Ensuring the quality of the surface layer and the reduction of process costs when machining R.N. Akinshin

全文:

Разработка новых изделий в машиностроении, повышение их эксплуатационных характеристик связаны с освоением и использованием различных материалов, обладающих специфическими физическими, химическими и другими свойствами. Подобные сплавы (жаропрочные, жаростойкие, коррозионностойкие, высокопрочные, магнитные и т. п.) являются труднообрабатываемыми, что подразумевает большие затраты труда и материальных ресурсов на производство деталей из них. Несмотря на тенденцию к повышению точности заготовительных методов (литья, обработки давлением, порошковой металлургии) и получению готовых деталей без последующей механической обработки, доля обработки резанием по прежнему занимает большую часть технологического процесса изготовления деталей. По одним данным 80…85% заготовок подвергаются обработке резанием, а ее трудоемкость достигает 50…60% и более от общей трудоемкости изготовления машиностроительных изделий [1], по данным другого источника [2], доля обработки резанием в технологическом процессе изготовления деталей по трудоемкости и производственным затратам составляет 40…60% общих затрат. Целью работы является снижение технологической себестоимости токарной обработки заготовок из труднообрабатываемых материалов при гарантированном обеспечении качества поверхностного слоя деталей. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: 1. Анализ составляющих технологической себестоимости и способов ее снижения. 2. Анализ влияния условий обработки (режима резания, материала режущей части инструмента и его геометрических параметров) на качество поверхностного слоя (параметры шероховатости). 3. Оптимизация условий токарной обработки заготовок из труднообрабатываемых сплавов на основе выявленных зависимостей с целью снижения технологической себестоимости и обеспечения требуемого качества поверхности. Технологическая себестоимость включает в себя только затраты, связанные с выполнением технологического процесса [3]: (1) где: Сзаг - стоимость исходной заготовки; Сз - заработная плата рабочих; Сэ - затраты на силовую электроэнергию; Св - затраты на вспомогательные материалы (смазочно-охлаждающие жидкости и т.п.); Среж - затраты на режущий инструмент; См - затраты на мерительный инструмент; Соб - затраты на эксплуатацию оборудования (амортизационные отчисления, затраты на ремонт и т. п.); Сп - затраты на эксплуатацию приспособлений; Спл - затраты на амортизацию и содержание производственных площадей. На основе анализа составляющих технологической себестоимости можно сделать вывод, что для уменьшения себестоимости токарной обработки заготовок из труднообрабатываемых материалов необходимо повышение производительности при обеспечении заданной стойкости режущего инструмента и параметров качества детали в соответствии с требованиями конструкторской документации. В данной работе для определения качества поверхностного слоя используются параметры шероховатости поверхности: Ra - среднее арифметическое отклонение профиля; Rz - высота неровностей профиля по десяти точкам; Rmax наибольшая высота профиля; Sm - средний шаг неровностей профиля; tp - относительная опорная длина профиля и параметр Rp - высота сглаживания профиля шероховатости. При лезвийной обработке установлены следующие зависимости, отражающие взаимосвязь параметров шероховатости [5, 6]: Ra = 0,2Rz, (2) Rmax = 1,2Rz, (3) Rp = 0,65 Rz, (4) tp = 0,006 p2,2; p ≤ 60%, (5) tp = 100 … 0,0055 (100 - p)1,8; p > 60%, (6) Sm ≈ So; (7) где: р - уровень сечения профиля; So - подача на оборот, мм/об. Расчет высотных параметров шероховатости при лезвийной обработке предполагается выполнять по следующим формулам, отражающим физическую картину формирования микронеровностей поверхностного слоя детали [3, 5, 6]: Rz = h1 + h2 + h3; (8) где: h1 - составляющая профиля шероховатости, определяемая геометрией и кинематикой перемещения рабочей части инструмента, мкм; h2 - составляющая профиля шероховатости, вызванная колебаниями инструмента относительно обрабатываемой поверхности, мкм; h3 - составляющая профиля шероховатости, обусловленная пластическими деформациями в зоне контакта инструмента и заготовки, мкм. В настоящее время получены общепринятые зависимости только для определения геометрической составляющей профиля шероховатости h1, для определения остальных слагаемых в (8) таких зависимостей нет. В [6] расчет величины пластического оттеснения при лезвийной обработке в зоне контакта инструмента и заготовки предлагается выполнять по формуле: bсдв = 0,5ρ(2 τсдв / σт - 1); (9) где: ρ - радиус режущей кромки инструмента, мкм; τсдв - прочность обрабатываемого материала на сдвиг, МПа; σт - предел текучести обрабатываемого материала, МПа. В рамках разрабатываемой методики предполагается использовать вместо величин τсдв и σт средние значения касательных и нормальных напряжений на поверхности инструмента, рассчитанные на основе современных представлений теории резания [1, 7-10]. Так, касательные напряжения в условной плоскости сдвига при точении можно определить следующим образом [7, 9, 10]: τ = Pz / [а b (ctg φy + tg (φy + η - γ))], (10) τ = Pz cos(φy + η - γ) sin φy / [a b cos(η - γ)]; (11) где: Pz - тангенциальная составляющая силы резания, Н; а - толщина срезаемого слоя, мм; b - ширина срезаемого слоя, мм; φy - угол наклона условной плоскости сдвига; η - средний угол трения на передней поверхности инструмента; γ - передний угол инструмента. σср.и = τср.и. / μ, (13) где: μ - средний коэффициент трения на передней поверхности инструмента. μ = tg η. (14) Для определения среднего коэффициента трения в работе [10] приведена следующая зависимость, полученная на основе гипотезы о минимуме мощности стружкообразования: μ = 1 - tg (φy - γ). (15) Длина контакта стружки с передней поверхностью инструмента [7, 9, 10]: с = а kа0,1 [ka (1 - tg γ) + 1/cos γ]; (16) где: ka - коэффициент усадки стружки. ka = cos(φy - γ) / sin φy. (17) При расчете угла наклона условной плоскости сдвига можно воспользоваться формулой [8]: φy = π/2 - arctg [(1,015 (η0 E1 b /a)0,25 + cosγ - sinγ) / v0,355 (cosγ + sinγ)] (18) где: η0 - упругая постоянная; v - скорость резания, м/с. η0 = (1 - μ12) / Е1 + (1 - μ22) / Е2, (19) где: μ1, μ2 - коэффициенты Пуассона обрабатываемого и инструментального материалов; Е1, Е2 - модули упругости обрабатываемого и инструментального материалов, МПа. Из формул (10, 11) следует, что для определения напряжений в зоне резания необходимо значение составляющей силы резания Pz. В настоящее время, по мнению автора, не существует теоретических зависимостей, позволяющих с достаточной точностью априорно определять силу резания. Поэтому в рамках рассматриваемой методики предлагается тангенциальную составляющую силы резания Pz определять по эмпирическим формулам вида: Pz = Ср tx Soy vn; (20) где: Ср, x, y, n - постоянные для конкретных условий обработки; t - глубина резания, мм; So - подача на оборот, мм/об; v - скорость резания, м/мин. Зависимость (20) необходимо будет получать экспериментальным путем для конкретного обрабатываемого материала и условий обработки или использовать справочные данные [11, 12]. Для одновременного снижения интенсивности износа инструмента, повышения производительности и обеспечения требуемых параметров шероховатости предлагается осуществлять обработку заготовок при режиме резания, обеспечивающем оптимальную температуру в зоне резания. Понятие оптимальной температуры резания было введено профессором А.Д. Макаровым, и им был сформулирован закон ее постоянства [13]: оптимальным скоростям резания VОпт (для заданного материала режущей части инструмента) при различных комбинациях скорости резания, подачи и глубины резания соответствует постоянная температура в зоне резания (оптимальная температура резания). При оптимальной температуре резания, как показывают экспериментальные данные, полученные А.Д. Макаровым [13], наблюдаются минимум интенсивности износа инструмента и максимальный путь резания, пройденный инструментом за период стойкости (т.е. за период стойкости инструмент обрабатывает наибольшее количество заготовок), минимальная величина высотных параметров шероховатости, а также наименьшее изменение (как по глубине, так и интенсивности) физико-механических свойств обрабатываемого материала в поверхностном слое. Оптимальная температура в зоне резания соответствует температуре структурно-фазовых превращений обрабатываемого материала [2]: при обработке углеродистых, легированных и жаропрочных сталей - температуре структурно-фазового α-γ превращения; при обработке титановых сплавов - температуре начала рекристаллизации; при обработке жаропрочных сплавов на никелевой основе - температуре точки Кюри-Курнакова. Расчет температуры резания можно выполнить по формуле [7]: Трез = τ [ka + 1/ ka - 2sinγ) / Cv cosγ + 0,75 τср.и (v c)0,5 / Cv (ka ω)0,5; (21) где: Cv - удельная объемная теплоемкость, Дж/К·м3; ω - коэффициент температуропроводности, м2/с. Представленные формулы (9 - 21) не являются общепринятыми, их вывод основан на использовании целого ряда допущений и упрощении реального процесса резания, поэтому расчеты, выполненные по данным формулам, имеют определенные погрешности. Использование рассмотренных зависимостей при выборе оптимальных условий обработки требует экспериментальной проверки. Разрабатываемая методика повышения эффективности лезвийной обработки заготовок из труднообрабатываемых материалов заключается в определении множества режимов резания (ti, Soi, vi), при которых температура в зоне резания соответствует оптимальной для выбранного материала, а величины параметров шероховатости обработанной поверхности достигают значений, обеспечивающих заданные эксплуатационные свойства детали (или значений, заданных в технических требованиях чертежа). Из полученного множества параметров режима резания (ti, Soi, vi), удовлетворяющих принятым ограничениям, выбираются такие (tk, Sok, vk), при которых основное время обработки минимально. Таким образом, данная методика позволяет определить параметры режима резания, которые обеспечивают максимальную производительность и требуемые параметры качества поверхностного слоя. Методика предусматривает оптимизацию всего технологического маршрута обработки поверхности, от чистовых до черновых рабочих ходов. Расчеты для определения оптимального режима резания выполняются с помощью программы Microsoft Office Excel. Использование указанного программного продукта должно упростить применение методики в инженерной практике, так как он является широко распространенным и общедоступным. Рисунок 1. Графики зависимости тангенциальной составляющей силы резания, Н (1); касательных напряжений в условной плоскости сдвига, МПа (2); температуры резания, °С (3), от скорости резания при точении стали 40Х (t = 1,0 мм; S0 = 0,1 мм/об) Рисунок 2. Графики зависимости коэффициента трения (1); Rz, мкм (2) и геометрической составляющей Rz, мкм (3), от скорости резания при точении стали 40Х (t = 1,0 мм; S0 = 0,1 мм/об) На рисунках 1 … 4 приведены графики изменения тангенциальной составляющей силы резания Pz, касательных напряжений в условной плоскости сдвига τ, температуры резания Трез, параметра шероховатости Pz как суммы двух составляющих h1 и h3, коэффициента трения на передней поверхности инструмента в зависимости от скорости резания V при постоянных глубине резания t и подаче на оборот So при точении сталей 40Х, 12Х18Н10Т. Графики построены на основе значений, рассчитанных в программе Microsoft Office Excel по рассмотренным ранее формулам (9 - 21). Рисунок 3. Графики зависимости тангенциальной составляющей силы резания, Н (1); касательных напряжений в условной плоскости сдвига, МПа (2); температуры резания, °С (3), от скорости резания при точении стали 12Х18Н10Т (t = 1,0 мм; S0 = 0,1 мм/об) Рисунок 4. Графики зависимости коэффициента трения (1); Rz, мкм (2) и геометрической составляющей Rz, мкм (3), от скорости резания при точении стали 12Х18Н10Т (t = 1,0 мм; S0 = 0,1 мм/об) Полученные графики параметров, определяющих процесс резания металла, и параметра качества образованной поверхности хорошо согласуются с общепринятым характером их изменения в процессе обработки при варьировании режимов резания, что свидетельствует о том, что представленным формулы удовлетворительно описывают процесс резания. Выводы При оценке качества обработанной поверхности можно ограничиться рассмотрением параметров шероховатости, оказывающих значительное влияние на эксплуатационные свойства деталей машин. Влияние режимов обработки на параметры процесса резания и качество поверхностного слоя детали с достаточной для инженерных расчетов точностью описывается математическими зависимостями. Рассмотренная методика позволит в производственных условиях для конкретного обрабатываемого материала при выбранных геометрии и материале режущей части инструмента определять рациональный режим резания, обеспечивающий максимальный путь резания инструмента (максимальное количество заготовок, обработанных за период стойкости инструмента), требуемые параметры качества сформированной поверхности, повышение производительности и, как следствие, снижение технологической себестоимости токарной обработки.

作者简介

R. Akinshin

Bauman Moscow State Technical University

Email: ruller003@mail.ru

参考

补充文件