профиль поверхности детали характеризуется преобладанием периодической составляющей, что позволяет управлять процессом формообразования.

ЛИТЕРАТУРА

1. Насад Т.Г., Васин А.Н., Казинский А.А., Игнатьев А.А., Изнаиров Б.М., Козлов Г.А., Тихонов Д.А., Самойлова Е.М., Решетникова О.П., Глушкова Ю.О., Давиденко О.Ю., Мелентьев В.А. Управление качеством поверхности деталей машиностроения //СТИН. 2018. Вып. № 7. С. 30-32.

2. Насад Т. Г. Износ лезвийного инструмента при высокоскоростной обработке с дополнительным тепловым воздействием / Т. Г. Насад // Вестник СГТУ. 2005. № 1(6). С. 80-84.

3. Насад Т. Г. Теплофизические аспекты гибридных технологий / Т. Г. Насад, К.Т. Шеров, И.П. Насад // Вестник СГТУ. 2020. № 1(84). С. 47-52.

4. Babenko M.G., Samoylova E M, Slesarev S.V., Vinogradov M.V., Davidenko O.Yu., Melentiev V.A., Bokova L.G., Gorbachev V.O. The mechanism study for changing the precision parts dimensional accuracy such as bearing rings Krasnoyarsk, 2021. С. 52025.

5. Benefits of high-speed milling Kiryushin I.E., Kiryushin D.E., Nasad T.G., Venig S.B. Russian Engineering Research. 2012. Т. 32. № 1. С. 48-49.

6. Nasad T.G., Kochetkov A.V. Highly efficient methods of machining titanium for oil-gas drilling equipment. Chemical and Petroleum Engineering. 2016. Т. 52. № 3. С. 227-230.

7. Surface-layer quality after high-speed turning of hard material Kiryushin I.E., Kiryushin D.E., Venig S.B., Nasad T.G., Stepanova M.O., Terin D.V. Russian Engineering Research. 2014. Т. 34. № 6. С. 423-424.