INCREASING THE EFFICIENCY OF THE CUTTING AND PROCESSING OF GEARS

Full Text

ВВЕДЕНИЕ Технология изготовления во многом определяет качество и производительность обработки деталей. Поэтому новые перспективные технологии, основанные на использовании дополнительных источников энергии, к которым относится ультразвук, являются актуальными. Эффективное направление применения ультразвуковых колебаний - интенсификация процессов механической обработки [1-4]. При этом вместе с основными движениями присутствуют колебания ультразвуковой частоты. Как известно, введение ультразвука при точении приводит к улучшению эксплуатационных характеристик деталей. Поэтому целью настоящей работы являлось исследование влияния ультразвука на основные показатели процессов зубодолбления и зубошлифования труднообрабатываемых материалов, при обработке которых применение ультразвука наиболее эффективно [5, 6]. Важнейшим технологическим показателем, который определяет качество и точность обработки зубчатых колес является силы резания. МЕТОДИКА, РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ АНАЛИЗ На рис. 1 представлены составляющие силы резания и схема работы долбяка. Сила резания может быть определена на основе гипотезы о равенстве удельных работ пластической деформации при резании и сжатии в условиях равных пластических деформаций[7]. Рассмотрим процесс резания как процесс пластического сжатия, который подчиняется политропической зависимости. (1) или , (2) где P0 - начальная нагрузка при сжатии образца высотой h0, P -текущая нагрузка, возрастающая с уменьшением высоты h (рис.2) . Принимаем и , где f0 и f - первоначальная и текущая площади образца, σ0 - условный предел текучести, σ - предел текучести при определенной степени сжатия. После преобразования получим , (3) где n - показатель политропы сжатия, характеризующей склонность испытуемого материала к упрочнению, n = m-1. На рис. 3 в двойных логарифмических координатах представлена кривая политропической зависимости при сжатии. Итак, . (4) Принимая нормальную силу резания PN при площади среза f=ba=ts, эквивалентной силе P, сжимаещей образец с такой же площадью поперечного сечения при одинаковой усадке k1, равной a1/a=h0/h получим выражение для Pz при резании сплава ВКС-4 с ультразвуком . (5) При зубодолблении среднее суммарное усилие резания, действующее на долбяк, зависит от площади сечения стружки и давления резания p. , (6) где ΣFср - среднее сечение стружки, получаемое от всех зубьев, работающих одновременно. , (7) где Sкр - круговая подача, Zзаг - число нарезаемых зубьев. Для случая ультразвукового зубодолбления Σ Pz ср уз= ΣFср pуз . Расчеты показали, что Σ Pz ср уз = 400 Н, Σ Pz сp = 650 Н. Таким образом, введение ультразвука в зону резания привело к снижению среднего суммарного усилия на 38%. Физическую природу этого явления можно объяснит с позиций теории дислокаций как результат воздействия ультразвука на дислокационный механизм пластической деформации, в частности, повышения подвижности дислокаций и увеличении числа плоскостей скольжения. Поэтому отмеченная тенденция к снижению сил резания по-разному проявляется при ультразвуковом резании материалов различной кристаллической и дислокационной структурой. Различная эффективность ультразвука не является случайной, а отражает сложный механизм эволюции субструктуры при локальном поглощении ультразвуковой энергии. Исследования проводили при обработке шестерен из сплава ВКС-4 (13Х3НВМ2Ф-Ш) долбяками из быстрорежущей стали Р6М5 (α=6°, γ =5 °). Таким образом, предложенная методика сравнительного анализа сил резания при обычном и ультразвуковом зубодолблении позволяет не только с достаточной точностью оценивать средние значения сил резания, но и выявить значительное их снижение при воздействии ультразвука. Результаты исследования позволили установить, что при ультразвуковом зубодолблении составляющая Pz уменьшается в 1,5…2 раза. Причем с изменением подачи с 0,16 до 0,25 мм/дв. ход минимальное значение Pz снизилось с 650 до 350 Н. Изменение амплитуды колебаний ξ от 0 до 10 мкм приводит к снижению составляющей силы резания от 1800 Н до 800 Н (рис. 4). При абразивной обработке с применением ультразвука формообразование происходит в результате массового микрорезания множеством абразивных зерен [7]. Моделированием процесса установлено, что при введении в зону резания тангенциальных колебаний составляющая силы резания Pz снижается в 1,2…1,5 раза. Это можно объяснить изменением механических свойств обрабатываемого материала, в частности, изменением его твердости. Сравнение теоретических и экспериментальных данных показало хорошую сходимость результатов. Снижение сил при ультразвуковом резании отражает общую закономерность воздействия ультразвука на процессы пластического формообразования, одним из проявлений которой является снижение сопротивления пластической деформации связанное с изменением механических свойств материала в ультразвуковом поле. Эта особенность ультразвукового резания оказывает положительное влияние на основные физико-технологические показатели процесса, в том числе на работоспособность режущего инструмента, качество поверхностного слоя, точность обработки. В результате происходит снижение накопленной погрешности окружного шага в 1,4 раза, уменьшение колебаний длины общей нормали не 15-20%, повышение плавности зацепления (рис. 5). Исследования микрогеометрии обработанной поверхности при обычном и ультразвуковом шлифовании позволили установить, что в зависимости от режимов резания применение ультразвука позволяет снизить величину Ra с 0,74 мкм до 0,5 мкм (рис.6). Это можно объяснить тем, что в зоне резания изменяется напряженно-деформированное состояние, отсутствует застойная зона и наростообразование на рабочих поверхностях инструмента [7, 8]. Как известно, особенностью зубодолбления является переменная для каждого рабочего хода толщина срезаемого слоя [9]. При этом в резании участвуют различные участки режущей кромки, которые отличаются конфигурацией и геометрическими параметрами. Основная масса металла срезается вершинной и входной боковой стороной профиля зуба долбяка. Наиболее толстый слой срезает вершина зуба. Участки боковой режущей кромки выходной стороны, примыкающие к вершине зуба, срезают чрезвычайно тонкие слои. Так, при нарезании колес m=3мм и Zк =30 долбяком Z0 =28 с подачей Sкр=0,22 мм/дв.ход толщина слоя, срезаемого участками выходной стороны, прилегающими к вершине, не превышает 0,01 мм, что близко к величине скругления режущего лезвия. Поскольку вершина зуба долбяка работает в наиболее тяжелых термодинамических условиях, то в качестве критерия затупления долбяка принята величина износа по задней поверхности на вершине, равная h=0,3 мм. Дальнейшее увеличение h приводит к сокращению общей продолжительности работы долбяка. Износ по задним боковым поверхностям меньше, чем на вершине на 20…35%.. Введение ультразвука в зоны резания снижает максимальную величину износа на 20% при одновременном снижении разброса значений износа зубьев и стабилизации износа в целом. На рис.7 показана зависимость величины износа W режущих зубьев долбяка от количества нарезанных зубчатых колес N при обработке с наложением ультразвуковых колебаний и без. При этом происходит возрастание износа с увеличением N. Скорость резания при зубодолблении также влияет на величину износа, при ее увеличении износ возрастает, что можно объяснить влиянием температурного фактора (рис. 8). Как показали результаты стойкостных испытаний, при ультразвуковом резании основными причинами отказов режущего инструмента являются износ и разрушение инструмента в результате действия циклических напряжений. Следует, однако, отметить, что в условиях высокочастотного циклического взаимодействия инструмента и обрабатываемого изделия износ и локальное разрушение (микровыкрашивание) являются процессами взаимосвязанными и работоспособность инструмента определяется, как правило, совместным действием обоих факторов. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Таким образом, с введением в зону обработки ультразвука происходит уменьшение составляющей силы резания Рz в 1,5…2 раза. В результате происходит снижение накопленной погрешности окружного шага в 1,4 раза, уменьшение колебаний длины общей нормали не 15-20%, повышение плавности зацепления. В зависимости от режимов резания применение ультразвука позволяет снизить шероховатость обработанной поверхности Ra с 0,74 мкм до 0,5 мкм. Введение ультразвука в зоны резания снижает максимальную величину износа на 20% при одновременном снижении разброса значений износа зубьев и стабилизации износа в целом. Повышается работоспособность зубообрабатывающего инструмента.

About the authors

N. D. Papsheva

Samara State Technical University

Email: ninapap50@gmail.com
Samara, Russia

O. M Akushskaya

Samara State Technical University

Email: olgaaku@gmail.com
Samara, Russia

References

Supplementary files