RESEARCH on MILLING PARAMETERS For the D16T ALUMINIUM ALLOY

Full Text

В современном машиностроении одним из широко распространенных конструкционных материалов является алюминиевый сплав Д16Т. Сложность обработки материалов из алюминиевых сплавов заключается в чувствительности материала к температурным перепадам и воздействию силы резания, что особенно актуально при обработке тонкостенных элементов. С целью снижения воздействия силового фактора на качественные показатели обработанной детали применяют обработку на повышенных и высоких скоростях резания, которая даже при сохранении производительности процесса позволяет значительно снизить силы резания, а следовательно и температуру обрабатываемой поверхности. Однако параметры процесса, при которых фрезерование можно считать высокоскоростным, четко не определены. Поэтому в данной работе предпринята попытка изучения влияния параметров режима обработки на повышенных скоростях резания алюминиевого сплава Д16Т с целью выработки практических рекомендаций. Поставленная задача решаема на основе исследования сил и температуры резания при фрезеровании, а также шероховатости обработанной поверхности. Исследования проводились на экспериментальной установке, состоящей из горизонтально-фрезерного станка 6Р81Г, дисковой пазовой фрезы специальной конструкции диаметром 300 мм, динамометра марки УДМ 600 и регистрирующей аппаратуры. Фрезерование проводилось без охлаждения. В конструкции фрезы использовались четырехгранные сменные режущие пластины из твердого сплава ВК8 с длиной режущей кромки 11,5 мм. Конструкция фрезы выполнена таким образом, что пластины закреплены в режущих вставках винтами, сами режущие вставки имеют возможность регулирования в радиальном направлении, что позволяет снизить радиальное биение фрезы за счет точной установки вылета каждого зуба. Вылет зубьев фрезы контролировался после каждой серии опытов. С целью сокращения объема экспериментальных исследований они были проведены по схеме полного факторного эксперимента 23. Варьируемыми факторами принимались скорость резания V, подача на зуб фрезы Sz и глубина резания t. Уровни варьирования факторов были выбраны на основе ранее известных экспериментов и возможностей имеющегося оборудования. Значения факторов эксперимента для каждого опыта и результаты измерения силы резания приведены в таблице. Значения факторов эксперимента, средние величины составляющих силы резания и шероховатости обработанной поверхности № опыта n, об/мин (v, м/мин) S мм/зуб (мм/мин) t, мм Pzв, Н Pzп, Н Ra, мкм (встречное) Ra, мкм (попутное) 1 1600 (1507,2) 0,1 (1600) 1 30 40 0,95 1,25 2 400 (376,8) 0,1 (400) 1 44 50 6,17 5,8 3 1600 (1507,2) 0,05 (800) 1 23 30 0,72 0,56 4 400 (376,8) 0,05 (200) 1 27 30 0,97 0,76 5 1600 (1507,2) 0,1 (1600) 0,25 21 25 0,28 0,28 6 400 (376,8) 0,1 (400) 0,25 15 15 2,0 2,19 7 1600 (1507,2) 0,05 (800) 0,25 4,5 5 0,22 0,26 8 400 (376,8) 0,05 (200) 0,25 4,5 5 1,9 1,67 Статистическая оценка экспериментальных данных показала адекватность гипотезы аппроксимации с 5%-м уровнем значимости. В результате аппроксимации на основе регрессионного анализа получены следующие зависимости для главной составляющей силы резания при встречном (Pzв) и попутном (Рzп) фрезеровании: Pzв = [Н], Pzп = [Н]. На рис. 1 – 3 приведены зависимости главной составляющей силы резания Pz от режимов резания. Из представленных графиков видно, что увеличение скорости резания приводит к незначительному снижению силы резания при встречном фрезеровании. Это означает, что в исследованном нами диапазоне скоростей резания эффект высокоскоростного резания незначителен. К существенному увеличению сил резания приводит увеличение подачи на зуб и глубины резания; так, например, увеличение подачи в 2 раза приводит к увеличению силы резания в 2,6 раза, а увеличение глубины резания в 2 раза приводит к увеличению силы резания в 2,1 раза. Очевидно, что для снижения сил резания, а следовательно, нагрузки на оборудование, инструмент и заготовку при фрезеровании алюминиевого сплава Д16Т целесообразно повышать скорость резания, снижая при этом величину подачи на зуб и глубину резания. Одним из показателей качества обработки деталей является шероховатость обработанной поверхности. Результаты измерения высоты неровностей, осредненные по десяти измерениям для каждого опыта, представлены в табл. 4 и на рис. 4 – 6. Аппроксимация экспериментальных данных позволила получить следующие эмпирические зависимости для шероховатости поверхности при встречном и попутном фрезеровании соответственно: Raв = ; Raп =. Рис. 1. Зависимость силы резания Pz от скорости резания при фрезеровании: S = 0,1 мм/зуб, t = 1 мм; 1 – попутное фрезерование; 2 – встречное фрезерование Рис. 2. Зависимость силы резания Pz от подачи при фрезеровании: V = 1507 м/мин, t = 1 мм; 1 – попутное фрезерование; 2 – встречное фрезерование Рис. 3. Зависимость силы резания Pz от глубины резания при фрезеровании: V = 1507 м/мин, S = 0,1 мм/зуб; 1 – попутное фрезерование; 2 – встречное фрезерование На рис. 4 – 6 приведены зависимости шероховатости обработанной поверхности Ra от режимов резания. Рис. 4. Зависимость высоты неровности обработанной поверхности Ra от скорости резания при фрезеровании: S = 0,1 мм/зуб, t = 1 мм; 1 – попутное фрезерование; 2 – встречное фрезерование Экспериментальные результаты указывают на возможность достижения минимальной высоты неровностей порядка Ra 0,22 мкм, что в принципе позволяет использовать скоростное фрезерование на окончательной операции. Полученные зависимости показывают, что при увеличении скорости резания высота неровностей снижается. Увеличение же подачи на зуб и глубины резания приводит к росту высоты неровностей. При этом наибольшее влияние на высоту неровностей оказывает скорость резания. При ее увеличении с ~300 м/мин до 1507 м/мин (~ в 5 раз) шероховатость неровностей по Ra уменьшается с ~6 мкм до 0,25 мкм (см. рис. 4). Подача на зуб и глубина резания влияют на высоту неровностей практически линейно. Рис. 5. Зависимость шероховатости обработанной поверхности Ra от подачи при фрезеровании: V = 1507 м/мин, t = 1 мм; 1 – попутное фрезерование; 2 – встречное фрезерование Таким образом, наименьшая высота неровности поверхности достигается при увеличении скорости резания и снижении подачи и глубины фрезерования. Причем следует иметь в виду, что при малых скоростях резания и больших глубинах и подачах наблюдается интенсивное наростообразование и наволакивание его на обработанную поверхность. Рис. 6. Зависимость шероховатости обработанной поверхности Ra от глубины при фрезеровании:V = 1507 м/мин, S = 0,1 мм/зуб; 1 – попутное фрезерование; 2 – встречное фрезерование Теплота, выделяющаяся в зоне контакта инструмента и заготовки, является одним из важнейших факторов, влияющих как на процесс резания, так и на качество обработанной поверхности. В связи с этим было проведено исследование температуры в зоне обработки. Измерение температуры производилось методом искусственной термопары (хромель – алюмель), заложенной в образце. Аппроксимация экспериментальных данных позволила получить следующие зависимости для определения температуры в изученном диапазоне режимов: – для встречного фрезерования ; – для попутного фрезерования . Результаты измерения температуры в зависимости от режимов резания, при которых она измерялась, приведены на рис. 7 – 9. Из графиков видно, что увеличение скорости резания с 397 до 1507 м/мин приводит к увеличению температуры (при s = 0,1; t = 1) c 125 до 225 ºC. Увеличение подачи и глубины резания также приводит к увеличению температуры. Это обусловлено соответствующим увеличением сил резания. При встречном и попутном фрезеровании меняется характер и скорость нагрева. При встречном фрезеровании нагрев до максимальной температуры происходит более плавно за счет изменения сечения среза от минимального до максимального, а при попутном фрезеровании нагрев происходит более резко (скачкообразно) за счет изменения сечения от максимального до минимального. Также влияние оказывает тот факт, что при попутном фрезеровании зуб фрезы находится в контакте с заготовкой несколько дольше и температуры при этом выше. Рис. 7. Зависимость температуры от скорости резания при фрезеровании: S = 0,1 мм/зуб, t = 1 мм; 1 – попутное фрезерование; 2 – встречное фрезерование Рис. 8. Зависимость температуры обработанной поверхности от подачи при фрезеровании: V = 1507 м/мин, t = 1 мм; 1 – попутное фрезерование; 2 – встречное фрезерование Рис. 9. Зависимость температуры обработанной поверхности от глубины при фрезеровании: V = 1507 м/мин, S = 0,1 мм/зуб; 1 – попутное фрезерование; 2 – встречное фрезерование Наиболее важным при анализе тепловых процессов является определение количества тепла, поступающего в режущий инструмент и деталь. Аналитические методы расчета тепловых потоков и температур, разработанные А.Н. Резниковым [2], дают удовлетворительное совпадение с практикой в диапазоне скоростей резания до 200 м/мин для различных методов обработки, в том числе и фрезерования. Но при определении температур для высокоскоростного резания они еще недостаточно апробированы. В связи с этим для определения температуры при более высоких скоростях обработки в работе использовался метод конечных элементов, позволяющий получить картину распределения температур в зоне резания. При этом в качестве программного обеспечения метода конечных элементов был выбран комплекс ANSYS [3]. Начальная температура полагалась равной нормальной температуре окружающей среды 20 ºС. В качестве нагрузок к модели прикладывались тепловые потоки, рассчитанные по формулам А.Н. Резникова [2] для поверхностей контакта стружки и инструмента, заготовки и инструмента, а также по линии сдвига. Время решения рассчитывалось в зависимости от режимов обработки. Результаты численного моделирования удовлетворительно совпадают с экспериментальными данными. Расхождения составляют не более 10 %. Но картины тепловых полей наглядно демонстрируют, что с увеличением скорости теплота концентрируется вблизи вершины режущего лезвия. Прогрев заготовки и режущего лезвия происходит на меньшую глубину, большая доля образующегося тепла уходит со стружкой [4]. По проведенным исследованиям можно дать следующие рекомендации: – при совпадении условий обработки расчет сил резания, шероховатости поверхности и температуры обработанной поверхности можно вести по формулам, представленным выше; – при фрезеровании заготовок из алюминиевого сплава Д16Т для повышения производительности обработки следует работать с наибольшей скоростью резания; – при определенных режимах обработки рекомендуется применение фрезерования в качестве окончательной обработки, что снижает тепловую напряженность процесса и обеспечивает достаточно низкую шероховатость Ra 0,5; – для снижения температуры резания необходимо снижать глубину резания, тем самым уменьшая зону контакта заготовки и инструмента. Полученные в результате исследований эмпирические зависимости для сил резания, шероховатости и температуры обработанной поверхности могут быть использованы технологами при назначении режимов резания.

About the authors

Vladimir N Trusov

Samara State Technical University

(Dr. Sci. (Techn.)), Professor. 244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100

Oleg I Zakonov

Samara State Technical University

Postgraduate Student. 244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100

Vladimir V Shikin

Samara State Technical University

Postgraduate Student. 244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100

References

Supplementary files