Geum.ru
Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим специальностям

На правах рукописи

Ингеманссон Александр Рональдович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТОЧЕНИЯ ТРУДНООБРАБАТЫВАЕМЫХ СТАЛЕЙ ФЕРРИТНОГО, МАРТЕНСИТНО-ФЕРРИТНОГО И МАРТЕНСИТНОГО КЛАССОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ОПЕРЕЖАЮЩЕГО ПЛАСТИЧЕСКОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ

05.02.07. - Технология и оборудование механической и физико-технической обработки

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Волгоград - 2012

Работа выполнена на кафедре Технология машиностроения в Волгоградском государственном техническом университете.

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Полянчиков Юрий Николаевич.

Официальные оппоненты: Плотников Александр Леонтьевич доктор технических наук, профессор, Волгоградский государственный технический университет, профессор кафедры Автоматизация производственных процессов;

Пушкарев Олег Иванович доктор технических наук, доцент, Волжский институт строительства и технологий (филиал) Волгоградского государственного архитектурно- строительного университета, профессор кафедры Технология машиностроения и стандартизация.

Ведущая организация ОАО ВНИИТМАШ, г. Волгоград.

Защита состоится 17 апреля 2012 г. в 10.00 на заседании диссертационного совета Д 212.028.06 в Волгоградском государственном техническом университете по адресу: 400005, г. Волгоград, проспект им. В.И. Ленина, д. 28, ауд. 209.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Волгоградского государственного технического университета.

Автореферат разослан л11 марта 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Быков Юрий Михайлович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

В современных экономических условиях технологические процессы машиностроительного производства должно отличаться высоким уровнем эффективности. На сегодняшний день механическая обработка материалов остается доминирующим методом формообразования поверхностей. В частности, точение является главным способом изготовления деталей типа тел вращения.

Объектом настоящего исследования является точение труднообрабатываемых коррозионно-стойких хромистых и сложнолегированных сталей ферритного, мартенситно-ферритного и мартенситного классов, которые применяются для изготовления деталей, работающих в условиях ударных нагрузок, в среде газов, агрессивных сред, повышенных (до 800С) и пониженных температур.

Процесс точения данных материалов отличается значительной температурносиловой напряженностью, осложненной высокочастотной цикличностью стружкообразования, что обусловливает пониженную работоспособность инструмента, качество обработки и производительность операций. Повышение эффективности точения данных труднообрабатываемых сталей предполагается за счет обеспечения повышения работоспособности режущего инструмента, производительности процесса и качества получаемых поверхностей.

Для решения задач, стоящих перед диссертационным исследованием, используется способ точения с опережающим пластическим деформированием (ОПД) по обрабатываемой поверхности [Патент РФ №2399460]. Комбинированные методы резания с ОПД характеризуются наличием резервов существенного повышения эффективности механической обработки, при этом они не требуют специальных мер по обеспечению безопасности труда.

Исследование способа точения с ОПД по обрабатываемой поверхности является актуальной задачей, решение которой направлено на обеспечение возможности практического применения способа резания и расширения научной базы для совершенствования комбинированной обработки. На сегодняшний день имеется опыт изучения резания с ОПД, однако существует ряд аспектов, требующих либо углубленного исследования, либо не рассматривавшихся ранее. Необходимо определить характер физических явлений, протекающих в зоне резания при применении ОПД и установить резервы повышения эффективности обработки, выявить условия наибольшего повышения обрабатываемости сталей, разработать математическую модель, позволяющую прогнозировать прирост эффективности точения от применения ОПД и предложить практические рекомендации по точению с ОПД.

Цель работы.

Повышение работоспособности режущего инструмента, производительности обработки и качества обработанных поверхностей при точении труднообрабатываемых сталей ферритного, мартенситно-ферритного и мартенситного классов с использованием ОПД.

Поставленная цель достигается решением следующих задач:

1. Исследование физических основ повышения эффективности обработки точением при использовании ОПД;

2. Установление условий наиболее рационального ведения обработки точением с ОПД;

3. Определение условий резания, способствующих повышению работоспособности режущего инструмента при точении с ОПД;

4. Исследование направлений повышения производительности обработки при точении с ОПД;

5. Исследование особенностей процесса повышения качества обработанной поверхности при точении с ОПД;

6. Разработка математической модели формирования шероховатости обработанной поверхности при традиционном точении и точении с ОПД;

7. Разработка практических рекомендаций, направленных на реализацию повышения эффективности обработки точением при использовании ОПД.

Методы и средства исследования.

Теоретические исследования выполнялись с использованием современных положений теории резания материалов, обработки поверхностным пластическим деформированием (ППД), технологии машиностроения, механики разрушения и физики твердого тела, статистического анализа и методик математического моделирования.

Экспериментальные исследования проводились на основе планирования экспериментов с применением спроектированной и изготовленной технологической оснастки для точения с ОПД по обрабатываемой поверхности и современных средств исследования процесса резания.

Научная новизна работы.

1. Установлены особенности физических процессов, протекающих в зоне резания, способствующие повышению эффективности точения при применении ОПД.

2. Установлены закономерность изменения теплопроводности обрабатываемого материала, подвергнутого ОПД, и ее влияние на характер физических процессов в зоне резания.

3. Установлены закономерности изменения эффективности точения с ОПД обрабатываемой поверхности в зависимости от условий и режимов обработки.

4. Разработана математическая модель формирования шероховатости получаемой поверхности при традиционном точении и точении с ОПД по обрабатываемой поверхности.

5. Установлено повышение эксплуатационных характеристик выпускаемой продукции при точении с ОПД по сравнению с традиционным резанием, обусловленное уменьшением накопленной скрытой энергии деформирования, относительной деформации кристаллической решетки и напряжений II рода в поверхностном слое деталей.

Практическая ценность.

1. Спроектировано и изготовлено двухроликовое приспособление для точения с ОПД по обрабатываемой поверхности, позволяющее выполнять деформирование в широком диапазоне рабочих усилий.

2. Разработана математическая модель, описывающая закономерности формирования шероховатости при точении с ОПД по обрабатываемой поверхности и традиционном точении, позволяющая прогнозировать получаемую величину среднего арифметического отклонения профиля Ra, определять прирост эффективности процесса резания при использовании ОПД и вносить соответствующие коррективы в базовый технологический процесс, в том числе на этапе проектирования. На базе математической модели создана программа для ЭВМ для расчета величины параметра Ra поверхности, обработанной традиционным точением и точением с ОПД.

3. Разработаны практические рекомендации, позволяющие реализовать повышение эффективности точения при использовании ОПД.

Апробация работы.

Основные положения работы представлялись на XIII-XVI регион. конф.

молодых исслед. Волгоградской обл. (ВолгГТУ, Волгоград, 2008-2011), II МНТК Теплофиз. и технол. аспекты управ. качеств. в машиностр. (ТГУ, Тольятти, 2008), МНК Производственные технологии (Рим, Флоренция, Италия, 2008, 2010), 46-49ой внутривуз. НК ВолгГТУ (Волгоград, 2009-2012), МНК Молодая наука ХХI века (ДГМА, Краматорск, Украина, 2010), ВНТК Методы повыш. технол. возмож. металлобраб. оборуд. с ЧПУ (УГАТУ, Уфа, 2010), МНТК Автомобиле- и тракторостр-е в России: приоритеты разв-я и подготов. кадров (МГТУ МАМИ, Москва, 2010).

Публикации.

Основные материалы диссертации опубликованы в 21 печатной работе, в том числе, в одной монографии, девяти изданиях, рекомендованных ВАК, и трех зарубежных. Получены патент РФ на изобретение и свидетельство РФ о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Реализация результатов работы.

Результаты исследования приняты к внедрению в ОАО ПО Баррикады (г. Волгоград). Прогнозируемый годовой экономический эффект составляет 180000 рублей.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, выводов по работе и списка использованной литературы. Работа содержит 209 страниц машинописного текста, 75 рисунков, 27 таблиц, список использованной литературы, включающий 169 наименований (из них 29 зарубежных).

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационного исследования в связи с необходимостью комплексного повышения эффективности современной механической обработки, описаны сложности отличающие точение труднообрабатываемых сталей ферритного, мартенситно-ферритного и мартенситного классов, описаны проблемы, стоящие перед настоящим исследованием.

В первой главе выполнен анализ способов повышения эффективности обработки металлов резанием и способов обработки резанием с ОПД.

Проанализированы современные тенденции увеличения эффективности технологических средств осуществления процесса резания (станочного оборудования, режущих инструментов, технологической оснастки).

Представлены аспекты оптимизации и автоматизации процесса резания как средств повышения эффективности обработки.

Выполнен обзор направлений интенсификации процессов механической обработки (высокопроизводительные процессы резания, процессы резания с особыми кинематическими и физическими схемами обработки, комбинированные методы обработки резанием).

Показано, что процесс интенсификации обработки резанием ведется в направлении изменения характера приложения механического воздействия на срезаемый слой, использования химических, электрических и тепловых видов воздействия, а также применения комбинированных методов обработки, основанных на совмещении механического, теплового, химического и электрического воздействий. Главные задачи подобных изысканий - повышение работоспособности режущего инструмента, качества и производительности обработки.

Рассмотрены работы отечественных и зарубежных исследователей посвященные применению ОПД при резании. Установлено, что использование ОПД позволяет повысить технологическую и экономическую эффективность обработки. Определены области, требующие исследования.

Сформулированы цель и задачи работы.

Во второй главе описана методика проведения экспериментальных исследований.

Обработка выполнялась на токарно-винторезном станке модели 1М63.

В качестве обрабатываемых материалов использовались коррозионностойкие хромистые и сложнолегированные стали ферритного, мартенситноферритного и мартенситного классов. В качестве главных представителей применялись стали 20Х13, 14Х17Н2 и 13Х11Н2В2МФ.

Использовались твердосплавные режущие сменные многогранные пластины (СМП) тригональной формы: WNUM 080408 - российского производства и WNMG 080408-TF - производства фирмы Iscar (Израиль); =95, 1=5, =0.

Использовались непокрытые СМП их твердых сплавов ВК6, Т15К6, Т5К10, ТТ7К12, ТН2О. В качестве представителя режущих инструментов с износостойкими покрытиями применялся сплав IC9250 (лIscar) с трехуровневым покрытием (TiCNAl2O3TiN), нанесенным химическим способом (CVD).

Для осуществления ОПД по обрабатываемой поверхности спроектировано и изготовлено двухроликовое приспособление для обкатывания. Конструкция позволяет выполнять ОПД и резание одновременно и поэтапно в широком диапазоне рабочих усилий. Для определения режима ОПД автором предложена характеристика комбинированной обработки - коэффициент ОПД:

hнак КОПД, (1) t где hнак - глубина наклепанного поверхностного слоя, созданного ОПД, мм;

t - глубина резания, мм.

Выполнялось определение усадки стружки, частоты цикличности стружкообразования. Получение и исследование корней стружек производилось по методике, разработанной научной школой резания металлов проф. Н. В. Талантова.

Для исследования микротвердости использовался микротвердомер ПМТ-3.

Измерение составляющих силы резания производились посредством динамометра модели DKM 2010 (лTeLC, Германия), интегрированного с ПК. Температурная напряженность процесса резания оценивалась посредством регистрации цифровым осциллографом PCS500 (лVelleman instruments, Тайвань) термоЭДС естественной термопары режущий инструмент-заготовка и фиксации температуры твердосплавной СМП методом искусственной термопары. При исследованиях изменения теплопроводности металла, подвергнутого ОПД, использовался прибор для измерения теплопроводности КИТ-02Ц.

Исследование параметров микрогеометрии обработанной поверхности выполнялось при помощи профилографа-профилометра Абрис-ПМ7, интегрированного с ПК. Изучение изнашивания СМП выполнялось на инструментальном микроскопе БМИ-1. Рентгенографические исследования поверхностного слоя обработанных деталей производились при помощи дифрактометра ДРОН-3.

В третьей главе приведены результаты исследования характера физических процессов, протекающих в зоне резания, при точении с ОПД.

а) б) а) традиционное точение; б) точение с ОПД (КОПД=1,2) Рисунок 1 - Корни циклических стружек (Сталь 14Х17Н2 - твердый сплав ВК6; t=1мм; v=90м/мин; sо=0,256мм/об) ОПД создает у поверхности обрабатываемой детали упрочненный слой определенной глубины и степени наклепа, характеризующийся большей плотностью несовершенств кристаллической решетки по сравнению с материалом в исходном состоянии. Отсюда следует, что частицы металла, поступающие в зону опережающего упрочнения, создаваемую режущим инструментом, обладают повышенной величиной деформации. Поэтому уменьшение величины работы (энергетических затрат), направленной на зарождение, продвижение дислокаций и доведение их плотности вблизи кромки лезвия до значения, соответствующего разрушению, обусловливает снижение интегральной суммы напряжений, действующих в зоне опережающего упрочнения при резании с ОПД по сравнению с традиционной обработкой.

При использовании ОПД в области стружкообразования и упрочнения зоны контактного пластического деформирования (КПД) поступает металл, обладающий меньшей пластичностью по сравнению со случаем обычного резания.

Кроме этого, имеет место ослабление уровня напряжений в зоне первичных деформаций. Представленные изменения ослабляют распространение области упрочнения КПД по высоте и по длине, а также обусловливают снижение уровня упрочненности объемов зоны вторичных деформаций и сопротивления деформированию. Например, для условий обработки, соответствующих рисунку 1, средняя микротвердость в контактной зоне при точении с ОПД снизилась на 20% по сравнению с традиционным точением.

Снижение сопротивления пластическому деформированию определяет уменьшение мощности источника тепловыделения в зоне резания при обработке с ОПД. Исследования, посвященные определению теплопроводности металла подвергнутого ОПД, установили сокращение величины данной характеристики до 50% по сравнению с материалом в исходном состоянии. В условиях ослабления мощности источника тепловыделения концентрация тепла в плоскостях скольжения способствует более активному развитию разупрочнения деформированных объемов при общем уменьшении температуры резания при обработке с ОПД по сравнению с традиционным точением, что в совокупности с описанными ранее положениями обусловливает облегчение контактного течения прирезцовых слоев стружки.

Установленный характер протекания физических процессов при обработке с ОПД способствует увеличению значений угла сдвига и снижению коэффициента продольной усадки стружки по сравнению с традиционным точением, что свидетельствует об улучшении параметров лезвийного резания. Например, при точении стали 13Х11Н2В2МФ инструментом из ВК6 (t=0,5мм; v=135м/мин;

sо=0,147мм/об) для традиционной обработки =23, а для обработки с ОПД (КОПД=1,6) - =29.

Описанные явления способствуют снижению тангенциальной PZ, осевой PX и радиальной PY составляющих силы резания в среднем на 15-20% при точении с ОПД по сравнению с традиционным точением.

Зависимость изменения температурно-силовой напряженности точения от характера ОПД обрабатываемой поверхности отличается немонотонностью с существованием двух принципиально отличающихся видов воздействия ОПД (рисунок 2). На первом участке (КОПД=03,2 (рисунок 2а); КОПД=02 (рисунок 2б)) с ростом коэффициента КОПД происходит снижение температурно-силовой эффект.max напряженности резания до определенной точки-экстремума - К, соответОПД ствующей максимальному снижению силы и температуры резания. На данном этапе увеличение степени предварительной деформации, сообщаемой поверхностному слою заготовки, обусловливает уменьшение работы, затрачиваемой инструментом на доведение объемов металла до разрушения у кромки лезвия.

Дальнейшее увеличение КОПД приводит к качественному изменению процесса обработки. Возрастание степени предварительного упрочнения приводит к уменьшению положительного влияния по уменьшению работы пластического деформирования и, напротив, способствует увеличению сопротивления обрабатываемого тела внедрению режущего клина в зоне первичного и вторичного взаимодействия и, следовательно, росту тепловыделения и сил резания.

а) б) а.) Тангенциальная PZ, радиальная PY и осевая PX составляющие силы резания (Сталь 20Х13 - твердый сплав ТН20; t=0,5мм; v=135м/мин; sо=0,147мм/об);

б.) ТермоЭДС процесса резания (Сталь 20Х13 - твердый сплав Т15К6; t=1мм;

v=90м/мин; sо=0,256мм/об) Рисунок 2 - Закономерности изменения температурно-силовой напряженности точения от величины КОПД (При КОПД=0 - традиционное точение) Точение с ОПД обрабатываемой поверхности обусловливает определяющее эффект.max влияние глубины резания на величину К. Закон изменения функции ОПД эффект. max К от глубины резания характеризуется нелинейностью - с увеличением ОПД эффект.max глубины резания необходимое значение К уменьшается, соответственно, ОПД сокращается интенсивность необходимого увеличения усилия деформирования на стадии ОПД, что является благоприятным аспектом при осуществлении последнего методами ППД. Снижение пластичности обрабатываемого материала в эффект.max исходном состоянии определяет уменьшение значения К вследствие ОПД снижения способности металла накапливать деформацию.

При обработке с ОПД установлено уменьшение значений среднего коэффициента усадки стружки по сравнению с традиционным точением. В условиях циклического стружкообразования это свидетельствует об увеличении начального значения угла сдвига и, соответственно, сокращении амплитуды колебаний фронта сдвига между начальным и конечным положениями, что обеспечивает уменьшение отрицательного влияния повторяющихся актов изменения параметров процесса резания на работоспособность лезвий и качество обработки.

Использование ОПД обеспечивает снижение температуры резания по сравнению с традиционным точением, что обусловливает ослабление интенсивности развития неустойчивости на конечной границе фронта сдвига, выражаемое уменьшением частоты цикличности стружкообразования fЦ. Данное условие обеспечивает повышение эффективности процесса точения, в том числе увеличение работоспособности режущего инструмента. Например, для условий обработки, соответствующих рисунку 1, при традиционном точении fЦ=1,39кГц, а при точении с ОПД - fЦ=1,11кГц. Для v=180м/мин при традиционном точении fЦ=6,6кГц, а при точении с ОПД - fЦ=6,06кГц. Повышение скорости резания способствует снижению величины уменьшения fЦ при обработке с ОПД по сравнению с традиционным точением. Точение сталей, отличающихся бльшим значением fЦ, характеризуется снижением величины уменьшения fЦ при использовании ОПД. При обработке с ОПД режущим инструментом с износостойкими покрытиями установлено заметно большее сокращение fЦ по сравнению со случаем точения непокрытыми лезвиями.

В четвертой главе представлены результаты исследования повышения работоспособности режущего инструмента и производительности обработки при точении с ОПД.

Применение ОПД обрабатываемой поверхности позволяет повысить стойкость режущего инструмента (СМП как с износостойкими покрытиями, так и без них) по критерию максимально допустимого размера площадки износа по задней поверхности hз до 2,5 раз, размерную стойкость инструмента до 2,5 раз и производительность процесса (увеличение скорости резания при фиксированной стойкости пластин) до 1,5 раз по сравнению с традиционным точением.

Снижение частоты цикличности и амплитуды колебаний характеристик процесса резания, нагрева и давлений, действующих на рабочие поверхности инструмента, при точении с ОПД способствует ослаблению пластического деформирования режущего клина, адгезионно-усталостных и диффузионных явлений изнашивания инструментов с покрытиями и без покрытий.

Зависимость снижения интенсивности изнашивания лезвий от характера предварительно сообщенной материалу заготовки деформации аналогична изменению температурно-силовой напряженности процессов, протекающих в зоне эффект.max разделения металла, - величины наклепа ОПД, соответствующие К, отОПД носятся к наибольшему повышению стойкости инструмента при точении с ОПД.

С увеличением скорости резания и вызванным в связи с этим ростом тепловыделения, уменьшением вклада силового фактора в формирование интенсивности изнашивания и развитием диффузионных процессов эффект повышения работоспособности инструмента при использовании ОПД снижается, оставаясь при этом существенным на фоне традиционной обработки. Например, для условий, соответствующих рисунку 1, при точении с ОПД имело место увеличение стойкости СМП (hз=0,3мм) в 2,5 раза по сравнению с традиционной обработкой (22,5 и 9мин соответственно). Для скоростей резания 135 и 180м/мин повышение работоспособности составило 1,9 и 1,2 раза соответственно. Увеличение скорости резания при обработке инструментами с износостойкими покрытиями имеет менее существенное влияние на изменение работоспособности лезвий по сравнению с непокрытыми пластинами. Например, повышение стойкости СМП из сплава IC9250 при точении с ОПД стали 14Х17Н2 (t=1мм; sо=0,256мм/об) составляет 1,6; 1,5; 1,4 раза для v=90; 135; 180м/мин соответственно. Причина данного явления заключается в том, что покрытие выступает барьером на пути диффузионного растворения контактирующих пар, интенсифицирующегося с ростом скорости резания.

Увеличение подачи при точении с ОПД обеспечивает возможность более полного использования ресурсов повышения работоспособности режущей пластины и производительности обработки по сравнению с традиционным точением за счет снижения нагрузки, действующей на лезвие, и стока теплоты в тело инструмента при уменьшении мощности источника тепловыделения в зоне резания.

Повышение запаса пластичности обрабатываемого материала в исходном состоянии способствует большему возрастанию стойкости СМП при обработке с ОПД. Например, отношение предела текучести 0,2 к временному сопротивлению в для стали 14Х17Н2 равно 0,76, а для стали 13Х11Н2В2МФ - 0,84. При этом период работы с идентичными режимами резания (см. рисунок 1, при тоэффект.max чении с ОПД КОПД= К ) до достижения заданной величины hз при испольОПД зовании ОПД для первой стали больше в 2,5 раза, чем при обычном точении, а для второй - в 1,7 раза.

В пятой главе представлены результаты исследования повышения качества и производительности обработки при точении с ОПД.

Применение ОПД при точении обеспечивает снижение значений параметров Ra, Rmax, Rz, Sm обработанной поверхности и существенное повышение производительности процесса резания (более чем в 3 раза) по сравнению с традиционным резанием за счет наличия возможности увеличения подачи при заданном уровне параметра Ra обработанной поверхности (см. таблицу 1).

Таблица 1 - Повышение производительности точения при использовании ОПД Традиционное Повышение Точение с ОПД Режимы и условия об- точение производи- работки Ra, so, Ra, so, тельности КОПД мкм мм/об мкм мм/об точения, % v=90м/мин; ВК6 1,7 0,083 1,8 0,166 1,6 2t=0,5мм; сталь Т15К6 1,8 0,083 1,8 0,256 3,2 320Х13 ТН20 1,5 0,083 1,3 0,166 3,2 >2v=180м/мин; ВК6 2,2 0,083 1,8 0,166 1,6 >2t=0,5мм; сталь Т15К6 2,1 0,083 1,8 0,256 3,2 >320Х13 ТН20 1,9 0,083 1,6 0,256 1,6 >3v=180м/мин;

t=0,5мм; сталь Т15К6 1,8 0,083 2 0,166 1,6 <213Х11Н2В2МФ При точении с ОПД происходит уменьшение размеров очага разделения металла по линии среза за счет снижения напряжений, действующих в зоне резания, а разрушение в нем протекает более стабильно, в том числе, благодаря снижению неустойчивости пластического деформирования в условиях циклического стружкообразования. Кроме того применение ОПД содействует снижению значений параметров Ra, Rmax, Rz, Sm микрорельефа за счет уменьшения изнашиваемости лезвий.

эффект.max Величины К, принадлежащие диапазону максимального снижения ОПД температурно-силовой напряженности процесса точения с ОПД, соответствуют наибольшему снижению значений параметров Ra, Rmax, Rz, Sm, характеризующих микрогеометрию обработанной поверхности.

Увеличение скорости резания, пластичности обрабатываемого материала в исходном состоянии и сопротивляемости инструментального материала изнашиванию в сочетании с невысокой теплопроводностью способствует росту эффективности снижения значений параметров Ra, Rmax, Rz, Sm обработанной поверхности и повышения производительности точения при использовании ОПД по сравнению с традиционным резанием (таблица 1). Увеличение подачи способствует некоторому сокращению повышения производительности точения и относительного уменьшения, остающегося при этом существенным, значений параметров Ra, Rmax, Rz, Sm обработанной поверхности при использовании ОПД (таблица 1).

Отсутствие на сегодняшний день математических зависимостей, описывающих выходные параметры точения с ОПД по обрабатываемой поверхности, является существенным препятствием для успешного применения способа в практике токарной обработки. Для решения представленной проблемы построена математическая модель влияния основных параметров обработки на качество получаемой поверхности.

В качестве факторов, определяющих значение функции отклика (Ra), выступают скорость резания, подача, теплопроводность инструментального материала, коэффициент КОПД. Модель получена посредством регрессионного анализа, выполненного на основе данных полного факторного эксперимента с двумя уровнями варьирования переменных для линейной модели и тремя - для степенной и показательной. Наиболее объективной по итогам анализа признана степенная модель, которая характеризуется минимальной относительной погрешностью и достаточно хорошо согласуется с исходными данными.

На основании результатов исследований автором предложена зависимость:

0,0,1 0,16 0,Ra 1,33 V SО КОПД, (2) где V - скорость резания, м/мин;

- коэффициент теплопроводности инструментального материала, Вт/мК;

Sо - подача, мм/об;

KОПД - коэффициент ОПД.

Зависимость рекомендуется для продольного точения без СОТС стали 20Х13 (0,2=440 МПа) при V=90-180м/мин, =11-50Вт/мК, Sо=0,083-0,256мм/об, KОПД=0,001-3,2, t=0,5мм. При расчете Ra для традиционного точения следует назначать KОПД=0,001. При выполнении экспериментов нижний уровень KОПД=(в данном случае процесс резания происходил без ОПД), но для построения модели принимался равным 0,001 для возможности выполнения сопутствующих регрессионному анализу расчетов, включающих логарифмирование. При этом допущении глубина наклепа ОПД была бы равна 0,0005мм, что ничтожно мало.

Таким образом, эта условность не влияет на результат регрессионного анализа.

Рисунок 3 - Окно программы для ЭВМ с результатами расчета величины параметра Ra обработанной поверхности при точении с ОПД Для автоматизации вычислений на базе математической модели создана программа для ЭВМ по расчету величины Ra обработанной поверхности при обычном точении и точении с ОПД (см. рисунок 3) [Свид. о гос. регистрации программы для ЭВМ № 2012611474]. Особенностью программы является наличие возможности дополнения, уточнения и развития пользователем статистической базы для выполнения расчета.

Рентгенографическими исследованиями установлено повышение эксплуатационных характеристик выпускаемых деталей при точении с ОПД по сравнению с традиционным резанием, обусловленное улучшением напряженнодеформированного состояния поверхностного слоя за счет уменьшения величин накопленной скрытой энергии деформирования Uс на 53%, относительной деa формации кристаллической решетки на 31% и напряжений II рода II на a 31%.

В шестой главе приведены практические рекомендации по обработке точением с ОПД.

Для реализации наибольшего повышения работоспособности режущих инструментов, производительности процесса и качества обработанных поверхноэффект.max стей режим ОПД должен соответствовать параметру К (таблица 2). При ОПД этом необходимо учитывать особенности изменения эффективности точения при применении ОПД, описанные ранее.

эффект.max Таблица 2 - Рекомендуемые значения глубин наклепа ОПД, соответствующих К ОПД Обрабатываемый материал Вид точения. Глубина 08Х13, 12Х13, 20Х13 14Х17Н2 13Х11Н2В2МФ резания t, мм Глубина наклепа ОПД hнак, мм Получистовое: 0,5 < t 2 2 1,2 1,Чистовое: 0,25 t 0,5 1,2 hнак 1,6 0,8 0,При осуществлении ОПД следует избегать увеличения градиента напряженно-деформированного состояния в поверхностном слое, подлежащем срезу.

В противном случае на активную часть лезвия будет поступать металл с повышенным сопротивлением пластическому деформированию в приповерхностных объемах и низкой степенью упрочнения в основной части срезаемого материала.

Подобное обстоятельство формирует условия снижения эффективности увеличения работоспособности режущих инструментов, производительности процесса и качества получаемых поверхностей при обработке с ОПД. Упрочнение следует производить в один рабочий ход.

Следует использовать многороликовые устройства для ОПД, в частности, при чистовом точении, обеспечивающие повышенную жесткость обработки по сравнению с однороликовыми и исключающие попадание неравномерного припуска на режущее лезвие вследствие сформированного односторонним нагружением радиального биения. При обтачивании крупногабаритных деталей многороликовое устройство для ОПД по обрабатываемой поверхности позволяет исключить из технологического оснащения операции люнет.

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ 1. Показано, что уменьшение величины работы, затрачиваемой режущим инструментом на отделение срезаемого слоя, и сопротивления пластическому деформированию обусловливает снижение интегральной суммы напряжений, действующих в зоне резания, сил и температур резания при точении с ОПД по сравнению с традиционной обработкой.

2. Зависимость изменения температурно-силовой напряженности точения от характера ОПД обрабатываемой поверхности отличается немонотонностью с существованием двух принципиально отличающихся видов воздействия опереэффект.max жающего деформирования и определенной точки-экстремума - К, соотОПД ветствующей максимальному снижению силы и температуры резания.

3. Применение ОПД обрабатываемой поверхности позволяет повысить стойкость режущего инструмента по критерию максимально допустимого размера площадки износа по задней поверхности до 2,5 раз, размерную стойкость инструмента до 2,5 раз и производительность процесса (увеличение скорости резания при фиксированной стойкости пластин) до 1,5 раз по сравнению с традиционным точением.

4. Использование ОПД при точении за счет улучшения параметров физических процессов, сопровождающих образование новой поверхности, и снижения износа режущего инструмента обеспечивает уменьшение значений параметров Ra, Rmax, Rz, Sm обработанной поверхности и увеличение производительности процесса резания по сравнению с традиционным точением.

5. Характер повышения работоспособности режущего инструмента, производительности точения и качества обработанной поверхности при использовании ОПД определяется режимами и условиями комбинированной обработки, свойствами инструментального и обрабатываемого материалов.

6. Разработаны математическая модель и программа для ЭВМ, описывающие закономерности формирования шероховатости при точении с ОПД по обрабатываемой поверхности и традиционном точении, позволяющие прогнозировать получаемую величину параметра Ra обработанной поверхности и, тем самым, определять прирост эффективности процесса резания, вносить соответствующие коррективы в базовый технологический процесс.

7. Рентгенографические исследования обнаружили повышение эксплуатационных характеристик выпускаемых деталей при точении с ОПД по сравнению с традиционным резанием, обусловленное улучшением напряженнодеформированного состояния поверхностного слоя за счет уменьшения величин накопленной скрытой энергии деформирования Uс, относительной деформации a кристаллической решетки и напряжений II рода II.

a Основные положения диссертации опубликованы в следующих 11 работах (из общего числа 21 печатной работы):

Монография:

1. Эффективные технологии дорнования, протягивания и деформирующережущей обработки: коллектив. моногр. / С. К. Амбросимов, А. Н. Афонин, А. Р. Ингеманссон, А. Н. Исаев, А. В. Киричек, Д. В. Крайнев, А. Р. Лебедев, В. Ф. Макаров, А. В. Морозова, П. А. Норченко, Ю. Н. Полянчиков, Д. Л. Соловьев. - М. : Издат. дом Спектр, 2011. - 328 с.

Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК:

2. Ингеманссон, А. Р. Повышение работоспособности режущего инструмента при точении коррозионно-стойких сталей с опережающим пластическим деформированием / А. Р. Ингеманссон // Металлообработка. - 2011. - № 6. - C. 10-15.

3. Математическая модель формирования шероховатости обработанной поверхности при точении с опережающим пластическим деформированием коррозионно-стойких сталей / А. Р. Ингеманссон, Н. Г. Зайцева, Ю. Л. Чигиринский, Д. В. Крайнев // Металлообработка. - 2012. - № 1. - С. 11-15.

4. Положительное воздействие опережающего пластического деформирования на формирование шероховатости поверхности, обработанной резанием / Ю. Н. Полянчиков, Д. В. Крайнев, П. А. Норченко, А. Р. Ингеманссон, В. В. Амельченко, А. В. Раздрогин // Изв. ВолгГТУ. Серия Прогрессивные технологии в машиностроении. Вып. 6: межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2010. - № 12. - C. 41-43.

5. Получение оптимальных характеристик поверхностного слоя деталей при резании по методу с опережающим пластическим деформированием / Ю. Н. Полянчиков, Д. В. Крайнев, П. А. Норченко, Г. В. Геронтиди, А. Р. Ингеманссон // Известия ВолгГТУ. Серия Прогрессивные технологии в машиностроении.

Вып. 5 : межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2009. - № 8. - С. 31-33.

6. Приспособление для токарной обработки с опережающим пластическим деформированием / Ю. Н. Полянчиков, Д. В. Крайнев, А. Р. Ингеманссон, С. О. Щедриков // Изв. ВолгГТУ. Серия Прогрессивные технологии в машиностроении.

Вып. 7 : межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2011. - № 13. - C. 39-42.

7. Улучшение обрабатываемости резанием сталей с различным строением при опережающем пластическом деформировании / Ю. Н. Полянчиков, Д. В. Крайнев, П. А. Норченко, А. Р. Ингеманссон // СТИН. - 2010. - № 10. - C. 28-30.

8. Улучшение параметров шероховатости при обработке резанием с опережающим пластическим деформированием / Ю. Н. Полянчиков, Д. В. Крайнев, П. А. Норченко, А. Р. Ингеманссон // Вестник СГТУ. - 2010. - № 1. - C. 67-71.

9. Эффективность применения безвольфрамового тврдого сплава ТН при резании нержавеющих сталей с опережающим пластическим деформированием / Ю. Н. Полянчиков, Д. В. Крайнев, П. А. Норченко, А. Р. Ингеманссон, С. О. Щедриков, А. С. Иночкин // Изв. ВолгГТУ. Серия Прогрессивные технологии в машиностроении. Вып. 6 : межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2010. - № 12. - C. 43-45.

Патенты и свидетельства:

10. Пат. 2399460 РФ. МПК В 23 В 1/00. Способ обработки деталей резанием с опережающим пластическим деформированием / Ю. Н. Полянчиков, П. А. Норченко, Д. В. Крайнев, А. Р. Ингеманссон, Л. А. Качалова, Л. С. Ангеловская; заявитель и патентообладатель ВолгГТУ. - № 2009111702/02; заявл.

30.03.2009; опубл. 20.09.2010, Бюл. № 26. 6 с.

11. Свид. о гос. регистрации программы для ЭВМ № 2012611474 РФ. МПК (нет). Расчет величины среднего арифметического отклонения профиля обработанной поверхности при точении с опережающим пластическим деформированием и традиционном точении / Ю. Н. Полянчиков, Ю. Л. Чигиринский, Д. В. Крайнев, А. Р. Ингеманссон, Н. Г. Зайцева, А. В. Раздрогин; заявитель и патентообладатель ВолгГТУ. - № 2012611474; заявл. 14.12.2011; опубл.

8.02.2012.

Подписано в печать ___.___. 2012г. Заказ №. Тираж 100 экз. Печ. л. 1,Формат 60 х 84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная.

Типография ИУНЛ Волгоградского государственного технического университета.

400005, г. Волгоград, ул. Советская, Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим специальностям