автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Повышение эффективности обработки и качества деталей с износостойкими покрытиями применением ротационного инструмента

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи ХЕЙФЕЦ Михаил Львович

УДК 621.9.01/044-589.22

ГОВШИШЕ ЭМЕКГИВНОСТИ ОБРАБОТКИ И КАЧЕСТВА

деталей с износостойкими т крилями

применением РОТАЦИОННОГО инструмента

05.03.01 - Процессы механической и физико-технической обработки, станки и инструмент 05.02.08 - Технология машиностроения

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидат»! технических наук

Слнкт-11етер<3ург - 1992

Работа гчполнена а ордена Трудового Красного Энаменя Физико-техническом институте АН Беларуси

Научный руководитель - кандидат технических наук,

ведущий научный сотрудник А.В.БОРИСЕНЮ

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

И.Г.МАРКОВ,

кандидат технических наук, доцент М.Т. КОРОТКИХ

Ведущее предприятие - Белорусское республиканское научно-

производственное объединение "Комплекс"

Зашита диссертации состоится 25 февраля 19У2 г. в 16 часов на заседании специализированного совета Д 063.36.16. в Садкт-Петербургскои государственном техническом университете по адресу: 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29, I учебный корцус, ауд. 41.

Отзывы на автореферат диссертации в 2-х экземплярах, заверенные гербовой печатью учреждения, просим направлять по вшеукаэанному адресу.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке университета.

^ п

Автореферат разослан "чД-СГ января 19^2 г.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат технически* наук, доцент

И.А.Ш1ЧШ

ОБССАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТА

Ах-туальность роботы. Научно-технический прогресс на современном этапе включает максимальное ис-пользоьание в различных отраслях народного хозяйства ресурсосберегающих и безотходных технологий. Поддержание техники в работоспособно« состоянии требует упрочнения и восстановления деталей малин. Механическая обработка ;ззанием, являясь частью технологического процесса, определяг-пей точность и качество деталей, составляет 40-50л; от обпей трудоемкости упрочнения и восстановления деталей.

Одни* из методов, обеспечиьаюзмх повышение э£»$ективностк обработки, является ротационное.резание, применение которого для обработки деталей с износостойкими покрытиями определено разделом 2 теми "Материал-30", выполняемой на основании Постановления Президиума АН Беларуси от 16.12.83 г. £ 116, номер Госрегистрацин 01690041012. Применение предварительного нагрева концентрированными штоками энергии, существенно по-вшзаюшаго производительность и расширяющего возмоямость ротационной обработки высокопрочных наплавок, позволяет создавать и внедрять в народное хозяйство плазменные технологии п соответствии с договорами о сотрудничестве между Физико-техническим институтом АН Беларуси (ФТИ), Санкт-Петербургским государственным техническим университетом (СНбГТУ) и Новополоцким политехническим институтом ШШ) V 592 (регистрационные номера ДТС 88/053, ДГС 405/01).

Цель работы. Разработка и исследование высокоэффективных технологических процессов ротационной обработки деталей с износостойкими .мкрытиями; использование предварительного плазменного, электродугового нагрева для обработки высокопрочных покрытий и применен!'"1 технологического теи.1а при совмещении операций нанесения и обработки покрытий, обеспечивающих повышение производительности, качества и износостойкости поверхностного слоя деталей.

Обипя методика, исслепований. Работа выполнена с использованием фундаментальны* положений теорий резания, колебаний, теплопроводности, упругости, на-

териаловедения, технологической и эксплуатационной наследственности и других разделов аналитической механики, физики твердого тела и технологии машиностроения.

Теоретические результаты работы подтверждены аналоговыми моделями и расчетами, проведанными в ФТИ,СПбГГУ, ИЛИ, а также экспериментальными исследованиями, лабораторными и производ-ственньми испытаниями, выполненнычи с привлечением методик одно-, многофакторного планирования и оптимизации экспериментов с использованием современной электронной измерительной и Контрольно-регистрирувдей аппаратуры.

Обработка рпсчетньп и экспериментальных данных проводилась с применением методов теории вероятности и математической статистики на ЭВМ.

Научная новизна состоит в:

- установлении особенностей механики ротационной обработки износостойких покрытий, в том числе при использовании предварительного нагрева концент-'ированньми штоками энергии;

- описании динамической модели шпиндельного узла ротационного инструмента, модели тепловых процессов в режуием элементе при обработке с нагревом и разработке на их основе дифференцированного подхода конструирования инстрлчемтов;

- исследовании износа и разрушения лезвия, определении критериев работоспособности инструмента в процессах ротчционной обработки с нагревом различной гнтенсионости, оптимизации работы самоорадасшихся и принудительно врадащихся резцов;

- определении влияния технологических факторов плазменного, влектродугового нагрова на параметры качества поверхностного слоя хромэникелевых порошковых наплавок и наплавок стальньми легированными проволоками в зависимости от их физико-механических и тепло^изических свойств.

На основании анализа результатов исследований разработаны способы и инструменты для обработки деталей с износостойкими покрытиями, подучены положительные реиения го заявкам на изобретения # 4712639/31-08 от 15.05.^0, » 4618581/08 от 25.12.90 и др.

Практическая ценность работы заключается в: 2

- полученных данных о силах, моментах и температурах при ро-тацчонноЛ обработке износостойких наплавок хрочоникелевьми порошками и стальными легированной проволоками;

- определении рациональных парзметроэ и режимов эксплуатации ротационных инструментов при использовании историков плазменного и электрэдугового нагрева;

- рекомендация г:э выбору оптималпных режимов нагрева и резания наплавок пзрозкйми ЛГ-СР4, 11Г-ЮН-01 и проволоками Нп-65Г, Нп-ЗОХГСА, позволяю®« повысить качество поверхностного слоя и увеличить производительность ротационной обработки

в 4...5 раз;

- осуществлении совмещения операций наплавки проволоки Нп-ЗОХГСА с упрочняюше-размернчй обработкой ротационными са-мовршзаюаимися и принудительно вращавшимися резцами.

Реализация работ к. Результаты исследований внедрены на ГЬлоцкоч авторемонтном заводе (НШ "Агро-машремонт") Госагропроха Беларуси, Вяземском заводе графитовых изделий (НШ "Союзуглерод") М.шцветмет СССР, Новополоцком заводе "Измеритель" Министерства общего машиностроения СССР с годовым экономическим эффектом 36,5 тыс. руб.

Ряд положений работы гнедренн в учебный процесс на кафедре "Металлорежущие станки и инструмент" в НПИ.

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на 20 международных, всесоюзных, межреспубликанских, республиканских, региональных научно-технических конференциях и семинарах в Москве, Санкт-Петербурге, Минске, Брянске, Волгограде, Ярославлз и др.; заседаниях Отдела физики механических процессов ФТИ, кафедры "Технология конструкционных материалов" СГИПГУ, проблемного совета по разработке технологических процессов HIM в 1937-199I гг.

Публикации. По результатам диссертации опубликовано более 30 печатных.работ и получено 3 положительных ресения по заявкам на изобретения.

Структура . и' объем работы. .Диссертация состоит из введения,- 7 глав', общих выводов, заключения, списка литературы и приложений. Содержит 150 страниц машинописного текста, 18 таблиц, 38 рисунков, список литературы, включающий 215 наименований, и 8 приложений.

содержание работы

Во введении на основании современных тенденций развития мажиностроени.. обоснована актуальность работы.

В первой главе рассмотрены покрытия, нашедшие пирокое применение для сосстановления деталей машин, изучены способы упрочнения деталей покрытиями и проанализированы методы механической обработки износостойких покрытий.

Анализ показал, что ни один из известных способов лезвий-лой, абразивной обработки, о том числе инструментами лз ал-лаоа, КНБ к других СС?/. не посоолгзт элективно обрабатывать протяженные поверхности, упрочненные износостойкими покрытиями со значительной толщиной дефектного поверхностного слоя, содержацего трещины, поры, включения, макронеровности.

Применение инструмента с дополнительной степенью свободы режущего лезвия, которое получает вращение под действием сил резания и трения, позволяет снижать пиковые нагрузки при ротационной обработке износостойких покрытий. Использование ротационного инструмента в сочетании с предварительные нагревом срезаемого слоя концонтрироваинши потоками энергии для временного снижения прочности обрабатываемых покрытий расширяет технологические возможности метода за счет обработки высокопрочных наплавок.

В развитие методов ротационного резания значительный вклад внесли работы отечественных и зарубежных ученых В.Ф.Боброва, А.В.Борисенхо, Л.А.ГЪит, В. А. Землянского, Д.Е.Иерусалимского, А.И.Калкрина, Е.Г.Коновалова, И.С.Кухнера, М.Ф.Пашкевича, В.А.Сидоренко, А.В.Соуся, В.И.Ходырева, Г.Ф.Шатуроеа, П.И.Яшерицына, С.Амари, А.Бруно, Л.К.Векувайнода, В.Дегнера, С.Касэй, А.Командури, Дя.Редди, Р.М.Томаса, Н.К.Иоу и др.

Решении проблема ловьшенил эффективности процессов реза-йкл посредством воздействия концентрированная потоками энергии на обрабатываемый материал посвящены работы ученых А,А.Азакоаа, Н.В.Днлягонского, Н.Н.Зорева, В.Д.Кузнецова, И,Н.Ларина, Т.Н.Лоладээ, Б.Г.Лхзбимова, А.Д.Макарово, В.Н.Ио-дуразза, А.Н.Резникова, Н.Н.Рякалина, Н.ВЛшшлтлаа, А.А.Уг-иоза, В.В.Цоцхаизз, У Д.Нитэркна, Ф.Я.Яхубооа, Э.Т.Аыстрон-

га, М.Е.Мерчанта и др.

Отсутствие комплексного научно обоснованного подхода к ротационной обработке деталей с износостойким:: открытиями и оптимизации качества поверхностного слоя после мехшнческой обработки е сочетании с воздействием концентрированными потоками энергии исключает возможность установления сложной природы взаимосвязи протекающих при обработке физических процессов и затрудняет проведете поиска рациональных условий целенаправленного воздействия плазменного, электродугового нагреэа и ротационного резания, обеспечивавших повышение эффективности обработки и качества деталей с износостойкими покрытиями.

Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:

1. Исследовать механиед ротационной обработки износостойки^ покрытий, о том числе пр1 использовании различных источников предварительного нагреса.

2. Разработать динамическую модель шпиндельного узла ротационного инструмента.

3. Иссхедовать температурные поля при ротационной обработке с предварительны* нагревом срезаемого слоя.

4. Разработать модель тепловых щхзцессов э реяуием элементе ротационного инструмента.

5. Исследовать износ и разрушение лезвия, определить кри-те^ш рас'.»тоспособностк инструмента при ротационной обработке с нагревом различной интенсивности.

6. На основании моделей динамических и тепловых процессов разработать методы конструирования ротационного инструмента.

7. Разработать рекомендации по оптимальнъм ре:пмяч нагрева и резания наплавок хромоникелевьки порошками и легиропан-иши проволоками.

8. Определить влияние технологических факторов птазмешго-го, электродугового нагреэа и ротационного резания на качество поверхностного слоя износостойких покрытий.

9. Разработать н внедрить процессы ротационной обработки с нагревом плазменной дугой и технологическим теплом неплеэ-ки при со смешении операций нанесения ;* обработки покрытий.

Во второй главе изложены экспериментальные н теоретические иссг. аовання механики, ротационной обработки износостойких покрытий.

Изучение кинематики, динамики и струякообразования показало, что при ротационной обработке необходимо учитывать не тол'^ко главную составляющую Р* , н~ и боковую составляющую Рх силы резания, а также рассматривав._> их взаимодействие ( Не № описывающееся моментом ротационного резания:

где С - коэффициент пропорциональности между составляющей силы резания и перемещением режущего лезвия под действием и е направлении этой сог.твляшей, ПJCтoянный для данных условий обработки; т

так для стали 45: Мр Ь11 О 1Г , ь „ ^

для покрытия порошком 11Г-10Н-01: 1чр*и2 С О V ,

В соответствии с этим предложено описывать состояние в зоне резания параметрами, характеризующими напряжения: эффективное^, Услсвноеб^.и временное сопротивление^ , ня участке единичной длины в направлениях: главного движения 6x1 перемещения режушей кромки и с учетом вращения - момен-

том резанияМр-бх*(табл. I).

Таблица I

Напряженное состояние в зоне резания

Параметры напряжений при обработке Обычным Ротационные инструментом

б б* 6г бххбжбх

Эффективное ($в РгЖке в/Бке М аП м^/вг

Условное И/в

Временное сопротивление р. & Рх Мх*ке

цт\)

где - коэффициенты продольной и попер-зчюй усадки

стружки соответственно.

Полученные рез.льтаты позволили оптимизировать обработку ротационным инструментом по динамическим показателям: силе резания Рр , работе резания Ар и удельной работе резания Ац (та^л. 2).

Таблица 2

Огтмизация работы ротационного иистрй'мента

Критерии лтг/и.зпг/и Кинематический коэффициент При обработке

черно- 30 и чистовой

Динамические Р .ML р dLp Ks*ili'+sK+q"0,2dt 7-3sШ-0,5 ъ^ырзМ-^с^ти'с^тФ!)'! f'iina)-opticosjicosii)ct0 0,65 0,75

Ap'fodLp fe(sinti)sing};cosftC0Sit)№y)}/$ 1,51 3,96

А . МхгЪн 2 sjv faVf-Vr l^smkosftcosjicosLiJsm^ K/Ij) '(Sinu)№(/lt COSJlCQSutt-infi/if 0,90 1,51 0,76 3,96

Тепловые Г.уЛ D,V5? H(hH\l- 4u)p$tG%* IUI N 9u)jLRaicm(1-t/R) 0,15 0,001

где Ц,- путь резания; - угол контакта резца с обрабатываемой деталью; Ш - угол разворота оси резца относительно, уЗ - угол наклона плоскости реэттей кромки относительно Ь" .

Данные по механике обработки износостойких покрытий позволили подучить динамическую модель шпиндельного узла ротационного инструмента (рис. Р в виде системы дифференциальных уравнений Лагранжа Еторого рода в матргчной форме для обобщен;,мх ::зсс/П; и координат 01 :

<НЩ/ дб; и

где К - матрица кинетической, П - матрица потенциальной энергии механической системы, в которых ¿г, 1 »~

Рис. I. Расчетная схема динамической модели шпиндельного «/зля ротационного ингтрумснчм

конструктивные размерь-, Е - модуль упругости, р - плотность иатериала, А , о .¿о ,ЬА , ,бос~ обобщенные координаты и

- приведенные массы кпинделя; Я - радяус иМ -иасса реауиего элемента; И 1 Кос" коэффициенты ягаст-

кооти консоли и опор.

Частотней фо{мы¿¿собственных колебаний шпинделя рот®*» цяонного инструмента мпио определить по собственна! «яолйя Л;я собственные векторам щ матрицы К 'П.*

ИГ'П-

1»

гс тС тС о \А о &С А В о о о о В

где

- соотношения конста'ктивных размеров; 8

С-ГлУМДОДОВД, &жкосЯ'рЕсЦ/иъхт,

- параметр«, описывающие распределение нагрузок на консоли ч опорах.

Откуда частоты: С^скос '

и формы собственных колебаний:

А* &+&А(1+т)-Оат, Л Л (2С-Л№-Лд-6С2 й.$(20-М)А-б0г л тС(В-ЛО-тОА ' 8 тС(В-Л<)-тСА'

коойлциенты жесткости А"; консоли и опор шпинделя (табл. 3).

Табднця 3

Частоты, формы собственных колебаний и соотиетствупщко им соотнопьния коэффициентов жесткости

и),= 0,370 кГц 1,545 кГц и)3= 1,325 кГц |

Л <5. /1 Ъа ¿0 Л ¿3

0,131 I 3,658 I ■<,817 2,696 -1,268

I «и* И 0 X 3 0 Г*

Пе07 4415 1*07 7?. 1У 4909 229 267

I 0 2 0 N. 3 0 ч.

Д -- Л Аг Д.

Расчеты, проьеденныз по динамической модели шпиндельного узла, подтверждают результаты, полученные в ФШ на виброиз-ыерительном комплексе фирмы "ИТ", и показывают, что высокочастотные колебания при обработке являются результатом суперпозиции собственных основных колебаний ротацгчнного инструмента, причем соотношения частот и форм радиальных и осевых колебаний не связаны между собой, а взаимозависимы их абсолютные значения и амплитуды.

В третьей главе представлены экспериментальные и теоретические исследования тепловых процессов ротационной обработки износостойких покрытий с предварительны* нагревом.

Изучение тепловых шлей технологической зоны и изменений, которые вносит в кинематику, динамику, стружкообразование предварительна нагрев срезаемого слоя, показало, что рациональные температуры в зоне резания достигают 700...800°С (так для газопламенного покрытия ПГ-IOH-OI - 4СЭ...700°С, а для плазменного iliСР4 - 500.. .800°С). Это приводит к падения временного сопротивлен*'я в результате снижения составляющих силы резания fi и fie на 10...20% и резкого падения коэффициента усадки стружки Kf. Длина к ширина контакта стружки с передней поверзотеспв инструмента увеличивается в 2...3 раза, что приводит к уменьшение контактных напряжений на рабочих поверхностях лезвия.

Полученные результаты позволили оптимизировать обработку ротационнш инструментом при предварительном ньгреве срезаемого слоя по теллофнэичесхим показателе (табл. 2): расстоянии между режуизй т>рэмкоЯ инструмента и источником нагрева Ь ,ùt » giadQj/ytadSp ~ соотношению градиентов температур у режущей кромки резца и детали, и)Р/и)э - соотношению их коэффициентов темаегатуролроводностл и критериям Пекле - Р<0 > 8урье -Foi Вио.-Bl.

Данные по теплофизике обработки с предварительны« нагревом позволили получить модель тегювых процессов э режущем элементе ротациокчого инструмента. Модель описывает накоопэ-нив. тепла режущим элементом w 2<У).. ,о00°С с учетом его размеров и формы в виде дифференциальных уравнений теплопговод-10

ности для случая нестационарной двумерной задачи с граничными условиями первого рода, решения которых через Бесселевн функции^ и теплофизические критерии Го, Ы представлены В работах А.В.Лыкова. Высокотемпературный нагрев до 700... ...800оС, сконцентрированный у режуией кромки, вызванный быстрым перемещением лезвия инструмента, представлен в модели по методу источников теплоты, описанному в работах А.Н.Резникова через функции интеграла вероятности Гаусса и критерий Рб. .

Расчеты, проведенные по модели тепловых процессов, подтверждают результаты, полученные моделированием на ИС-сетке в Самарском, Тольяттинском, Новополоцком политехнических институтах, и дают возможность определить тепловое поле в ре-кушем элементе (рис. 2,а) и время стабилизации температуры в начальный момент работы (1...3 секунды).

ис. 2. Тепловое поле (а) и поло напряжений (с) в рекушем езвии ротационного инструмента при обработке с нагревом

В четвертой главе исследованы износ к разрушение лезвия, определены критерии работоспособности инструмента в процессах ротационной обработки с нагревом различной интенсивности.

Изучение хрупкого разрушения лезвия инструмента на основании теории упругости по методу М.Хетеньи с использованием функций напряжений Эри позволило описать поле напряжений в режутаем клина (рис. 2,6) и определить точки и линии опасных напряжений. Для проверки прочности материала использовался универсальный критерий Кулона-Мора в зависимости от температуры нагрева при различных значениях коэффициента %тб о/б"'

где б:,б'0 - напряжения предельные для инструментального материала при одноосном растяжении и сжатии соответственно; бх>бу- нормальные нТху~ касательные напряжения.

Исследования тепловых полей и полей напряжения в режущем клине (ряс. 2), а также стойкостные испытания твердосплавного инструмента при ротационной обработке, в том числе с предварительным алазменньм нагревом, дали возможность определить критерий работоспособности, как величину максимального допустимого износа по задней поверхности инструмента Нм.

При ротационной обработке конструкционных сталей и наплавок стальньми легированными проволоками (Нп-ЭЭХГСЛ, Нц-65Г) допустимая величина износа Л«» 0,3 мм. В процессе дальнейшей работы с увеличением износа размер источника теплорывд-ления на задней поверхности инструмента достигает величины проникновения высокой температуры от быстродекжущегося по передней поверхности источника (рис. 2,а). В результате этой температурной суперпозиции повьшаются амплитуды термических циклов, что приводит к образованию термоусталлстных трещин.

Использование предварительного нагрева снижает амплитуды термических циклов вследствие повмгения температуры на !00...200°С в результате накопления т<?пла режушсП плпс-иной в первые секунды работы, допустимый износ при рто* до^гит?'-величины Ни)- 0,7 мм, пров^рние которой соптор )*Л'^тгл тмз-12

растением нагрузки, что приводит к образования опасной точки на задней поверхности и сколу режуще го лезвия по линии, поло-кение которой определяется нагрузкой, приложенной н передней поверхности инструмента (рис. 2,6).

Прм ротационной обработке высокопрочных хромоникелевых порошковых наплавок П1Г-ЮН-01, СГ-СРЗ, 11Г-СР4) твердостью до 54...58 НГ<СГ; износ происходит о результате интенсивного никровикразгипания рекуйей кромки вследствие высокой концентрации нагрузки на малых длине ко"такта стружки с передней поверхностью инструмента и величине износа по эадне11 поверхности Дм = 0,15 ьт. Увеличение износа приводит к сколу режущего лезвия по всей зоне высоких напряжений.

Использование предварительного нагрева увеличиваем длину контакта стружки по передней поверхности в 2...3 раза и сни-ясет контактные нвпрткения на рабочих поверхностях режущего клика. Допустимая величина износа достигает ¡1т 0,7 мм, а разрушение инструмента происходит (рис. 2,6) в результате потери прочности режущим лезвием.

Исследования показали, что предварительный плазменный нагрев срезаемого слоя целесообразен при обработки покрытий тпердостыо сб'СТй 45...50 НИ! и повышает стойгось ротацнон-? ного инструмента при обра5отке наплавок стальники лгтирээан-ньмк проволоками в 2...2,5 раза, при обработке хромоникелс-снх порошковых наплавок в 4...5 раз и рас-мряет технологические возмо.тности метода за счет обработки покрытий твердостью 58...63 ¡ЩС0.

В пятой главе описаны особенности конструирование и эксплуатации инструментов для ротационной обработки износостойких покрытий, в том числе при использовании предварительного плазменного, электродугового нагрева и совмещения операций наплавки с упрочияхете-раэмерной обработкой ротрпионнычи резцами.

!Ъ ркзультатгл исследований м..ханики и теплофизики процесса предложен ряд способоо обработки ротационнг-м инструментом с нпгррвом срелогмого слоя: при разделении припуска, при использовании !'чструмрнтя с учороченнпЧ сяднвй повертно-стьп, при юлпче ОЛС в зону обработки резцом и при исполь-

13

эовании внутреннего охлаждения инструмента двухфазньм теплоносителем в термосифонах и тепловых трубах.

На основании моделей динамики шпиндельного узла и тепловых процессов в режутей пластине разработан диффроенцировзн-ный подход при проектировании ротационного инструмента, согласно которому компоновочная схема рьзца (та^л. 3) выбирается в зависимости не только от способа, но и от условий обработки: черновой (I), почучистовой (2), чис: ;вой (3), для различных обрабатываемых материалов и покрьтий (табл. 3). Опи-мизация конструкций шпиндельных узлов ротационных инструментов проведена на основе их амплитудно-частотных характеристик.

В соответствии с дифференцированным подходом для разнообразных условий обработки с нагревом плазменньм, электродуговым источниками различной интенсивности рекомендованы схемы ротационного резания, конструкции инструментов, углы установки резцов и углы заточки режупего лезвия, повьт-чющие качество поверхностного слоя и производительность обработки.

В шестой главе на основании использования методов матем'тической статистики и многофакторного ЦКРУЛ (центрального композиционного рототабельного униформ-пла1.1-рования) экспериментов представлено изучение качества поверхностного елся деталей, упрочненный износостойкими покрытиями после ротационной обработки с нагревом источниками различной интенсивности.

В главе исследовались показатель стабильности процесса ротационной обработки К - кинематический коэффициен. и эксплуатационные параметры качества, достаточно полно характеризующие г-зно со стойкость упрочняющих покрытий: 8 шаг волны поперечной шероховатости, На - среднеарифметическое отклонение профиля, Н1?СЭ - твердость- степень упрочнения поверхностного слоя в зависимости от основные технологических факторов процессов нагрева и резания:3 - интенсизности плазменного, электродугового нагрева,Ь - расстояния от пятна нагрева на поверхности детали до режущей кромки ротационного рез-да, 5-скорбе¥ИТЩаЩ,7г- скорости главного движения и I ■ глубины резания. Графическое представление зависимостей па-14

вметроп качества от технологических ^.акторов (рис. 3) было получено 10 усавненилм регрессии а тмощыо одномерных сечений. Исследование параметров иачестгз позволило 1становить, ч/о аяилни» технологических факторов при обработке хрсмзни-кчлевах пороикопых наплавок с низким коэ'№И!иеиЕ.)м теплопроводности Л = &. ..10 Вт/м К в ппрчдк1 убнээнип их значимос/и

а а

От«; /им

1,251,00' 0?5' 0,50-А25'

Л»,

12,5 що

V 50

2.5

щ ¿1

т

К

от 6,625-

цт да-

05«)

(П (2) (3) Д ^ т т ^ °>2 V

К

мм

0,№ 0№ дай-

Ц525-

4,500-

150 (25

1,00 №

025

Я а,

мкм

115

10,0 15

4°

щ

т

62,5-№• 57,555052550,0

л %

2,50 (25 0

4,25 -5,75■

1

У/' у"

А £

/г

т

0,1 0,2 05 г

5у

V 1

(1) (2) (3) (4) » 60 701,мм (\$ ф %

Рис. 3. Кинематический коэффициент К (I) и параметры качества поверхностного слояЗт^^ЬЛЯ (3), НЙС Ч),-Я1(5Кпок-шгги<! ''Г-ГЛЧ ч ппвислмостн от технологических факторов и (а), Мб), Б (в), 1Г< г)

можно расположить в ряд:СТ*"^(для плазменного покрытия НГ-СР4). Со снижением интенсивности плазменной дуги для предохранения от высоких температур, ютопьг.: сопутствует ускоренное растворение боридов и карбидов вУ-тверлом растворе никеля, влияние нагрева падает: (для газопламен-

ного покрытия РГ-ЮИ-01). При обработке наплавок стальнтн легированньмч проволоками с высоким коэффициентом теплопроводности -Л- - Зо...40 Вт/м.К факторы можно расположить р ряд: (для вибродуговой наплавки На-65Г).

Полученные результаты показали, что с увеличением тетло-лрозодаости обрабатываемого покрытия усиливается влияние расстояний ш источника нагрева и ослабляется интенсивность и время теплового воздействия на поверхностный слой в результате поз мнения роли-процессов накопления тепла деталью.

Оптимизация процессов ротационной обработки износостойких покрытий ПГ-СР4, ПГ-ЮН-01, Нп-№Г с плазменный нагревом грз-заемого слоя (табл. 4) проводилась для технологических факторов 3 , I* ,3 ,V",£ по обобщенной функции желательности Харрингтона, учитывающей комплекс параметров качества:$#щу, /?0, НИС^^Л- и К. Оптимизация процесса упрочняюще-размерной обработки ротационным резцом, совмещенной с наплавкой проволоки Нп-ЗОХГСА (табл. 4), приводилась по расстоянию от источника нагрева до реязтцей кромю; резца для геометрических параметров качествабту,Яй.

ТгЗллца 4

Оптимальные параметры качества поверхностного слоя износостойких покрытий при ротационной обработке с нагревом

Покрытия. Техкэлогическиз факторы Параметры качества

г ■ А. А мм 5. об/мин У м/с г, ш К ГЧ Яа, мкм няса /с. %

ЛГ-СР4 ПГ-ЮН-01 Нп-65Г;' • Нп-ЗОХГСА 100 ' 60 50 120 65 65 ЕЗ 15 0,28 0,52 0,39 4,00 3,0 5,2 2,7 0,01 0,15 0.15 0,20 1.Т0 0,64 0,69 0,77 0,65 0,66 1,14 1,16 3 3,2 5,4 7,7 8 61,5 57,5 53,5 2,9 3,2 ЗЛ

Результаты, полученные на основании статистической обработки, показываот, что предварительный плазменный электродуговой нагрев срезаемого слоя позволяет повысить производительность ротационной обработки в 4...13 раз, на чистовых и получистовых операциях получить упрочнение поверхностного слоя на 30...40 НУ на глубине 100...150 мкм.

В седьмой главе приведен расчет технико-экономических показателей при использовании предварительного плазменного нагрева для роггционной обработки износостойких покрытий. На один токарно-винторезкый станок при ус-лотпи нормальной о о грузки (Из= 0,7) л двухсменно;* резяма работы годогоЛ экономический эффект составит 12 тыс. рублей.

Установлено, -гго технологические процессы ротационной обработки гильз цилиндров двигателей ГАЗ-51 из титаномедистого чугуна с отбеленные слоем, электродов и втулок и^ графита марки 1МЗ, распределительных валов двигателей ЗИЗ-БЗ, совмещенной с наплавкой проволокой Нп-ЗОХГСЛ, внедренные на ряде предприятий, даю? экономический эффект 36,5 тыс. руб. в год.

В з а х л в ч е н и и на основании сравнения результатов, полученных при исследовании ротационноГ. обработки с нагревом концентрированными потоками энергии и традиционных методов обработка, предложены кинематические, динамические хритерил самоорганизации и константы обрабатываемого материала, рекомендованы пути повышений и£фекти,ности процессов резания труднообрабатываемых материалов и покрытий.

С позиции совместных действий механических и теплов../ процессов, происходящих в обрабатываемом материале и инструменте, на основании синергетического подхода к системе инструмент - технологическая среда - деталь целесообразно: I) интенсифицировать механическую обработку целенаправленным воздействием на зоны контакта и деформации в обрабатываемом материале и инстууентв; 2) воздействовать на зону стружхооб-раэоаашя со стороны срезаемого с ;оя п наиболее удаленных от контактных площадок местах концентрированными потоками энергии; 3) испольэоаать инструменту с дополнительной степень?? споводы режущего леззия: самозатлчусаяшиеся абразнвннэ и лз-эоийнне, с упругими и деыпф'-тугадай элементами, самэпрзаа«-

17

шиеся ротационные и другие; 4) сочетать преимущества скоростного и силового резания, оптимизируя соотношения составляйте режима резания- увеличением подачи инструмента до значений, сопоставимых со скоростью главного движения.

основные вывода

1. Предложены комбинированные процессы, пивышатше эффективность обработки износостойких покрытий за счет применения инструментов с дополнительной степенью свободы режущего лезвия и использовали", предварительного нагреза срезаемого слоя концентрированными источникам1- энергии, такими как плазменная, электрическая дуга, а также технологическое тепло при. совмещении операций нанесения покрытий и размерно-упрочнявшей ротационной обработки для снижения временного сопротивления £>и высокопрочных покрытий.

2. ГЬлучены кинематические, динамические и теплофизичес-кие зависимости временного сопротипленияб^ , эффективных бе и условных бтупараметров напряжений, удельной Луи интегра-л1НойДр работы резания от силы Рр-и момэнта Мр, критериев Рвир0 при ротационной обработке, позволяющие с позиций самоорганизации термомеханических процессов в зоне резания и снижения энергоемкости обработки оптимизировать движения ревущего лезвия ротационного инструмента.

3. Рассмотрена математическая модель технологической системы, установлено, что по жесткости и виброустойчивости работоспособность системы ограничивает шпиндельный узел, а по прочности режущее лезвие ротационного инструмента. Показано, что предварительный нагрев срезаемого слоя концентрированными источниками энергии, смазка и охлаждение ротационного инструмента, оптимизация конструкций оечастчи, шпиндельного узла и режущего лезвия, выбор рациональных режимов резания и нагрева повышает работоспособность системы, обеспечивают высокую эффективность обработки деталей с износостойкими покрытиями.

4. Предложена методика проектирования комбинированной обработки, позволявшая с позиции совместных действий механичз-18

ских н тепловых процессон определить тип источника нагрева, методы смазки и охлаждения в зависимости от периодов стабилизации температурных полей в режущем элементе, выбрать схемы установки и компоновки, конструкции шпиндельных узлов на основе амплитудэ-частотннх характеристик радиальных и осевых колебаний ротационных инструментов для черновой, получистовой и чистовой обработки различных материалов и покрытий.

5. Выявлено, что предварительный нагрев срезаемого слоя изменяет виды стружкообразования ч контактных процессов на рабочих поверхностях ротационного инструмента. Теоретически и экспериментально установлено, что износ и разрушение твердо-сплавного режушзго лезвия и результате хрупкого яыкпяли-вания и термоус.талостного растрескивания при обработка с нагревом рациональной интенсивности устраняются, в стойкость инструмента определяртся прочностью режущего лез-.ия.

6. Получены зависимости параметров качества поверхностного слоя хромоникелевых порошковых покрытий и нах1апок стальными легированными проволоками от реяимоп нагрева и ротационного розания, позволявшие на основе многофактешой оптимизации с позиций самоорганизации термочехачичегких процессов определить рациональные режимы комбинированной обработки. Показано, что с повышением теплопроводности покрытия возрастает влияние процессов накопления тепла деталью.

7. Обоснована необходимость применения предварительного плазменного нагрева срезаемого слоя при ротационной обработке высокопрочных наплаяок твердостью 58...63 НДСЭ, гюд вера-дена целесообразность предварительного нагрзва износостойких покрытий твердостью срыше 45...50 НКСЭ для повышения производительности ротационной обработки чаплавок стальнымн легированными проволоками в 2...2,5 раза, хромоникелевых порошковых покрытий в 4...5 раз.

В. На рациональных режимах ротационного резания с плазменным нагревом получены поверх» ати с шагом волны поперечной шероховатости ¿ту/0,7 мм, среднезри{метическим отклонением профиляЯй 3 мкм при упрочнении поверхностного слоя на 35 НУ на глубине до 150 мкч, без заметных изменений структуры наплавленного покрытия.

9. Годовой экономический эффект от внедрения на ряда предприятий технологических процессов ротационной обработки деталей из труднообрабатываемых материалов и с износостойкими высокопрочными покрытиями - 36,5 тыс. руб.

Содержание диссертации опубликовано более чем в оО печатных работах, основные из которых:

1. Яшерицын П.И., Борисенко А.В., Хейфец М.Л. Жесткость и виброустойчивость шпиндельного узла ротационного инструмента. - Известия АН БССР. Сер.физ.-техн.наук, 1990, № I. - С. 116.

2. Борисенко А.Е., Хейфец М.Л. Динамика разрушения режу-пего клина в процессе износа инструмента. - Известия АК БССР. Сир. физ.'-техн. наук, 1990, Ji I. - С. 117,

3. Кожуро Л.М., Медко B.C., Хейфец М.Л. Характеристики качества поверхности высокопрочных наплавок при ротационном резании с плазменным нагревом. - Известия вузов. Машиностроение, 1990, № 6. - С. I06-III.

4. Borlsenko A.V.opok H.N..KLjifeta M.I. The Combined Methods of Frictional Tarts and Uhits Surfaces Forming // Proceedings of the International Sinposiuni on the Trihology of Friction Materials. - Yaroslavl", 1991.vol.II,pp.338-343.

5. Kheifetatt.I». Ways of Increasing Efficiency of Processes Forming Surfaces of Friction // Proceedings of the International Siinposium on the Tribology of Friction Materials. - Yaroslavl, 1991, vol. II, pp. 344-349.

6. Борисенко А.В., Данилов B.A., Хейфец М.Л. Совершенствование конструкций шпиндельных узлов ротационных резцов. -.Станки и инструмент, I9S2, № I. - С.4-7,

7. Ящарицыи П.И., Борисенко А.В., ХеЩ.ец М.Л. Свноргетп-ческий подход к процессам резания металлов. - Известия АН Беларуси. Сер. фаз.-техн. наук, 1992, Л I. -С.

8. Ящарицын П.И,, Борисенко А.Б., Попок II.Л», Хейфец М.Л,. Коыолнированный метод обработки ротационнгм инструментом е нагревом срезаемого олоя. - Доклады АН Беларуси, 1992, .'£ I,-

С