CC BY
1
Машиностроение и машиноведение
ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ ВИБРАЦИОННОГО ТОЧЕНИЯ НА СТОЙКОСТЬ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА Кудинов Егор Алексеевич, студент Владимиров Александр Андреевич, к.т.н., доцент кафедры ТОММ
Макаров Алексей Владимирович, к.т.н., доцент, зав. кафедры ТОММ Старооскольский технологический институт им. А.А. Угарова (филиал) Национального исследовательского технологического университета "МИСИС",Старый Оскол, Российская Федерация
В данном исследовании рассматривался процесс токарной обработки образцов с наплавленными поверхностями методом вибрационного точения. Приводятся результаты измерений шероховатости поверхностей и значений абсолютного износа режущих пластин. Представлены фотографии полученных после обработки кромок режущих инструментов. На основании результатов практических экспериментов построены графики зависимостей абсолютного износа инструмента от амплитудно-частотных параметров процесса обработки. Приведены рекомендации по назначению амплитудно-частотных параметров вибрационного точении для различных случаев применения таких микрогеометрий поверхности.
Ключевые слова: наплавленные поверхности, вынужденные колебания, абсолютный износ инструмента, график поверхности, механическое разрушение.
Введение
Для изготовления современных машин и механизмов применяются материалы с различными физико-механическими свойствами, позволяющие таким изделиям использоваться более длительный период и повысить их дополнительные эксплуатационные характеристики. Обратной стороной таких материалов является их труднообрабатываемость резанием.
Для обработки материалов этих классов применяют современные способы механических обработок - например вибрационная обработка резанием, одним из множества методов этого направления является вибрационное точение с вынужденными тангенциальными колебаниями маятникового типа.
Этот метод позволяет повысить период стойкости за счет особенностей движения режущего инструмента в процессе механической обработки. Во время вибрационного точения вершина режущей кромки периодически выходит из зоны контакта с обрабатываемой заготовкой, что сопровождается снижением температур в зоне резания и на поверхности режущего инструмента. Целью проведения исследования является определение опти-
мальных значений амплитудно-частотных параметров процесса вибрационного точения образцов с наплавленным на них покрытием.
Основная часть
Механическая обработка резанием, с использованием этого метода заключается в приложении к режущему инструменту контролируемых колебаний с заданными диапазонами частот и амплитуд.
~о
о
Рисунок 1 - Схема колебаний режущего инструмента А) - нижнее положение инструмента, Б) - нейтральное положение инструмента, В) - верхнее положение инструмента, Г) - нижнее положение инструмента, после образования профиля канавки
На рис. 1 представлена схема колебаний инструмента, на которой представлены 4 положения инструмента: А) - нижнее (холостой ход),
Б) - нейтральное (нулевое положение инструмента), В) - верхнее (рабочих ход) и Г) - нижнее, после образования профиля канавки. Центром колебаний является точка закрепления инструмента в вибрационной установке.
Таблица 1 - Химический состав наплавленного материала
Название химического элемента Сг(хро м) V (ванадий) Мо(молибде н) Мп(маргане ц) '(вольфра м)
Процентное содержание, % 6,5 1,1 1,5 2,0 2,6
В качестве образцов для практических экспериментов были валы из стали 20Х13 с наплавленным слоем из проволоки ASM 4603, со средней измеренной твердостью на поверхности HRC 51-54. Нанесенное на образцы покрытие имеет химический состав, представленный в таблице 1.
Таблица 2 - Режимы обработки вибрационного точения и численные _значения параметров обработанных поверхностей_
№ п/п. Шифр эксперимента Скорость резания V м/мин. Глубина резания t, мм. Частота колебаний инструмента f, Гц. Амплитуда колебаний инструмента А, мкм. Продольная подача инструмента S, мм/об. Шероховатость поверхности Яа, мкм Абсолютный износ пластины, г.
1 Э.3.1. 0,057 1,0 <0,05
2 Э.4.1. 50 0,11 0,95 <0,05
3 Э.5.1. 0,2 1,0 <0,05
4 Э.6.1. 24 0,057 0,95 <0,05
5 Э.7.1. 100 0,11 0,65 0,05
6 Э.8.1. 0,2 1,2 0,1
7 Э.9.1. 0,057 1,1 0,05
8 Э.10.1. 150 0,11 1,1 0,05
9 Э.3.2. 0,2 1,8 0,05
10 Э.4.2. 0,057 1,25 0,05
11 Э.5.2. 50 0,11 1,35 0,1
12 Э.6.2. 0,2 2,45 <0,05
13 Э.7.2. 0,5 0,057 0,75 0,1
14 Э.8.2. 70 48 100 0,11 0,9 0,05
15 Э.9.2. 0,2 0,9 0,05
16 Э.10.2. 0,057 0,85 0,1
17 Э.11.1. 150 0,11 0,75 0,05
18 Э.12.1. 0,2 0,9 0,1
19 Э.13.1. 0,057 0,7 0,15
20 Э.14.1. 50 0,11 0,7 0,1
21 Э.15.1. 0,2 1,1 0,05
22 Э.16.1. 72 0,057 0,75 0,1
23 Э.17.1. 100 0,11 0,85 0,1
24 Э.18.1. 0,2 0,85 0,3
25 Э.11.2. 0,057 1,1 0,2
26 Э.12.2. 150 0,11 1,0 0,1
27 Э.13.2. 0,2 1,2 <0,05
Для обработки наплавленных поверхностей при помощи вибрационного резания были проведены предварительные эксперименты для определения постоянных режимов резания, и на их основании выбирались диапазоны амплитудно-частотных параметров процесса обработки.
При проведении экспериментов после обработки поверхностей образцов с помощью профилометра измерялись шероховатости их поверхностей, а с помощью лабораторных весов измерялись массы режущих пластин после каждого прохода режущего инструмента.
Значения полученных шероховатостей поверхностей и абсолютных из-носов пластин отображены в таблице 2, в соответствии с каждым режимом обработки.
После исследования и расчета средних значений абсолютных износов каждой режущей пластины, каждая из них фотографировалась при помощи цифрового микроскопа и500Х с увеличением изображения в 40 раз.
Ниже приводятся рисунки износа режущих пластин после проведения практических экспериментов. На рисунках представлены износы пластин, обработавших образцы с разными амплитудно-частотными параметрами процесса вибрационного точения.
Рисунок 2. А - Износ пластины после Рисунок 2.Б - Износ пластины после обработки 1 режимом обработки, обработки 15 режимом обработки, вид сбоку вид сбоку
Рисунок 2.В - Износ пластины после Рисунок 2.Г - Износ пластины после обработки 19 режимом обработки, обработки 24 режимом обработки, вид сбоку вид сбоку
На рисунке 2. А показана режущая пластина после механической обработки образца 1 режимом вибрационного точения. Как видно на рисунке величина изношенной зоны на пластине небольшая и располагается у вершины пересечения кромок пластины.
На рисунке 2.Б изображены фото режущей пластины после обработки 15 режимом обработки. После обработки образца этим режимом расширилась зона изношенной кромки и увеличилась впадина в месте контакта вершины пластины с обрабатываемой заготовкой.
Рисунок 2.В представляет фотографию режущей кромки пластины после эксперимента с 19 режимом обработки. Абсолютный износ на ней проявился в виде образования бороздки, распространяющейся на две режущие кромки.
На рисунке 2.Г изображена фотография режущей пластины после проведения эксперимента на 24 режиме обработки. Наблюдается значительное изменение геометрии режущих кромок пластины вследствие появления бороздки, а за ней и скалывания части материала граней.
Для поиска оптимальных значений параметров вибрационного точения, полученные значения износа были проанализированы в виде ЭБ-графика поверхности в программе МЛТЬЛВ. Графики были построены для каждого значения продольной подачи.
¡0.18 -0.165 0.14 -
I
Iе-»-
к о.ми
5 0(М ,
X И.£Т01 У 0.7? 7в0»5
Амплигудо капгбмннн мяришмы ригртцаш тсгрумантя А ига
Частота нзлебамий вершины ремущегй инструмента Г, Гц
Рисунок Э - График поверхности значений износа режущих пластин при продольной подаче инструмента Б = 0,057 мм/об
На рисунке Э представлен график значений износа режущий пластин после обработки с продольной подачей 0,057 мм/об. Из данного графика очевидно, что значения абсолютного износа увеличиваются пропорционально
увеличению амплитудно-частотных параметров, и имеют максимальное значение 0,2 грамма, в диапазоне средних значений этих параметров износ стремится к нулю и составляет около 0,05 грамм.
На рисунке 4 представлен график значений абсолютного износа при значении продольной подачи Б = 0,11 мм/об. Значения износа режущих пластин на этом графике разделились на две зоны: более 0,05 грамм и менее. Следовательно, производить механическую обработку на подаче 0,11 мм/об допускается с ограничениями амплитудно-частотных параметров в диапазоне частоты колебаний Г не более 50 Гц и амплитуды колебаний не более 70 мкм, в отдельных случаях не более 110 мкм.
0.02 0.03 0Й4 0.03 0.М 0.07 0.М 0.09 011
^— I I II
х о.ьоь
У ».71«
го.ом*
Амплитуда килобит« мцшины рпжущога инструмента А.мюл
Частота юлеОэнмй вершины режущие инструмента 1, Гц
Рисунок 4 - График поверхности значений износа режущих пластин при продольной подаче инструмента Б = 0,11 мм/об
График поверхности, представленный на рис. 5, построен для значений абсолютных износов при обработке с подачей 0,2 мм/об. Как видно из графика максимальные значения износа наблюдаются при максимальной частоте колебаний - 72 Гц и диапазоне значений амплитуды 90 - 130 мкм. Следовательно, эти значения амплитудно-частотных параметров не рекомендуются для обработки наплавленных покрытий с твердость более 50 ИЯС.
х 1.013
V <K7Î
Рисунок 5 - График поверхности значений износа режущих пластин при продольной подаче инструмента S = 0,2 мм/об
Заключение
После практических экспериментов по обработке образцов с наплавленным слоем проволокой марки ASM 4603 с помощью метода вибрационного точения были получены значения абсолютных износов режущих кромок пластин для каждой комбинации режимов вибрационного резания.
Значения износа находились в диапазоне 0,05 - 0,3 грамм от общей массы режущей пластины. Превышение допустимых значений амплитудно-частотных параметров процесса вибрационного точения способствовало скалыванию режущей кромки пластины.
На основании взвешивания режущих пластин после экспериментов были получены значения абсолютного износа для каждого режима резания. Составлены рекомендации по выбору оптимальных амплитудно-частотных параметров в виде графиков поверхностей. При анализе которых можно сделать выводы о том, что обработка на продольной подаче 0,11 мм/об не рекомендуется, значения износа при подаче 0,057 мм/об были минимальными, а использование подачи 0,2 мм/об возможно при необходимости увеличения производительности процесса механической обработки изделий или для получистовой обработки с невысокими требованиями к конечной шероховатости поверхности на промежуточных этапах обработки.
Список литературы
1. Balla Srinivasa Prasad, M. Prakash Babu Correlation between vibration amplitude and tool wear in turning: Numerical and experimental analysis // Engineering Science and Technology, an International Journal. Volume 20, Issue 1, February 2017. pp. 197-211.
2. E. O. Ezugwu, "Key improvements in the machining of difficult-to-cut aerospace superalloys," International Journal of Machine Tools and Manufacture, vol. 45, no. 12-13, pp. 1353-1367, 2005.
3. JayAirao, Chandrakant K.Nirala Finite element modeling of ultrasonic assisted turning with external heating // Procedia CIRP Volume 102, 2021. pp. 61-66.
4. R. S. Pawade, S. S. Joshi, P. K. Brahmankar, and M. Rahman, "An investigation of cutting forces and surface damage in high-speed turning of Inconel 718," Journal of Materials Processing Technology, vol. 192, pp. 139-146, 2007.
5. Shuvam Mohapatra1, Amlana Panda1, Ramanuj Kumar1 and Ashok Kumar Sahoo Recent Trends and Future Perspectives on Vibration Assisted Turning: A Brief Review // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, Volume 653. 15-19 March 2019.
6. Rudranarayana Kandi, Susanta Kumar Sahoo & Ananda Kumar Sahoo Ultrasonic vibration-assisted turning of Titanium alloy Ti-6Al-4V: numerical and experimental investigations // Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering volume 42, Article number: 399. 2020.
7. M.Siddhpura, R.Paurobally A review of chatter vibration research in turning // International Journal of Machine Tools and Manufacture Volume 61, October 2012. pp. 27-47.
8. Zhao Haidong, Zou Ping , Ma Wenbin, Zhou Zhongming A Study on Ultrasonic Elliptical Vibration Cutting of Inconel 718// Hindawi Publishing Corporation Shock and Vibration Volume 2016. pp. 11-22
9. Богданов К. А. Исследование влияния ультразвуковых колебаний на шероховатость поверхности при электроэрозионной обработке // Вестник Московского авиационного института. 2021. Т. 28. № 1. С. 187-199.
10. Гирин А. М., Поволяев С. Т. Исследование свободных колебаний цилиндрических оболочек переменной жесткости // Вестник Московского авиационного института. 2013. Т. 20. № 4. С. 186-190.
11. Гаркунов Д.Н. Триботехника: учебное пособие / Д.Н. Гаркунов, Э.Л. Мельников, В С. Гаврилюк. — 2-е изд., стер. — М.: КНОРУС, 2013. — 38-46 с.
12. Корендясев Г. К. О конечно-элементном моделировании процесса обработки металлов резанием (часть 2) // Вестник научно-технического развития. 2015. № 3 (91). С. 14 - 24.
13. Кудинов Е.А. Транспортное машиностроение/ К вопросу о моделировании опережающей трещины при виброточении/ Владимиров А.А., Макаров А.В., Шаповалов А.И. // Научно-технический журнал "Транспортное машиностроение" Том 2022 № 3 (3), Брянск, март 2022 г. - Брянск: Брянский государственный технический университет, 2022 г. С. 5 - 11.
14. Кудинов Е.А., Владимиров А. А., Шаповалов А.И., Макаров А.В. Машиностроительные технологические системы/ Влияние параметров вибрационного точения на качество обработанных поверхностей// Сборник трудов Международной научно-технической конференции, Ростов-на-Дону: Донской государственный технический университет, 26-29 мая 2022 г. С. 103-108.
15. Кудинов Е.А., Владимиров А.А., Макаров А.В., Шаповалов А.И. Финишная обработка поверхности методом вибрационного точения// Сборник трудов X Международная начно-практическая конференция "Современные проблемы теории машин",Санкт-Питербург:НИЦ МС, 2022. - №13, 02.июня 2022 г. С. 94-96.
16. Моисеев К. А. О резонансных колебаниях нелинейных систем // Вестник Московского авиационного института. 2009. Т. 16. № 4. С. 139-146.
17. Пегашкин В. Ф. Определение условий образования регулярного микрорельефа поверхностного слоя детали при УВКК / В. Ф. Пегашкин, Г. А. Осипенкова, Н. Ю. Ку-кина. - Вестник машиностроения. - № 1. - 2004.-С.57-59.
18. Рыбаулин А. Г., Сидоренко А. С. Напряженное состояние и ресурс конструкции с дискретными сварными соединениями при стационарных случайных колебаниях // Вестник Московского авиационного института. 2016. Т. 23. № 2. С. 125-137.
19. Сергиев А. П. Исследование оптимального соотношения параметров колебаний при вибрационном резании [Текст] / А. П. Сергиев, Е. Г. Швачкин // Вестник машиностроения. - 2004. - № 5. - С. 49 - 53.
20. Шнейдер Ю.Г. Эксплуатационные свойства деталей с регулярным микрорельефом. - Л.: Машиностроение, 1982. - 240 с.
21. Шорр Б. Ф., Буюкли Т. В., Шорстов В. А., Бортников А. Д., Сальников А. В., Фролов В. Н., Серебряков Н. Н. Развитие метода расчета вынужденных колебаний лопаток турбомашин типа «БЛИСК» // Вестник Московского авиационного института. 2018. Т. 25. № 1.
Kudinov Egor Alekseevich, student. (ekudinov81@gmail.com)
Vladimirov Alexandr Andreevich, Ph.D. tech. Sciences, Associate Professor, Department of TOMM.
(vladimirov.al.an@yandex.m)
Makarov Alexey Vladimirovich, Ph.D. tech. Sciences, Associate Professor, Head. Department of TOMM. (makarov.av@mail.ru)
Stary Oskol Technological Institute named after. A.A. Ugarova (branch) of the National Research Technological University "MISIS" (Stary Oskol, Russian Federation) INFLUENCE OF VIBRATION TURNING PARAMETERS ON THE DURABILITY OF CUTTING TOOLS
Abstract This study examined the process of turning samples with deposited surfaces using the vibration turning method. The results of measurements of surface roughness and absolute wear of cutting inserts are presented. Photographs of the cutting tool edges obtained after processing are presented. Based on the results of practical experiments, graphs of the dependence of absolute tool wear on the amplitude-frequency parameters of the machining process were constructed. Recommendations are given for assigning amplitude-frequency parameters of vibration turning for various cases of application of such surface microgeometries.
Keywords: deposited surfaces, forced vibrations, absolute tool wear, surface graph, mechanical destruction.
