Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
Экз. № _
На правах рукописи
Котельников Владимир Иванович
Теоретическое обоснование, исследование и разработка технологии резания с нагревом
и пластическим деформированием обрабатываемого металла
Специальность:
05.03.01.Технологии и оборудование
механической и физико-технической обработки
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
доктора технических наук
Москва
2009
Работа выполнена в Нижегородском высшем военно-инженерном командном училище
Научный консультант - доктор технических наук, профессор
Сорокин Виталий Матвеевич
Официальные оппоненты:
Доктор технических наук, профессор Рыкунов Александр Николаевич
Доктор технических наук, профессор Матвеев Юрий Иванович
Доктор технических наук, профессор Эстерзон Михаил Абрамович
Ведущая организация: ОАО Завод Красное Сормово (г. Н.Новгород)
Защита состоится л11 июня 2009 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 520.002.01 в ОАО Экспериментальный научно-исследовательский институт металлорежущих станков (ОАО ЭНИМС) по адресу: 119991, г. Москва, 5-й Донской проезд, 15, строение 8 .
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОАО Экспериментальный научно-исследовательский институт металлорежущих станков (ОАО ЭНИМС)
Автореферат разослан 2009 г.
Ученый секретарь диссертационного совета
кандидат технических наук, доцент В.М.Гришин
Общая характеристика работы
Актуальность темы. Лезвийная обработка конструкционных материалов (углеродистых, легированных и др. сталей) занимает значительное место в практике машиностроительного производства. При этом актуальными задачами остаются не только повышение производительности механообработки, стойкости инструмента, повышения качества обработанной детали, но и создание новых направлений в теории и практике резания при обработке специальных деталей после сварки, наплавки и напыления, когда обработка в условиях традиционных производственных технологий невозможна. А также в условиях малых предприятий и ремонтного производства в специфических условиях, в том числе военно-полевых.
В рыночных условиях экономического кризиса и спада производства в промышленности поиск и внедрение новых нетрадиционных и перспективных способов резания металла с тугоплавкими покрытиями, позволяющих значительно повысить производительность механической обработки, произвести обработку продукции со специфическими свойствами и параметрами, при наименьших материальных затратах, с использованием минимального количества рабочих и оборудования, является первоочередной задачей, и особенно актуально - без применения дорогостоящего технологического оборудования и режущих инструментов.
Настоящая работа выполнялась в соответствии с договорными работами кафедры Базовые машины Нижегородского Высшего инженерно-командного училища (НВВИКУ), с ремонтными предприятиями воинских частей и Горьковской железной дороги.
Цель работы. Разработать комплексный метод резания металла с нагревом и пластической деформацией нагреваемой поверхности детали, обеспечивающий значительное снижение усилий резания и исключающий применение для обработки традиционного режущего инструмента.
Решаемые задачи.
- Исследование физических процессов и основных закономерностей резания металла с нагревом и пластической деформацией нагреваемой поверхности.
2.Разработка научно обоснованной методики выбора режимов резания, создание режущего инструмента, приспособлений и условий для реализации комплексного метода резания металлов с нагревом и пластической деформацией.
3.Определение области применения комплексного метода резания металла.
4.Разработка производственной технологии обработки сложных деталей машиностроения (ступенчатых наплавленных валов, сварных изделий и деталей с напылением и пр.) точением с нагревом и пластическим деформированием для основного производства и ремонтных условий.
Методы исследования. Для решения поставленных в работе задач использовались теоретические и экспериментальные методы исследования. Теоретическая часть базируется на основных положениях классической теории резания, технологии машиностроения, законах теплофизики металлов, теории пластической деформации и кристаллографии.
Теоретические исследования подтверждены многочисленными экспериментами в лабораторных и производственных условиях и обработаны методиками с применением современных металлографических методов и высокоточной измерительной аппаратуры.
Достоверность и обоснованность теоретических выводов подтверждена данными, полученными лично соискателем. Результаты исследований, выводы и предлагаемые технические решения подтверждаются патентами на изобретения и полезные модели, прошли производственную проверку, а также внедрены в производство и в учебный процесс ВУЗов.
Научная новизна работы.
1.Выявлены, исследованы и систематизированы физические процессы в зоне резания при обработке ответственных восстановленных деталей из стали Ц
с нагревом и пластической деформацией обрабатываемых поверхностей.
2.Разработан математический аппарат для реализации метода комплексной обработки металла с нагревом и пластической деформацией.
3.Выведены математические зависимости теплопередачи при резании металла методом комплексной обработки.
4.Разработаны теоретические основы расчета температуры при резании и математические закономерности для управления тепловым потоком.
5.Исследована и апробирована технология обработки металлов методом комплексной обработки, а именно, определены технические требования к оборудованию, инструменту и приспособлениям для реализации нового метода обработки резанием с подогревом поверхности.
Практическая ценность работы.
1.Разработана научная методика выбора режимов резания металла с нагревом и пластической деформацией, учитывающая конкретные условия производства и конфигурацию нагруженных ответственных деталей.
2.Режимы резания, выбранные по разработанной методике, позволяют получать качество обработанной поверхности, соизмеримой с обработкой традиционными методами без применения дорогостоящих инструментов с пластинами СТМ с покрытиями.
3.Разработанный и внедренный в производство комплексный метод обработки металла с нагревом и деформацией обеспечивает значительное снижение вибраций системы СПИД (за счет снижения усилий резания) и значительное повышение производительности и стойкости режущего инструмента.
4.Создание мобильных средств ремонта на базе комплексного метода интенсифицирует восстановление работоспособности техники в чрезвычайных условиях (полевых, военных и др.)
5.Комплексный метод обработки резанием с нагревом и пластической деформацией позволил реализовать обработку сложных специфических закаленных деталей со сварными швами и напылением.
6.Разработанный метод обработки металлов с нагревом является эффективным решением технических проблем при обработке соответствующих типов деталей.
Реализация результатов работы.
Выполненные разработки внедрены:
- в практику восстановительных работ при ремонте боевой техники в двух ремонтных подразделениях воинских частей, в железнодорожной ремонтной мастерской Горьковской железной дороги - для восстановления несущих валов (осей) вагонного состава.
- в учебный процесс (Акты внедрения прилагаются) в виде изданного учебного пособия.
Апробация работы.
Основные результаты работы докладывались на 29 научно-технических конференциях (Международных, республиканских и региональных), проведенных в городах: Н.Новгороде, Рыбинске, Пензе, Оренбурге, Харькове, Ростове на Дону, Брянске, Омске, Тольятти, Днепропетровске и Санкт-Петербурге. Результаты исследований применены в лекционных материалах по курсу Основы ремонтного производства. Основы технологии резания с нагревом включены отдельной главой в изданное учебное пособие по курсу Основ ремонтного производства.
Работа обсуждена на заседании ученого совета НВВИКУ.
Публикации. По материалам диссертационной работы издана одна монография и опубликовано 62 печатные работы, включая 8 изобретений, 8 статей в отечественных журналах ВАК, 44 публикации в межвузовских сборниках, а также в виде тезисов и докладов на конференциях, включая международные и российские.
Структура и объём работы. Диссертационная работа изложена на 323 страницах, состоит из введения и шести глав, включающих 74 таблицы и 237 рисунков, основных выводов, списка использованной литературы из 161 наименования, содержит 279 страниц основного текста и приложения на 44 страницах.
На защиту выносятся следующие результаты работы:
1.Теоретическое обоснование использования в серийном и ремонтном производствах высокоэффективного комплексного метода резания металлов с нагревом и пластической деформацией обрабатываемой поверхности нагруженных ответственных деталей тяжелой техники, после сварки и наплавления.
2.Разработка научно обоснованной методики выбора режимов резания, нагрева и накатывания при реализации комплексного метода обработки с учетом выполнения технических требований к обрабатываемой детали.
3.Создание режущего инструмента и необходимой оснастки для реализации комплексного метода резания металла с нагревом и пластической деформацией обрабатываемой поверхности.
4.Разработка технологии обработки металла комплексным методом в типовых производственных условиях машиностроительных предприятий и при ремонте особо сложных деталей в полевых и других специфических условиях.
5.Экономическая эффективность комплексного метода резания с нагревом, в том числе в полевых условиях, на базе установленного в подвижных мастерских сварочного и металлообрабатывающего оборудования.
6.Результаты воздействия комплексного метода обработки на качество и точность обрабатываемой поверхности.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность работы, сформулирована цель, задачи и основные положения, выносимые на защиту, представлены научная новизна и практическая значимость диссертационной работы.
В первой главе приводится: обзор современного состояния теории резания металла, формообразования поверхности валов при обработке точением, анализ различных аспектов повышения производительности и качества обрабатываемой поверхности. Даются особенности резания трудно деформируемого, наплавленного и сварного металла, стойкости режущего инструмента при их обработке, в том числе импортного с пластинами из спеченых материалов. Анализируются методы резания металла с нагревом и области их применения. Приводится обзор применения в промышленности методов и особенностей поверхностно-пластического деформирования металла.
Большой вклад в изучение проблем обработки металла резанием внесли отечественные ученые А.А. Аваков, С.В. Грубый, А.М. Даниелян, Д.Г. Евсеев, Н.Н. Зорев, А.И. Исаев, Б.А. Кравченко, Т.Н. Лоладзе, А.Д. Макаров, П.Г. Петрухи, А.В. Подзей, В.Н. Подураев, Н.Н. Резников, Н.Н. Рыкалин, Н.С. Рыкунов, С.С. Силин, В.К. Старков, Н.В. Таланов, Я.Г. Усачев, М.А. Шатерин, А.В. Якимов, П.И. Ящерицын и др. В методику исследований и применение в промышленности ППД металла внесли свой вклад Д.Д. Папшев, А.Д. Томленов, В.М. Смелянский, В.М. Сорокин и др. Ряд работ зарубежных ученых Е.М. Трента, Ч. Хикса, Е.Тарберта, Х. Такеяма, К.Триггера, Е.Усуи и др. по этой тематике дополняют проведенные исследования.
В результате анализа литературных источников и проведенного патентного поиска показано, что применение нагрева является эффективным направлением интенсификации процессов лезвийной и поверхностно-пластической обработки металла. Отмечается, что важнейшими факторами, ограничивающими производительность и качество обработки, является характер деформации металла и износ режущего инструмента.
На основе результатов проведенного анализа сформулирована цель и поставлены задачи исследования.
Во второй главе представлено теоретическое обоснование механической об-работки металла с нагревом и ППД, включающее: теоретические положения по изменению структуры и свойств металла при нагреве с точки зрения ме-талловедения и физики металлов, физическое моделирование резания металла с соблюдением критериев геометрического и теплового подобия, общие сведения по теории резания металла и нагрева точечным тепловым источником.
При разработке комплексного метода обработки металла было предложено ввести дополнительное количество энергии в виде тепла в деталь при токарной обработке поверхностей, а отделочные операции шлифования заменить накатыванием нагретой поверхности детали охлаждаемым водой роликом.
Для промышленного использования резания с нагревом предложен и рассмотрен нагрев заготовки токами высокой частоты и режущий инструмент с внутренним водяным охлаждением.
Подвод энергии в виде тепла резко меняет процесс пластического сдвига металла в корне стружки при резании. Это связано, прежде всего, с изменением прочности металла при нагревании и повышением пластических характеристик нагретого металла, что приводит к снижению усилия резания. Исследованиями А.Н. Резникова, М.А. Шатерина и других ученных было показано, что при нагреве усилие резания Pz уменьшается в широком диапазоне, в зависимости от химического состава стали и режимов резания.
С целью исследования процессов стружкообразования при резании с нагревом была разработана физическая модель, отвечающая критериям подобия (Ho=wх / l Цгомохронности (Струхаля), Fr =w/ g х l- критерию Фруда и Eu =p / w - критерию Эйлера), где в качестве обрабатываемого материала был использован замороженный до -10C парафин. В качестве основного критерия подобия модели в целом служит масштаб (l1 : l2).
Для проведения экспериментов была изготовлена специальная установка с двумя направляющими, по которым перемещался резец. Поверхность металла моделировалась охлажденным парафином. Экспериментальная установка снабжалась динамометром для замера усилия перемещения резца по направляющим при резании парафина. Врезание режущего инструмента зависело от силы веса резца G. Лезвие резца изготовлено съёмным. Оно устанавливалось на резец под различными углами к поверхности парафина. В результате эксперимента была установлена зависимость влияния на процесс образования стружки увеличения угла режущего инструмента (см. рмс.1.).
Рис.1. Зависимость снижения усилия резания от изменения угла режущего инструмента
Резание парафина резцом с углом =0 характеризуется максимальным усилием резания. Резец в начале движения сдвигает парафин с поверхности ванны, образуя утолщение на наружной стороне своей передней грани, а затем, внедряясь глубже под поверхность парафина, проталкивает вздувшееся утолщение вдоль лезвия. На обработанной поверхности парафина зафиксированы равномерно чередующиеся валики (моделирование регулярной шероховатости). При этом угле образуются максимальные размеры валиков на поверхности модели.
При угле наклона = 20 - 40 динамометром зафиксировано постепенное снижение величины усилия резания. При увеличении угла наклона от 50 и до 65 сопротивление резанию резко снижается. При наклоне лезвия на угол 70 поверхность парафина после резания становится гладкой, а стружка сходит с лезвия без видимых утолщений, ровной лентой, гладкой с обеих сторон.
В результате модельных испытаний была предложена конструкция режущего инструмента с шестигранной режущей пластиной, позволяющая сочетать возможности проходного отогнутого резца с (<=60) и проходного упорного резца, имеющего одну грань параллельную обрабатываемой поверхности.
Эксперименты показали, что для обеспечения нагрева срезаемого слоя металла до температур разупрочнения, требуется определенное время. Был сделан расчет времени прогрева заготовки и расстояния между горелкой и режущим инструментом, что позволило осуществлять резание после предварительной настройки горелки на размер L относительно режущего инструмента.
Суммарная температура в зоне резания, (1)
где: ТН -температура нагрева заготовки; Т+ - повышение температуры за счет работы собственно резания нагретого металла.
Из уравнения, описывающего процесс распространения тепла
, (2)
найдена температура нагрева металла пламенем горелки ,
откуда, задаваясь температурой нагрева определили толщину слоя прогретого металла L=f (V, S, t, ТН )
, (3)
где - объемная теплоемкость (кал/см3 град),
, кал/см2 с, ,
или , ; . (4)
Здесь: W - мощность пламени газовой горелки, Вт; k0 - коэффициент, характеризующий сосредоточенность потока тепла, 1/см2; - к.п.д. горелки; q0 и q - интенсивности источника тепла в центре и на расстоянии r от центра, соответственно см. Рис.2.
.
Рис 2. Схема нагрева детали пламенем газовой горелки в начале и по ходу резания: а - в первые секунды прогрева; б - при заданном расстоянии межу горелкой и резцом в начале резания; с - в процессе распространения тепла при резании
Газовой горелкой срезаемая часть металла нагревается до температур порядка Т = 7500С, поверхность обработанной детали нагрета до Т= 450 -550C, а на оси детали сохраняется температура в Т = 100 Ц1500С, обеспечивающая жесткость центральной зоны детали для обработки без искривления оси.
Расчетом, был составлен баланс тепла при точении нагретой стали в зависимости от критерия Пекле, который характеризует интенсивность рас-пространения тепла в материале и определяется по зависимости Ре =. Здесь V- скорость распространения тепла, м/мин; l = a- геометрический размер, мм ; a - коэффициент температуропроводности, град cм / с..
При нагреве пламенем горелки в систему вводится дополнительное ко-личество тепла (Q=), где: с- теплоемкость материала; m- масса нагре-ваемого материала; Цтемпературный градиент.
Если вставить выражение Q= в уравнение С.С.Силина и преоб-разовать его так, чтобы вынести за знак равенства усилие резания, то получим формулу зависимости усилия резания от скоростных режимов резания, теп-лофизических характеристик резца и обрабатываемого материала и геомет-рических характеристик режущего инструмента:
(5)
Здесь: Pz - сила резания, Н; V - скорость резания, м/сек; и - коэффициенты теплопроводности обрабатываемого материала и резца; а = - коэффициент температуропроводности обрабатываемого материала; - удельная теплоемкость и плотность обрабатываемого материала; а и b - толщина и ширина среза металла; -температура резания (средне контактная температура на передней и задней поверхности инструмента, измеряемая по методу естественной термопары, К; - радиус округления режущей кромки инструмента; - угол заострения кромки, ; и задний и передний углы резца, ; - толщина среза (см. рис.7.б); = ( - - ) Цугол при вершине резца в плане, рад; и -главный и вспомогательный углы в плане, рад. Ширина среза b определяется как отрезок, соединяющий внешние концы рабочих участков режущих кромок инструмента.
Для нагрева поверхностей обрабатываемых деталей в производственных условиях были рассчитаны режимы нагрева детали токами высокой частоты. При последовательном включении в работу петлевых раздвижных индукторов полная мощность такого непрерывно- последовательного режима определяется по формуле:
,(кВт) (6)
где D Цдиаметр нагреваемой заготовки, мм; а - ширина провода индуктора, в см.
Поскольку ширина индуктирующего провода невелика (5 - 30 мм), то требуемая мощность при заданном режиме нагрева также мала. При подборе режима нагрева используются графики зависимости времени нагрева заготовки (данного диаметра и марки стали) от заданной глубины прогрева, мощности, силы и частоты тока необходимого для нагрева детали до заданной температуры. По ним определяется также время прогрева требуемого слоя металла до заданных значений. Зная время нагрева, определяется скорость нагрева заготовки при резании металла с нагревом ТВЧ и величина подачи при съёме этого слоя:
мм/мин (7)
Для обработки металла резанием с нагревом чрезвычайно важную роль играет стойкость режущего инструмента. С целью определения эффективности охлаждения режущей грани охлаждаемого водой резца, был произведен расчет теплопередачи от нагретого металла резца к охлаждающей воде, движущейся по внутреннему каналу.
Выполненные расчеты позволили установить, что при изменении диаметра охлаждающего канала в пределах от 5 до 10 мм и среднем диаметре: dэкв≈7,6 мм; расходе воды G≈0,3 м3/мин, а также при к≈0,8; λр р≈0,385; ωр р≈0,145; 1≈12 мм; ξ1≈0,5; τ≈720 с. тепловая напряженность в зоне режущей кромки снижается на 140-160С и, как будет показано ниже, стойкость резца повышается в 1,5-2 раза по сравнению с резцами без охлаждения.
В третьей главе разработаны методика, установка и инструменты для исследования результативности комплексного метода резания с нагревом и пластическим деформированием нагретой поверхности детали.
Контроль температуры нагрева поверхности заготовки, нагреваемой пламенем горелки, проводили переносным пирометром Луч-Н. Диапазон измеряемых пирометром температур от 500 до 1200С с погрешностью измерения 0,5-1,0%. Температура обработанной режущим инструментом поверхности детали перед накатником, (с охлаждением и без него СОЖ) замерялась инфракрасным электронным термометром касания фирмы Optris с пределами измерения температуры нагретой металлической поверхности от Ц32 до +520С. Температура в зоне резания измерялась встроенной в динамометрическую головку термопарой касания.
Для определения тепловых режимов произведен теоретический расчет изменения температуры резания при обработке детали с нагревом во времени. Оптимальное значение температуры резания - соответствует наиболее благоприятным условиям резания, трения и изнашивания инструмента, которые, как установлено, определяются различными комбинациями температуры нагрева Тн заготовки и параметрами (V, S, t) режима резания, обеспечивающими наименьшую интенсивность износа инструмента и наибольшую его размерную стойкость.
Формулу зависимости температуры резания от скорости V, подачи S и глубины резания t при обычной холодной обработке и при резании с нагревом представим в виде степенной зависимости
T = С V S t j (8)
После необходимых расчетов методами, предложенными в методике А.А. Спиридонова и преобразований, формула для определения температуры холодного резания получила вид:
Tхол=26,8V(1,58-0,34lnv)S(0,46-0,23lnS)t(0,49-0,15lnt) , (9)
а для резания с нагревом была получена формула:
Tгор=32,625V (2,06-0,48 lnv) S (0,5-0,3 lnS) t (0,5-0,25 lnt) (10)
Формула расчета температуры нагрева для резания с нагревом в рассматриваемой области изменения факторов дает возможность управления процессом резания с нагревом.
С целью оценки эффективности резания с нагревом проведено определение зависимости усилия резания от режимов обработки металла. Для проведения экспериментальных исследований была привлечена специальная установка.
По данным экспериментальных замеров, с учетом граничных областей изменения скорости резания, величины подачи, глубины резания и прогрева заготовки на глубину резания, расчетом была определена теоретическая зависимость усилия резания от режимов резания и температуры нагрева заготовки пламенем горелки. Формула для определения величины усилия резания от режимов резания была получена в таком виде:
. (11)
Рис.3 .График зависимости при Т=400C и t=0,08 мм.
Данная формула позволила построить семейство графиков зависимости усилия от режимов резания и нагрева, необходимых для разработки технологии резания металла с нагревом. Один из графиков (см. рис.3) построен при изменяющихся: скорости резания с нагревом м/мин и подаче мм/об, при постоянных величинах нагрева детали до C. и глубине резания мм.
Определение величин относительного износа инструмента , проводили в соответствии с методикой предложенной А.М Даниеляном.по формуле: , где hз - износ резца за время его работы в мкм, L - путь резания в м,
Частота вращения шпинделя менялась от 200 об/мин до 1600 об/мин, подача S= 0,2 мм/об, глубины резания t1= 1мм; t2= 2 мм; t3= 4 мм.
Для проведения механических испытаний износостойкости обработанной резанием с нагревом металлической поверхности детали был изготовлен упрощенный аналог установки МУИ - 6000.
Величина крутящего момента, возникающего при резком торможении лентой, создает в сварном соединении касательные напряжения. Величина этих напряжений зависит от величины инерционной массы, скорости вращения ротора двигателя, величины торможения (обратного ускорения), сил трения металлической ленты о правый хвостовик и сечения сварного шва.
Касательные напряжения в сварном симметрично наложенном шве (L = 2h) возникают в момент торможения вращения правой части детали в то время, когда левая часть по инерции продолжается вращаться. Эти напряжения создаются по всем сечениям сварной детали одинаково, но проявляются в наиболее ослабленной части детали, где площадь стыка наименьшая.
Испытаниям подвергали сварные детали, цилиндрические части, которых были изготовлены из одной марки материала, из разных марок материала. Испытания проводили в соответствии с требованиями ГОСТ.
Снятие замеров шероховатости в условиях лабораторной базы НГТУ производили под бинокулярным микроскопом МИС - 11А и методом сравнения со стандартными образцами шероховатости по методике ГОСТ 2789-73. На двойном микроскопе Линника определяли высотные параметры профиля путем измерения высоты микро неровностей в пределах от Rz =80 до Rz =1,6 мкм по методу светового свечения.
Замеры параметров шероховатости проводили в трех точках ступени (начале, средине и в конце). Результаты замеров и расчетов в соответствии с требованиями ГОСТ были переведены в показатель Ra по формуле: Rz = k Ra, где k = 4 при Rz =80 Ц2,5 мкм; на базовой длине в 2,5 мм.
По ним для резания с нагревом и холодного резания металла строились графики следующих зависимостей: Зависимость Rа =f (V) при S=const и зави-симость Rа =f (S ) при V =const.
На основании экспериментальных данных расчетом была получена зависимость параметров шероховатости поверхности обработанной холодным резанием и резанием с нагревом от режимов резания и нагрева заготовки:
. (12)
Исследование параметров точности обработанной поверхности. Сумму динамических погрешностей можно представить в виде
= f(ΔСТ + ΔТ) , (13)
где ΔСТ - погрешность, вызванная геометрическими неточностями станка;
ΔТ - температурные деформации детали в процессе точения.
По результатам замеров и данным расчетов построены графики зависимости размера детали от температуры нагрева. Полученные графики использовались в практике резания для настройки инструмента на размер при температурах нагрева детали Т2=600С, Т2=500С и Т2=400С.
Исследования изменений структуры металла при резании с нагревом проводили по стандартным методикам, рекомендуемым ГОСТ, с привлечением микроскопа, фотографированием и видеосъёмкой.
На обрабатываемость металла значительное влияние сказывает его структура. Поскольку в данном исследовании обрабатывались конструкционные стали с содержанием углерода от 0,3 до 0,45% то их структуры близки к равновесным. Добавки легирующих компонентов влияют на размер зерна. Размер зерна структуры ст. 40Х занимает промежуточное положение.
В случае ремонта сваркой с последующей холодной обработкой сварного шва отремонтированную деталь как правило подвергают отпуску, затем обрабатывают и закаливают. Экспериментально проверена возможность отказа от отпуска сварной детали в печи при обработке резанием с нагревом. При резании с нагревом в поверхностном слое наблюдается структура идентичная структуре металла после отпуска. Глубина слоя такой структуры колеблется от нескольких сотых долей миллиметра до нескольких миллиметров.
Методика, установка и инструменты для исследования результативности пластического деформирования нагретой поверхности детали.
Исследования проведены на лабораторном оборудовании НВВИКУ на ступенчатых валах, зажимавшихся в патроне токарного станка 16К20. Деформирование поверхности шариковой накаткой проводилось с целью исследования результатов силового воздействия на холодный и нагретый до температур разупрочнения металл.
При накатывании роликом нагретой поверхности детали длина дуги, контактирующей с вершинами шероховатости, может быть найдена по формуле:
L=, (14)
где: R-радиус давящего ролика, мм; Rz - шероховатость поверхности детали, мм; сos =.
Усилие давления ролика рассчитывалось по формуле, учитывающей смятие материала, где: - предел текучести материала обрабатываемой детали, кг/мм; F- площадь контакта ролика с нагретой поверхностью детали, мм; Е - модули упругости разогретого и холодного металла соответственно. В расчете усилия давления принято для давящего водоохлаждаемого материала ролика с Т = 20C и Е 10= 215, а для нагретого материала детали до Т= 750C и Е 10= 130 соответственно. Тогда усилие, приложенное к ролику, будет равно кг, (516 Н)
При накатывании холодного металла с целью смятия вершин шероховатости и закатывания их во впадины потребуется величина усилия
кг, (1491,9 Н) т.е. почти в три раза больше чем при накатывании нагретого металла.
С целью исключения тепловых потерь детали теплопередачей станку были изготовлены и запатентованы кулачки токарного патрона из бетона с малой теплопроводностью (см. Патент на полезную модель РФ №68391).
Нагрев цилиндрических деталей в промышленных условиях целесообразно производить токами высокой частоты. Технология нагрева на заводах отработана и широко применяется. Для нагрева деталей сложной ступенчатой и конусной формы был сконструирован раздвижной двух витковый индуктор (см. Патент на полезную модель РФ №77867).
Режущий инструмент с внутренним водяным охлаждением решает проблему стойкости при резании с нагревом. Именно поэтому нами были разработаны несколько конструкций режущего инструмента с внутренним водяным каналом, подводящим охлаждающую среду непосредственно к режущей грани резца. На один из резцов было получено Свидетельство на полезную модель РФ № 24131.
В четвертой главе приведены расчетные и экспериментальные данные эффективности применения комплексного метода обработки металла.
Для решения задачи отвода тепла при вращении детали был сделан расчет по формулам теории теплопроводности. При этом для упрощения сложности расчета были сделаны следующие допущения:
1.Температура пламени газовой горелки в месте касания с цилиндрической заготовкой постоянна и равна 10000С.
2.Вращение заготовки при нагреве детали идет с частотой вращения при обработке металла.
3.Резец находится с противоположной стороны от пламени газовой горелки и пламенем не нагревается.
4.Весь тепловой поток от пламени горелки усваивается заготовкой.
Поскольку нагрев заготовки пламенем газовой горелки производится с достаточно большой частотой вращения шпинделя, то заготовка постоянно обдувается воздухом. Известно, что потеря тепла при обдуве детали воздухом можно определить из выражения:
= (Т-Т0) F. (15)
где: - коэффициент теплоотдачи, кал/см с град.; Т и Т0 - соответственно температура детали и окружающего воздуха; F - площадь охлаждаемой по-верхности, см2 ; - время охлаждения, с.
Падение температуры на поверхности тела Т , (16)
где c- удельная теплоемкость - плотность материала, ; V - объем тела, см
Коэффициент , входящий в формулы складывается из коэффициентов теплоотдачи при конвективном теплообмене и при лучеиспускании. Значение в первом приближении можно рассчитывать по формулам для определения коэффициентов теплоотдачи в воздух. Приведенным к условиям Т= 200С и размерностям, относящимся к резанию вращающейся вокруг своей оси цилиндрической заготовки. (103 < Rе 2,2 Х 103)
0,3Х10-4 (17)
где d - эквивалентный диаметр заготовки в мм; W - скорость перемещения воздуха относительно детали соответствует скорости вращения вала в м/мин.
Анализируя полученные результаты охлаждения нагретой точечным источником вращающейся детали можно утверждать, что потери в окружающую среду от вращающейся нагретой детали ничтожны за один оборот до следующего мгновенного нагрева. На самых медленных оборотах перепад температур всего .(см. табл.3).
Таблица 3
№ п/п | n об/мин | d мм | 0С | № п/п | n об/мин | d мм | 0С | ||
1 | 220 | 30 | 1,327510-4 | 0,01 | 6 | 1200 | 30 | 4,82410-4 | 0,007 |
2 | 300 | 30 | 1,6810-4 | 0,009 | 7 | 1200 | 30 | 3,90610-4 | 0,004 |
3 | 550 | 30 | 2,666410-4 | 0,008 | 8 | 1200 | 30 | 4,38610-4 | 0,003 |
4 | 700 | 30 | 3,20110-4 | 0,0075 | 9 | 1200 | 30 | 5,25910-4 | 0,0028 |
5 | 900 | 30 | 3,87310-4 | 0,0072 | 1200 | 30 | 5,59510-4 | 0,0026 |
Следовательно, для упрощения расчетов потерями тепла можно пренебречь и заменить нагрев точечным источником на нагрев постоянной интенсивности по кольцу.
Затем было рассчитано время нагрева поверхности вращающейся детали диаметром от 20 до 40 мм источником с температурой пламени в 32000С. В результате потери тепла пламени лучеиспусканием и конвенкцией обдуваемого воздуха средняя температура факела пламени у поверхности заготовки не превысит 1000C. Для теплового расчета были использованы зависимости скорости нагрева стальных деталей, от их теплофизических параметров.
Расчет произведен на примере нагрева заготовки из ст.40Х диаметром 40 мм. Средняя температура факела пламени у поверхности заготовки Т= 10000С.
Расчетное время, необходимое на нагрев поверхности детали пламенем горелки до температур от 100 до 900C равно 2,1 секунды. При расчете принято для стали 40Х: =32,2 кал/м час0С; a =0,027 м2/час; =80 кал/м2час0С. Начальная температура заготовки равна температуре окружающей среды Т0=200С.
Температура резания (Тр) складывается при резании с нагревом из двух составляющих: температуры предварительного нагрева заготовки (Тн) и температуры развивающейся в зоне резания от сдвиговых деформаций при стружкообразования и тепла от трения стружки о резец и резца о деталь (Тд)
Тр=Тн+Тд (18)
Для нахождения температуры, возникающей в зоне резания от сдвиговых деформаций, воспользуемся следующей зависимостью
Тд=GтU0.2в0,26 (19)
Для стали 40Х при обычном резании резцом Т5К10 оптимальная тем-пература резания составляет 862С. Поскольку обработка металла обычная и с нагревом производится с одинаковыми скоростями то температура деформации будет определена как функция изменения в прочности металла на разрыв. Тогда
Тд=кв0,26 (20)
где к = сv0,2. - постоянная величина
В соответствии с этой зависимостью в= f (T) определяем, что нагрев значительно снижает прочность стали на разрыв в интервале от 400 до 7230С. Чтобы обезопасить структуру металла от нежелательных фазовых превращений ограничим верхний предел температур Т=6000С, тогда для ст. 40Х при Тн= 4000С - в= 50кг/мм2; при Тн= 4500С - в= 42кг/мм2; при Тн= 5000С. - в= 30 кг/мм2; при Тн= 6000С - в= 20кг/мм2.
Подставив последовательно полученные значения параметров в известную формулу, получим:
(21)
где Тр - оптимальная температура резания металла; вн - прочность на разрыв нагретого металла; вх - прочность на разрыв холодного металла.
После логарифмирования данного выражения и подстановки данных получим: при 4500 Трез =601,70С; при 5000 - Трез =680,90С; при 6000 Трез =7980С
При обычном резании металла без нагрева заготовки пламенном газовой горелки температура резания зависит только от сопротивления металла резанию и является функцией прочности металла на разрыв и пластических параметров при сдвиговых деформациях.
При резании с нагревом температура в зоне резания значительно возрастает за счет нагрева металла пламенем горелки именно поэтому для реализации комплексного метода обработки необходимо применение охлаждаемого водой инструмента.
Полученные результаты позволяют выбрать оптимальные режимы резания при механической обработке деталей с нагревом.
Определение усилия резания нагретого до температур разупрочнения металла. Проведено сравнительное исследование механической обработки холодным резанием и способом резания с нагревом детали до температур разупрочнения. Исследование проводилось на сталях марок: ст. 45, ст. 40Х и ст.20Х13 на станке 16К20. Материал пластины режущего инструмента Т5К10 Изменялись режимы резания: -глубина резания t- от 0,8 мм до 4,0 мм; -величина продольной подачи S-от 0,28 мм/об до 0,52 мм/об; -частота вращения шпинделя, при n - от 200 мин-1 до 1600 мин-1; и температура на глубине срезаемого слоя Т=400 - 550С.
Исследования составляющих сил резания Рz и Ру при точении с нагревом (Тн=450оС) и без него показали, что происходящее в результате нагрева разупрочнение верхнего слоя металла приводит к снижению сил резания практически для всех режимов обработки в 1,3-2 раза.
Такое снижение нагрузки на инструмент является существенным резервом повышения точности размеров на 1-2 квалитета при обработке нежестких валов и увеличения подачи и глубины резания, а значит - производительности обработки в 5-7 раз, особенно на черновых операциях.
Из проведенных результатов следует отметить, что при нагреве заготовки до Т = 450-6000С усилие резания в три раза меньше, чем усилие резания холодного металла.
Износ режущего инструмента определяется трением скольжения о поверхность обрабатываемой детали режущей и вспомогательной поверхностей инструмента.
За величину сравнительной характеристики был выбран относительный износ задней поверхности напаянных режущих пластин из Т15К10 при холодном резани заготовок диаметром 48 мм и длиной 300 мм из стали 45 (S= 0,28 мм/об, t= 0,8мм , n= 1600 об/мин) без охлаждения СОЖ. Величина hз при холодном точении оказалась равной 1,0 мм при l= 250 мм на длине резания L= 134,57м. Величина относительного износа составила 7,431 мкм/м.
Резание с нагревом проводилось после разогрева заготовки пламенем горелки до температуры на глубине резания в 4000 -5500С по той же схеме. Величина hз при резании стали 45 с нагревом оказалась равной 180 мкм при l=250 мм на длине резания L=134,57м. при тех же режимах резания и диаметре заготовки. Величина относительного износа составила 1,337 мкм/м.
Известно, если отводить тепло от режущей пластины резца, то стойкость инструмента возрастает. Нами были проведены эксперименты с водо- охлаждаемым резцом. Отвод тепла от грани режущего инструмента за счет внутреннего водяного охлаждения дало снижение относительного износа задней поверхности резца, как при холодном резании, так и при резании с нагревом. Средняя величина относительного износа инструмента по задней поверхности сокращается при холодном резании с 6,137 до 2,558 мкм/м, почти в 3 раза. При резании с нагревом средняя величина относительного износа сокращается с 1,129 до 0,947 мкм/м на 20% при глубине резания 0,8 мм и с 1,233 до 0,998 мкм/м на 22% при глубине резания в 4 мм.
Обработка результатов экспериментов стойкости режущего инструмента позволила определить основные факторы, влияющие на стойкость. Метод тождества размерностей дал следующую зависимость стойкости режущего инструмента при резании с нагревом до температур разупрочнения в снимаемом слое
, (22)
где с - теплоемкость материала режущего инструмента, кал гр /град; Трез Цтемпература резания металла, град; U - постоянная, зависящая от отношения прочности стали инструмента к материалу детали, инстр /дет; В - постоянная, зависящая от соотношения твердости режущей кромки инструмента к твердости нагретой детали; - коэффициент температуропроводности через площадку контакта детали с режущим инструментом, в кал/ см сек град; Тдет - температура срезаемого слоя детали, в град; F- нарастание площадки износа по задней поверхности инструмента за период резания нагретой детали, в см; - удельный вес снимаемого резанием металла, в гр/см; n-частота вращения шпинделя при резании металла, в об\мин,; S Цподача инструмента, в мм\об; t -глубина резания, в мм; L Цдлина резания, в мм.
Компьютерное моделирование позволило представить результаты расчетов износа режущего инструмента при резании стали с нагревом от режимов резания в виде трехмерных графика. Например, для износа пластины Т5К10 при резании ст. 45 график выглядит так (см. рис.4):
Рис.4. Значения h мм при: V = 18 - 150м/мин ; S = 0,28 - 0,52 мм/об; t = 4мм; Tдет = 400С.
С целью сравнения износостойкости обычного режущего инструмента при резании с нагревом с инструментом, применяемым для точения с пластинами из СТМ, было проведено сравнение стойкости, полученной в результате экспериментов резания с нагревом со стойкостью пластин СТМ по данным рекламных проспектов фирм - изготовителей этого инструмента. В результате был построен график, который наглядно демонстрирует преимущество резания с нагревом резцами из обычных инструментальных материалов см. рис.5.
Рис.5. График изменения величины износа пластины из СТМ марки МВ 8025 при холод-ном резании с использованием СОЖ и пластины из ВК6 отечественного производства, полученный по результатам замеров величины износа при резании с нагревом
В случае резания с нагревом охлаждение СОЖ не применялось. Верхняя кривая взята из рекламного проспекта фирмы, а вторая - построена по результатам замеров износа задней поверхности резца после резания с нагревом закаленной стали 40Х
В пятой главе приводятся результаты исследования физико-механических свойств металла, обработанного с нагревом и ППД.
Целью исследования изменений физико-механических свойств металла, обработанного резанием с нагревом с последующим пластическим де-формированием нагретой детали являлось выяснение закономерностей разрушения сварного соединения под действием знакопеременных крутящих моментов и влияния характера механической обработки сварного шва (холодное резание либо резание с нагревом) на число циклов испытания шва под нагрузкой Р до момента его разрушения по ГОСТ 25.502 - 79.
Испытаниям подвергали сварные детали, цилиндрические части, которых были изготовлены из одной марки материала, из разных марок стали, шов выполнялся наплавкой той же марки сплава, что у цилиндрических частей и шов выполнялся обычным сварочным низкоуглеродистым электродом. Детали перед испытанием подвергали механической обработке резанием холодным обычным методом и резанием с нагревом срезаемого слоя пламенем горелки. Обработка проводилась с целью удаления с детали валика наплавленного металла и придания детали соосной цилиндрической формы
В ходе экспериментов было обнаружено, что трещины разрушения возникают чаше всего на границах стыка сварного шва и менее прочной ци-линдрической части сварной детали. Для образцов ст.45 +ст.40Х трещины возникали преимущественно по границам более хрупкой ст.40Х.
Разрушение происходило под действием касательных напряжений, возникающих от знакопеременных крутящих моментов при резком торможении правой цилиндрической части детали. У равнопрочных металлов цилиндрических частей трещины возникали в менее прочном сварном шве. Характер излома зависит от физико-механических и структурных свойств материала в сечении разрыва.
Исследование параметров точности обработки поверхности детали с нагревом проводилось при соблюдении условий: термоизолирования. После проведения точения при t = 0,8мм, S = 0,1 мм/об. и n = 350 - 1600 об/мин, нагретых до температур Т = 4500С заготовок, получили следующие результаты:
Усредненные значения суммарных погрешностей следующие:
i Т=4000 = 55мкм; i Т=5000 = 51мкм; i Т=6000 = 45мкм
При точении заготовок с глубиной резания t =2мм величины усредненных погрешностей возросли до следующих величин.
i Т=4000 = 66мкм; i Т=5000 = 58мкм; i Т=6000 = 51мкм.
Следует сказать, что в обоих случаях резания суммарные величины по-грешностей не выходят за пределы допуска на размер
(23)
Как показали замеры диаметральных размеров детали, обработанной резанием с нагревом, отклонения формы поверхности от цилиндричности, характерные для холодного резания, отсутствовали. У деталей, обработанных ППД нагретой поверхности роликовым накатником, отклонений формы поверхности от цилиндричности также не наблюдалось. Более того, у деталей имевших перед ППД отклонения формы поверхности от цилиндричности, эти отклонения после обработки роликом нагретой поверхности уменьшались.
Из полученных результатов можно сделать следующие практические выводы:
1.Жесткость детали нагретой до температуры 600С. достаточна для проведения точения с нагревом при увеличении глубины резания в 4 раза.
2.Обработка нагретого металла резанием, совмещенная с ППД нагретой поверхности позволят получить более точные детали по сравнению с холодным точением.
Исследование шероховатости поверхностей обработанных холодным резанием и резанием с нагревом детали внешним тепловым источником, про-водили под бинокулярным микроскопом. По результатам замеров шероховатости были построены графики зависимостей Rа=f(V) при S=const и t= const для ряда сталей: ст.45; ст.40Х; ст.20Х13; ст. 15ХМ и ст. Х12Ф1. Результаты замеров шероховатости при обработке резанием с нагревом ст 45 приведены на рис.6.
Rа,мкм
4,0
3,0
2,0
4
1,0
0 5 10 20 30 40 50 V,м\мин
Рис.6. Зависимость параметров шероховатости Rа в мкм от скорости резания V,м\мин при S = const.при холодном резании и резании с нагревом стали ст.45
Сравнение графиков позволяет утверждать, что, в результате резания с нагревом шероховатость обработанной поверхности на черновом этапе проходным упорным резцом близка к шероховатости чистового точения. Для всех исследуемых сталей шероховатость снижается в 2,5 - 3 раза (с 6 - 5 мкм до 3,2 -2,0 мкм). Все анализируемые зависимости Rа= f(V) при S= const и t= const имеют графики с идентичными кривыми.
Теория поверхностного пластического деформирования холодного металла создана отечественными учеными: Смелянским В. М., Балтером М. А., Богатовым А.А., Маркусом Л. И., Папшевым Д.Д и др. Метод улучшения поверхности нашел себе применение при металлообработке во всех отраслях промышленности.
Анализ публикаций дал возможность автору убедиться в отсутствии работ по ППД нагретой до температур 450 - 550С детали.
ППД - это обработка деталей давлением (без снятия стружки), при которой пластически деформируется только тонкий поверхностный слой детали
При обработке роликовым накатником длина дуги поверхности ролика, контактирующей с вершинами шероховатости, может быть найдена по формуле:
L=, (24)
где: R-радиус давящего ролика, мм; Rz - шероховатость поверхности детали, мм; сos =.
Подставим все величины в формулу (24) и решив найденную зависимость, умножим данную величину на длину ролика получим площадь распространения усилия давления ролика при накатывании на вершины шероховатости до полного их смятия. F =L x l
Рассчитаем усилие давления ролика по формуле, учитывающей смятие материала
, (25)
где: - предел текучести материала обрабатываемой детали, кг/мм; F- площадь контакта ролика с нагретой поверхностью детали, мм; Е - модули упругости разогретого и холодного металла соответственно.
Прочность металла и модуль упругости в зависимости от температуры нагрева имеют тенденция к уменьшению. При расчете усилия давления для давящего охлаждаемого водой ролика с Т = 20C принимаем Е 10= 215, а для нагретого материала детали до Т= 750C принимаем Е 10= 130. Тогда усилие, приложенное к ролику, будет равно кг (515 Н)
При накатывании холодного металла с целью смятия вершин шероховатости и закатывания их во впадины потребуется приложение усилия, величина которого кг (1500 Н) в три раза больше, чем при накатывании нагретого металла.
По данным экспериментов накатывания нагретой до 500 - 600C по-верхности детали из ст.45 и ст. 40Х, были построены графики зависимости шероховатости поверхности от усилия, приложенного к ролику см. рис.7.
Здесь пунктиром показана зависимость, полученная при ППД холодного металла, а сплошной линией - результат ППД нагретой поверхности детали до Т= 500C.
3,6 2,5 1,25 0,8 0,2 Ra, мкм
Рис.7. График зависимости шероховатости поверхности от усилия давления ролика на поверхность при ППД металла
Изменение показателей качества поверхностного слоя и самой поверхности определяется свойствами обрабатываемого материала, состоянием исходной поверхности и режимами резания металла с нагревом и ППД.
Исследование микро твердости поверхностных слоев металла обработанного резанием с нагревом показало отсутствие наклепа. У образцов, вырезанных из деталей, обработанных холодным резанием и деталей обработанных ППД с нагревом наклеп имеет место.
Проведенные эксперименты по ППД охлаждаемой водой нагретой поверхности по ходу совмещенного процесса резания с нагревом и ППД показали наличие наклепа на поверхности. Было отмечено повышение микротвердости поверхности по сравнению с результатами замеров после холодного резания.
Процесс пластического деформирования поверхности, охлаждаемым водой роликовым накатником, отличается тем, что металл испытывает не только давление, но и тепловой удар при охлаждении. Получение столь малой величины шероховатости поверхности детали можно объяснить наличием паровой прослойки между давящей поверхностью ролика и сминаемой шероховатостью детали. В этом случае на детали нет отпечатка шероховатости поверхности ролика, которая получается в результате накатывания без охлаждения.
Давление ролика на нагретый металл изменяет структуру тонкого поверхностного слоя. Ролик вминает вершины шероховатости во впадины и измельчает структуру поверхности нагретого металла (рис.8). Улучшение структуры упрочняет поверхностный слой детали в 1,5 раза. Микро твердость металла обкатанного охлаждаемым роликовым накатником также возрастает на 50 -75%. После такой обработки в изделиях получается сочетание сравнительно высокой твердости и прочности обработанной ППД поверхности с хорошей упругостью и вязкостью металла основы.
Рис.8.Фотография шлифа поверхностного слоя стали 40Х после обкатки роликом нагретой поверхности детали. В поверхностном слое кристаллы измельчены х450.
При холодном резании в результате пластической деформации металла поверхностного слоя, фазовых превращений металла и вследствие тепловых воздействий в этом слое формируется макроскопические остаточные напряжения (остаточные напряжения первого рода), уравновешивающиеся в пределах областей, размеры которых одного порядка с размерами раздробленных кристаллов в поверхностном слое детали. В результате поверхность детали покрывается микро надрывами.
При резании с нагревом микро надрывов металла, характерных для холодного резания, не наблюдается. Данное явление объясняется тепловым воздействием и сведением к нолю силы Ру, радиально направленной от режущего инструмента к центру детали.
Анализ структуры металла, проведенный под микроскопом при х200, показал, что при холодном резании получается структура характерная для данной стали. В шлифе перлитно-ферритной стали, преобладает темный цвет пластин перлита, а в структуре металла после резания с нагревом преобладают светлые тона, говорящие о том, что металл претерпел нагрев. Резание с нагревом металла сварных швов характеризуется изменениями структуры металла, связанными с зонами термического воздействия на основной металл при сварке либо после нагрева перед резанием и ППД.
Следует отметить факт снижения поверхностной твердости, обусловленный отсутствием наклепа при резании металла с нагревом. После ППД наклеп возвращается. При резании металла с нагревом с последующей поверхностно- пластической обработкой величина наклепа является величиной регулируемой режимами обкатки роликовым накатником.
В шестой главе приводятся данные по разработке и внедрению технологии обработки заготовок резанием с нагревом и ППД. Разработка технологии резания с нагревом сопровождалась расчетом режимов резания. Расчеты режимов холодного резания производили по нормативам обработки поверхностей с твердосплавными напаянными пластинами типа Т5К10. При выборе инструмента с закрепляемыми пластинами из спеченных сверхтвердых материалов (СТМ) для определения режимов резания пользовались рекомендациями фирм производителей этого инструмента. В качестве примера рассчитали режимы резания при обработке на ремонтный размер изношенных цилиндрических шеек вала диаметром 80 мм. Ма-териал детали ст. 45.
Как показали расчеты суммарное время обработки (черновое точение + полу чистовое + чистовое) составило: 1,66 + 0,58 +0,33 +0,31 +1,65 = 4,53 мин. Штучное время обработки поверхности на ремонтный размер составило величину равную основному времени и времени вспомогательных операций, которые в сумме больше основного времени примерно в два раза, т.е. tшт=4,53 +9,06 = 13,59 мин. Ремонт детали резанием с нагревом и ППД занял всего (основное время + время вспомогательных операций) 2,5 минуты.
При резании с нагревом данную поверхность обрабатываем 1 раз с при-пуском равным 4 мм на сторону. При нагреве детали до температур разупрочнения в срезаемом слое прочность стали уменьшается в два раза. Следовательно, усилие резания составит: Pz1 = 450 ⋅ 0, 85 ⋅ 0,5 = 191,25 кг. Резание вели проходным резцом упорным с величиной подачи So1 пасп. = 0,52 мм/об. Если принять скорость резания равной скорости получистового холодного точения V1 = 115 ⋅ 0,75 ⋅ 1,0 ⋅ 1,0 = 86,25 м/мин, то число оборотов двигателя будет: , об/мин; , об/мин.. Такой скоростной режим использует только 0,25 квт мощности, что составляет 2,8% от мощности установленного эл. двигателя станка в 9 квт. Это говорит о том, что станок по мощности позволяет вести обработку металла резанием с нагревом с большими скоростями, чем полученные по расчету.
Механическое резание с нагревом срезаемого слоя было использовано при обработке сварных деталей, а также при точении наплавленных покрытий на ремонтируемую деталь.
Восстанавливали изношенную шлицевую поверхность вала наплавкой с последующим резанием металла с нагревом. Изношенную поверхность по старой технологии обтачивают, затем наплавляют методом электросварки, а затем деталь отжигают и протачивают за несколько проходов, с очень малой подачей и глубиной резания. Процесс длителен по времени и поэтому изношенная деталь чаще выбрасывается. Использование технологии резания с нагревом делает процесс восстановления шлицевых поверхностей наплавкой экономически выгодным.
Процесс обработки сварного шва детали интенсифицирован за счет резания наплавленного слоя без применения операции рекристаллизационного отпуска сварного шва. Поскольку при резании с нагревом срезаемый слой металла прогревается до Т=450 -6000С на глубину 5-6 мм, то проходит процесс рекристаллизации сварного шва в процессе резания.
С целью сокращения сроков ремонта изношенных деталей в чрезвычайных условиях, было предложено производить ремонт на передвижных автомастерских. Для этого предложено два варианта размещения металлорежущего и газового сварочного оборудования в кузове передвижной ремонтной мастерской. Оба предложения защищены Патентами на полезную модель РФ №32053 и №.34463.
Учитывая возможность нагрева детали в промышленности лучом лазера, был запатентован способ и устройство сканирования луча вдоль обрабатываемой заготовки с необходимой амплитудой и частотой см. Свидетельство на полезную модель №28840.
Расчет экономической эффективности использования резания с нагревом в ремонтном производстве произвели на примере определения себестоимости ремонта полуоси заднего моста автомобиля по двум сопоставимым вариантам.
Суммарная себестоимость (без учета амортизационных затрат) полу-оси, полученной механической обработкой составит: 1228,5 + 22,13 + 101,7 = 1352,33 рубля за одну деталь.
Суммарная себестоимость ремонта полуоси сваркой с последующей механической обработкой резанием с нагревом составит: 13,9 + 16,64 + 52,72 = 83,26 рублей за одну деталь. Разница между себестоимостями даст экономию в 1269,07 рублей за одну деталь. При ежегодном объеме ремонта на предприятии 500 машин с заменой деталей отремонтированных по предлагаемой технологии экономический эффект от внедрения разработки составит более 600 тысяч рублей.
Для оценки эффективности использования в промышленности изготовления сложных деталей комплексным методом точения с нагревом и пластическим деформированием нагретой ТВЧ поверхности детали, с привлечением методики проектирования металлообрабатывающих цехов, был произведен расчет затрат на обработку в производственных условиях 1000 штук деталей в год. Результаты расчета по статьям затрат сведены в табл. 4.
Таблица 4.
Статьи затрат калькуляции цеховых расходов | Затраты, в тыс.руб. | |
Базовый вариант | Предлагаемый вариант | |
Фонд заработной платы Амортизация производственного оборудования Затраты на эл. Энергию Затраты на сжатый воздух Затраты на пар Затраты на воду Затраты на материалы и ремонт оборудования, оснастки и т.п. | 23467,403 115,179 529,3 52,98 583,834 1,824 4058,0 | 19827,4 98,013 430,665 52,98 417,024 1,303 3384,794 |
Итого | 28808,52 | 24212,196 |
Использование комплексного метода обработки 1000 штук деталей с нагревом ТВЧ в промышленном производстве дал условную годовую экономию 4 миллиона 596 тысяч 324 рублей.
Разработанная технология восстановления изношенных поверхностей резанием с нагревом на ремонтный размер была внедрена в практику ремонта войсковой части № 42237 и ФГУП 84 ЦУП. Как показало внедрение при ремонте военной техники, в результате интенсификации резания (значительно возрастает скорость и глубина резания, совмещается черновой и получистовой этап обработки) только в одной воинской части достигается экономия денежных средств до 550 тыс. рублей в год. Кроме того, данный метод позволяет восстанавливать в полевых условиях до 75-80% машин, вышедших из строя в результате поломок.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЕ
1. Анализ производственных и литературных данных показал, что отсутствует единая теория комплексного метода резания металлов с нагревом и пластической деформацией нагреваемой поверхности детали, а также не изучены физические процессы протекающие при этом.
2. Выявлены, исследованы и систематизированы основные физические закономерности комплексного метода резания металла с нагревом и пластической деформацией обрабатываемой поверхности (образование стружки, тепловыделение, усилие резания и давления).
3.Получены математические зависимости в виде полиноминальных моделей, отражающих влияние режимов нагрева цельных и сварных заготовок из стали на усилие резания (Pz), качество обработанной поверхности и стойкость инструмента. Полученные зависимости позволяют назначить режимы комплексного метода обработки металла с нагревом и ППД в производственных условиях, с целью получения заданного качества поверхностного слоя, формы поверхности и производительности труда.
4. Выполнены экспериментальные исследования, подтвердившие эф-фективность применения комплексного метода резания сталей с нагревом с последующей пластической деформацией нагретой поверхности детали. При точении с нагревом цельных и сварных заготовок из конструкционных, изно-состойких и жаростойких сталей сопротивление нагретого металла резанию снижается в 1,4-2,2 раза. При механической обработке это является резервом повышения точности размеров на 1-2 квалитета.
5. Новый комплексный метод обработки металла интенсифицирует производство в 3-4 раза за счет увеличения величины скорости резания, подачи и глубины резания, а пластическое деформирование нагретой поверхности улучшает качество обработанной детали, создавая поверхностный бездефектный слой со структурой металла, лишенной микро надрывов, характерных для поверхности после холодной обработки резанием.
6. Сравнительное исследование износа инструмента при резании с нагревом показало, что на всех режимах резания стойкость инструмента с пластинами из твердых сплавов (Т15К6, ВК6М) выше, чем стойкость инструмента с пластинами из СТМ при холодном резании. За критерий износа при обработке сталей (ст.20X13, 15ХМ и др.) был принят износ по задней поверхности резца.
7. Установлено, что процесс резания с нагревом поверхности детали обеспе-чивает снижение параметров шероховатости до 1,2 мкм. Накатывание нагретой поверхности детали охлаждаемым роликом доводит параметры шероховатости до 0,8 -0,2 мкм. Во всех случаях обкатки роликом нагретой поверхности получены параметры шероховатости сопоставимые с результатами финишного этапа обработки поверхностей шлифованием.
8. Нагрев перед резанием позволяет обойтись без термической обработки сварного и наплавленного металла. Снижение сил резания при нагреве сварных швов по не отожженной корке наплавленного металла обеспечивает быстрый ввод в строй поврежденной техники при ремонте деталей сваркой и наплавкой. Данный метод обработки опробован и дал положительные результаты при обработке деталей из износостойкой и жаропрочной стали.
9. На основе полученных результатов разработаны и внедрены в про-изводство технологические процессы изготовления и ремонта сложных ответственных деталей машин с нагревом поверхности, обеспечивающие возможность повышения производительности при обработке закаленных длинномерных деталей при установленных (требуемых) параметрах качества поверхностного слоя и макро отклонений формы поверхности.
Годовой экономический эффект от внедрения процесса резания с нагревом в ремонтном производстве только одной воинской части в среднем составил 475 тыс. рублей. Экономическая эффективность применения нового комплексного метода обработки в промышленности, при серийном производстве по предварительным расчетам, составляет более 4-х миллионов рублей за счет сокращения технологического процесса, фонда заработной платы и снижения уровня производственных расходов, связанных с интенсификацией обработки металла.
10. Внедрение технологических процессов обработки деталей машин реза-нием с нагревом интенсифицирует производство техники, повышает производи-тельность труда, снижает энергетические и материальные затраты, позволяет отказаться от дорогостоящего дефицитного импортного инструмента, в ряде случаев отказаться от использования прецизионного оборудования и отделочных операций, в том числе шлифовальных. В ремонтном производстве данный метод позволяет дополнительно отказаться от промежуточных операций термической обработки. Предлагаемая к реализации технология обеспечивает более эффективный и качественный выпуск машин и механизмов, позволяет оперативно восстанавливать поврежденную технику и возвращать её в строй.
Патенты и свидетельства, полученные на разработки диссертации:
1. Патент Российской Федерации №2188747RU 7 В23 В1 \ 00. Способ механической обработки конструкционных сталей резанием. В.М. Сорокин, В.И. Котельников, В.А. Зотова и др. Опубликовано:10.09.2002. Бюл. № 21.
2. Свидетельство на полезную модель №24131 Охлаждаемый резец. Сорокин В.М., Котельников В.И., Зотова В.А. Опубликовано: 27.07.2002. Бюл. № 21.
3. Патент на полезную модель РФ № 32053 Передвижная ремонтная мастерская. В.М. Сорокин, В.И. Котельников, Ш.Р. Абдуллаев. Опубликовано: 10.09.2003. Бюл. № 25.
4. Патент на полезную модель РФ № 34463. Автофургон аварийно-технической службы В.М. Сорокин, В.И. Котельников, Ш.Р. Абдуллаев. Опубликовано: 10.12.2003 Бюл. № 34.
5. Свидетельство на полезную модель №28840, 7 В23 К26 \ 00. Устройство для упрочнения наружных цилиндрических и эксцентриковых поверхностей распределительных валов лучом лазера В.М. Сорокин, В.И. Котельников и др. Опубликовано: 01. 27.2005 Бюл. №20.
6. Патент на полезную модель RU №68391 U1 Зажимные кулачки токарного станка В.И. Котельников, А.О. Краснов. Опубликовано: 27.11.2007 Бюл.№33.
7. Патент на полезную модель №77867 Индуктор для нагрева деталей токами высокой частоты Авторы: Котельников В.И., Беляков В.В., Переведенцев И.Ю. и др. Опубликовано 2008.11.10.
8. Патент Российской Федерации на изобретение №2340427 Способ механической обработки конструкционных сталей резанием В.М.Сорокин, В.И. Котельников, В.Е.Митрофанов. Опубликовано10.12.2008 Бюл №34.
Основное содержание работы опубликовано в следующих материалах:
1. Изменение параметров резания при нагреве детали до температур разупрочнения. В.М. Сорокин, В.И. Котельников, В.А. Зотова. // Сб. тезисов докладов на НТК Аэрокосмическая техника и высокие технологии Пермь, ПГТУ. 2001. с. 267- 268.
2. Математическая модель формирования регулярной шероховатости в зависимости от режимов резания и температуры нагрева обрабатываемой детали. В.И. Котельников, В.А. Зотова.// Материалы Всероссийской н/пр. конференции Современные аспекты компьютерной интеграции Машиностроительного производства. Оренбург, ОГУ, 2003. с.85 - 87.
3. Стойкость режущего инструмента при токарной обработке заготовок с нагревом снимаемого слоя металла факелом пламени. В.И. Котельников, В.А. Зотова. // Материалы Российской н/т. конференции Проблемы определения технологических условий обработки по заданным показателям качества изделий. Рыбинск, РГАТА, 2003. с.115 Ц118.
4. Обеспечение износостойкости режущего инструмента при резании металла с нагревом. В.И. Котельников, В.А. Зотова.// Материалы 7-й н/пр. конференции Интенсификация технологических процессов в машиностроении. Ульяновск, УГТУ, 2003. с.126 - 128.
5. Применение обработки металла резанием с нагревом при ремонте деталей машин. В.И. Котельников, Ш.Р. Абдуллаев, А.А. Ларин.// Межвузовский сборник статей по материалам ВНТК Прогрессивные технологии в машино- и приборостроении. Н. Новгород - Арзамас: НГТУ, 2004. с. 75-77.
6. Улучшение качества сварных поверхностей резанием с нагревом при ремонте. В.И. Котельников, Ш.Р. Абдуллаев. // В сб. докладов второй Международной НТК Надежность и ремонт машин. Орел. 2005 с. 16-17.
7. Исследование влияния отсутствия наклепа после резания металла с нагревом на эксплуатационные свойства машины. В. И. Котельников, Ш. Р. Абдуллаев, В. А. Милованов и др.// Материалы Всероссийской н/т. конференции. Прогрессивные технологии в машино- и приборостроении. Арзамас, НГТУ, 2005 с.130-132. .
8. Повышение точности и качества обработки поверхностей детали резанием с нагревом. В. И. Котельников, В. А Зотова.//В сб. V Международной н/т конференции Материалы и технологии ХХ1 века. Пенза, 2007. с. 60-65.
9.Котельников В.И. Технология обработки резанием с нагревом сварных деталей.// В кн. Основы ремонтного производства; НГТУ, Н.Новгород, 2007. с.75-86.
10. Нагрев конструкционных сталей концентрированным потоком энергии пламени газовой горелки при токарной обработке. В.И. Котельников, А.О. Краснов, А.А. Ларин.// В сб. Ш Международной научно-технической конференции Прогрессивные технологии в современном машиностроении. Пенза, 2007. с.91-95.
12. Воздействие потока энергии на поверхностный слой наплавленной детали при токарной обработке. В.И. Котельников, А.О. Краснов.// В сб. 3 Международной научно-технической конференции Прогрессивные технологии в современном машиностроении. Пенза, 2007. с.95-98.
*13. Обработка сварных деталей резанием с нагревом, совмещенным с ППД. В.И. Котельников, Ш Р. Абдуллаев.// М.; Заготовительное производство в машиностроении. №7, 2007, с.10-12.
14.Котельников В.И. Обработка поверхности стальных деталей методом пластического деформирования.// В сб. 4-ой Всероссийской научно-практической конференции Защитные и специальные покрытия, обработка поверхности в машиностроении и приборостроении. Пенза, 2007, с.46-49.
15. Обработка резанием с нагревом поверхностей деталей, восстановленных наплавкой. В.И. Котельников, А.О. Краснов, А.А. Ларин. //Труды восьмой международной НТК по динамике технологических систем. Ростов-на-Дону, том 2, ДГТУ, 2007, с.204-210.
16. Моделирование изменения усилия резания с нагревом. Котельников В.И., Манцеров С.А..// В сб. Компьютерные технологии в машиностроении. Тольятти, 2007. с.174-179.
17. Экономические преимущества обработки металлов резанием с нагревом по сравнению с обычным резанием пластинами из СТМ В.И. Котельников, А.О. Краснов.// В сб. 6-ой Всероссийской НТП конференции Социально-экономическое развитие России в 21 веке Пенза, 2007, с.84-86.
18. Тепловой расчет охлаждения нагретой детали при её токарной обработке. В.И. Котельников, А.О. Краснов, В.П. Кожемякин. Прикладная механика и технология машиностроения, Изд-во Интел.сервис Н.Новгород, № 2 (11), 2007, с.41 - 45.
*19. Резец с водяным охлаждением. В.И. Котельников, Ш.Р. Абдуллаев, А.А. Ларин.//М.; Станки и инструмент, №12, 2007, с.23-24.
20. Моделирование стойкости режущего инструмента в зависимости от режимов резания. В. И. Котельников, С.А. Манцеров, В.В. Гоева, В.В. Семенюк.// В сб. V1 Международной научно- технической конференции. Материалы и технологии ХХ1 века. Пенза, 2008. с. 98-106.
21. Поверхностно пластическое деформирование с нагревом наплавленной детали. В.И. Котельников, А.О. Краснов, Ш.Р. Абдуллаев, А.А. Ларин.// Сб. трудов 10-ой юбилейной международной научно- практической конференции. Технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки. Часть 2, С-.Петербург. 2008. с. 223-232.
22. Обработка наплавленного слоя резанием с нагревом. В.И. Котельников, А.О. Краснов, / Современные проблемы механики и автоматизации в машиностроении и на транспорте Труды НГТУ, том № 67, Н.Новгород, 2008, с.117-120.
*23. Изменение усилия резания при обработке наплавленного слоя. В.И. Котельников, А.О. Краснов.// М.; Вестник машиностроения, № 3, 2008, с.50-51.
*24. Котельников В.И. Влияние нагрева детали пламенем горелки на стойкость токарных резцов.// М.; Станки и инструмент, 2008, № 4, с.13-15.
*25. Котельников В.И. Обработка резанием с нагревом наплавленного металла на поверхности детали.// М.; Заготовительное производство в машиностроении, № 5, 2008, с.49-51.
*26. Восстановление изношенных поверхностей деталей наплавкой с последующей обработкой резанием с нагревом и ППД. В.И.Котельников, В.В. Гоева.// М.; Ремонт. Модернизация. Восстановление, 2008, № 6, с. 14-17.
*27. Влияние ППД нагретой поверхности металла на качество детали. В.И. Котельников, А.О. Краснов, И.Ю. Переведенцев.// М.; Вестник машиностроения, 2008, № 7, с. 51-53 .
*28. Обработка резанием с нагревом наплавленных поверхностей заготовок. В.И. Котельников и А.О. Краснов // М.; Станки и инструмент, 2008, № 10, с.23-27.
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям