автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Диагностика и управление контактными процессами при резании

fia правах рукописи УДК 621.9.026

РГБ ОД

СЕЛШБРЛТОВЛ МАРИНА Ш1АДПМИРОШ1А

" ШР Г;}'

ДИАГНОСТИКА II УПРАВЛЕНИЕ КОНТАКТНЫМИ ПРОЦЕССАМИ IIP1I РЕЗАНИИ

Специальность 05.03.01 - Процессы механической и физико-

технической обработки,станки и инструмент

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Комсомольск-па-Амуре - 2000

Работа выполнена в Комсомольском-на-Амуре государственном техническом университете

Научные руководители:

Официальные оппоненты:

Ведущее предприятие:

Заслуженный деятель пауки н техники РФ, академик Российской инженерной академии,

доктор технических наук, профессор Кабалдин Ю.Г.

кандидат технических наук, доцент Виноградов B.C.

доктор технических наук, профессор Ким В.А.

кандидат технических наук, Дунаевский Ю.В. Комосомольское-на-Амуре АО "Амурский судостроительный завод"

Защита диссертации состоится " 2!L марта в 10-00 часов на заседании диссертационного совета Д 064.70.01 в Комсомольском-на-Амуре государственном техническом университете по адресу: 681013, г. Комсомольск-на-Амуре, ул. Ленина, 27 корп. 1, ауд. 207. .

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Комсомольско-ro-на-Амуре государственного технического университета.

Автореферат разослан " 2_" февраля 2000 г.

Ученый секретарь диссертационного совета /Р кандидат технических наук, доцент

А.А. Бурков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. При управлении процессами механообработки в автоматизированных производствах приходится решать сложнейшую задачу оптимизации, противоречивую по своему содержанию: необходимо увязать экономические критерии и надежность процесса с физико-химическими явлениями, протекающими в зоне резания. Первостепенное значение при этом имеют закономерности трения и распределения контактных нагрузок при резании.

Контактные процессы тесно связаны с вторичной деформацией в прирезцовом слое и в значительной степени определяют устойчивость процесса резания, характер п интенсивность износа инструмента, качество и точность механообработки. Поэтому к числу наиболее важных проблем при резании в условиях автоматизированного производства относится управление контактными процессами. Успешное решение этой проблемы возможно лишь при изучении физической природы явлений, сопровождающих эти процессы, с использованием современных достижений в области физики твердого тела, материаловедения, термодинамики неравновесных систем.

К числу фундаментальных подходов к изучению физических явлений в различных областях науки следует отнести теорию самоорганизации - синергетику, изучающую образование сложных пространственно-временных структур в системах, далеких от термодинамического равновесия.

С позиций синергетики систему резания следует рассматривать как термодинамически неустойчивую, открытую диссипативную систему. Поэтому использование синергетического подхода к анализу механизмов трения и наростообразовання при резании позволит установить их общие закономерности и выработать методы управления ко^гактными процессами.

Цель работы: Повышение надежности процесса резания за счет диагностики и управления контактными явлениями на основе синергетического подхода.

Методы исследования:. Экспериментальные исследования проводились в лабораториях кафедры «Технология машиностроения» и в заводских условиях с использованием общепринятых методик и стандартного оборудования. Для проведения отдельных исследований разработаны и изготовлены специальные устройства.

Металлографические исследования проводились на просвечивающем электронном и сканирующем растровом микроскопах, на металлографическом комплексе «АХЮУЕЯТ» и микрорентгеноспектральном анализаторе. Микротвердость измерялась на приборе ПМТ-3.

Результаты исследований анализировались с использованием основных положений теории резания металлов, теории упругости и пластично-

стп, теории дислокаций, физики твердого тела и теории самоорганизации открытых днеенпативных систем.

Обработка полученных результатов проводились с применением па- ' кета математической статистики «ХТА'ПЗ'ПСА 5».

Научная монизма работы состоит в:

- развитии механизмов трения на основе синергетнческого подхода к эволюции контактных процессов при резании;

- установлении причин зависимости среднего коэффициента трепня от температуры резания, обусловленного формированием при Т и 300° С по длине пластического контакта структур, вызывающих как его рост, так и общей длины контакта;

- разработанных моделях характера контакта стружкн с инструментом и двухчленного уравнения среднего коэффициента трения при резании на основе выявленных фазовых и структурных превращений в зоне формирования пластического контакта стружки с инструментом;

- развитии механизма образования нароста как о диссипативной структуре вследствие самоорганизации контактных процессов при резании.

Практическую ценность представляют:

- составы твердых покрытии на режущий инструмент с целью повышения его износостойкости (а.с. № 1533127, № 1354757);

- методы диагностики контактных процессов по сигналам акустической эмиссии.

Апробация работы: Основные положения диссертационной работы докладывались на:

- международной научно-технической конференции "Точность и надежность технологических и транспортных систем", г. Пенза, 1999 г.

- на научных семинарах кафедры «Технология машиностроения» Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета и 1999 - 2000 гг;

Реализация результате к работы. Результаты работы внедрены на Комсомольском-на-Амуре авиационном производственном объединении им. ¡О.А.Гагарина и в учебный процесс на кафедре «Технология машиностроения» Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета по дисциплинам: "Повышение надежности процессов резания в автоматизированном производстве", "Процессы формообразования и инструменты".

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 3 печатных работы, получены 2 авторских свидетельства.

Объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов по работе. Работа изложена на 153 страницах машинописно-

го текста, содержит 67 рисунков, 9 таблиц, список использованных источников из 73 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во пвсдеиии обоснована актуальность темы диссертационно» работы, сформулирована цель исследований, изложены основные положения, выносимые на зашиту, дана краткая аннотация всех глав.

В первой глпве дан литературный обзор результатов теоретических и экспериментальных исследовании механизмов трения и наростооб-разования, их влияние на износ режущего инструмента.

Различие в функциях, выполняемых в процессе резания передней и задней поверхностями инструмента, обусловили рассмотрение контактных явлений при резании на процессы, происходящие на передней и задней поверхностях инструмента. Многочисленные исследования показывают, что при известной независимости этих групп явлений и различиях в их природе они содержат и много общих черт, например, высокие контактные температуры и давления. Между контактными процессами на передней и задней поверхностями существует взаимосвязь, причем ведущую роль в ней играют процессы на передней поверхности, тесно связанные с закономерностями пластических деформаций в срезаемом слое.

Исследованиям трения и контактным процессам при резании посвящены работы Н.Н.Зорева, Гордона М.Б., Т.Н.Лоладзе, А.И.Исаева, М.И. Клушнна, М.Ф Полетики, А:М. Розенберга, В.Ф. Боброва, Г.И.Грановского и др.

Рассмотрены схемы распределения контактных напряжений на передней поверхности инструмента, предложенных» Н.Н.Зоревьш, М.Б.Гордоном и В.Ф.Бобровым и др., а также механизмы трения при резании. Описаны существующие механизмы наростообразования и влияние контактных процессов на износ режущего инструмента.«

Анализ литературных данных показывает, что изучение контактных процессов при резании в основном осуществляется на базе экспериментальных исследований, недостаточно привлекаются современные достижения в области физики твердого тела, термодинамики и др. В этой связи слабо изучен как механизм трения при резании, так и причины зависимости среднего коэффициента трения pi от температуры резания, а также механизм формирования пластического контакта стружки с инструментом и наростообразования. Отсутствует физическое обоснование инвариантности удельной силы трения и ее связи с истинным напряжением при разрыве. Изложенное выше, не позволяет выявить общие закономерности трения и особенностей протекания контактных процессов при резании, осуществляющихся в условиях высоких скоростей деформирования и энергетиче-

ckik взаимодействий, стимулирующих неравновесные фазовые переходы и протекание диссипативных процессов.

Следует отметить, что в последние годы, благодаря работам И.Р.Пригожина, Г.Хакена, В.Эбелинга и др. в области термодинамики необратимых процессов, создано новое научное направление - синергетика или теория самоорганизации, изучающая эволюцию нелинейных систем в диссипативных средах, далеких от термодинамического равновесия. В этой связи можно полагать, что интенсивность контактных процессов будет определяться видами диссипативных структур, формирующихся в процессе резания.

С учетом выше изложенного, были поставлены следующие задачи диссертационной работы:

1. Изучить механизм трения на основе синергетического подхода к эволюции контактных процессов при резании.

2. Исследовать структурные и фазовые изменения в прирезцовом слое стружки и на этой основе изучить закономерности формирования пластического контакта стружки с инструментом.

3. Исследовать механизм образования нароста с учетом современных положений физики твердого тела, материаловедения с использованием тонких методов металлографического анализа.

4. Разработать методы диагностики и управления контактными процессами при резании.

Во второй главе изложены экспериментальные методики исследования контактных процессов при резании, прочности сцепления стружки с инструментом, мегаллографические исследования шлифов корней стружек и подошв нароста с использованием растровой и электронной микроскопии.

Для получения фиксированной структуры зоны стружкообразования использовалось приспособление для "мгновенного" прекращения процесса резания за счет энергии пороховых газов.

Для осуществления свободного резания в качестве заготовок были использованы диски диаметром 180...210 мм, толщиной b =2,5...3 мм, в качестве режущего инструмента применяли резцы, оснащенные твердосплавными пластинами из BKS, Т15К6. Резание осуществлялось в диапазоне скоростей V — 5...80 м/мин, толщиной среза а = 0,1...0,4 мм. Обрабатываемый материал - стали 10, 45, У8, 65Г, 1Х18Н9Т и титановый сплав ВТЗ.

Изложены методики металлограф1гчсского исследования шлифов корней стружек и подошв нароста с использованием растровой и блек-тронной микроскопии, а также исследование микротвердости по длине подошвы нароста.

В третьем главе представлены результаты экспериментальных исследований влияния режима резания на наростообразование, а также металлографических исследований и микротвердости.

Анализ приведенных данных (рис.1) свидетельствует о том, что основные зависимости высоты нароста от скорости резания и толщины среза согласуются с литературными данными. При обработке углеродистых сталей процентное содержание углерода существенно влияет на высоту нароста: чем меньше чем меньше содержание углерода, тем больше высота нароста.

НО 1М>

Сшрость реганкя. ъгч

Рис.1. Зависимость высоты нароста от скорости резания: а = 0,2 мм, Ь = 2 мм

Рг/с.З. Структура подошвы нароста: сталь 10, V — 40 м/мин, а ~ 0,2 мм, Ъ =2 мм (х 240)

Рис.2. Структура подошвы нароста: сталь 10, V = 18 м/мин, а= 0,2 мм, Ь = 2мм(х200)

Рис.4. Структура подошвы нароста: стань!О, V - 65 м/мгш, а = 0,2 мм, Ъ = 2 мм (х 200)

При металлографтеских исследованиях на подошве нароста выявляются завихренные структуры (рнс.2) , что свидетельствует о высокой степени деформации прирезцовых слоев, с ростом скорости резания по длине подошвы обнаруживаются три характерных участка с различной

структурой: вблизи режущего лезвия со структурой мелкодисперсного троостита, второй участок пластинчатого перлита (зерна цементита вытянуты в направлении схода стружки), а в конце подошвы - области чистого феррита (рис.3,4).

100

На рис. 5 приведены зависимости II ^ микротвердости по длине подошвы нароста от скорости при резании стали 10, го которого следует, что наибольшая микротвердость наблюдается у режущего лезвия, которая растет с увеличением скорости резания .

Рис. 5. Зависимость распределения микротвердости по длине подошвы нароста при резании стали 10 от скорости резания: а = 0,2 мм, Ъ = 2 мм

6 9 13 15 18 21 24 27 30 33 36 39

Ллина полошвы напоста. мы х Ю'!

При резашш стали У 8 по дшше подошвы обнаруживаются две различные по структуре зоны: у режущего лезвия троостит, а далее интенсивно деформированный сорбит. С увеличением скорости резания соотношение зон изменяется. С ростом толщины среза также выявляются завихренные структуры (рис. 6) и структуры отпуска стали.

И""^''Установлено также, что проч-

сцепления подошвы нароста с /^Щ^Ш инструментом при резашш различных

шшш

материалов увеличивается.

Рис.6. Структура подошвы

нароста: сталь 45, У=26 м/мин, 8-0,26 об/мин, 1=2 мм (х 200)

В четвертой главе изложены ^механизмы трения и наростообразо-;1|вания, развитые на основе синергети-

ческого подхода к процессу резания. 'I Установлено, что при резании в зоне стружкообразования, в прирез-цовых слоях стружки и приконтакгных слоях инструмента происходит повышение плотности дислокащш и перестройка их в энергетически устойчивые фрагментпрованные структуры. Высо-

кие скорости деформирования(£ = 10"3 - 10"6 с'1) активизируют эти процессы. В результате в зоне стружкообразования, в

прнрезцовых слоях стружки и поверхностном слое заготовки создаются сильновозбужденные состояния (СВС).

Система резания -- термодинамически неустойчивая, открытая дис-снпативная система. Согласно первому заколу термодинамики работа сил трения Ат п системе резания затрачивается на запасание энергии упругой деформации!! Ли^ и выделение тепла О:

Ат=Аил + () (1)

Энергия упругой деформации Ли^", запасаемая в контактных слоях и р плотность дислокаций, определяется степенью деформации, прежде всего, прнрезцовых слоев, поэюму А £/" " будет характеризовать вторичную дислокационную структуру и адгезионную способность прнрезцовых слоев при взаимодействии их с инструментальным материалом, т.к. дислокации выполняют роль "активных центров" адгезии.

На рис.7 приведены зависимости запасаемой энергии упругой деформации (скрытой энергии деформирования), р плотности дислокаций и //^""микротвердости от скорости резания в прирезцовом слое. Как следует

из рис.7, эти зависимости имеют экстремальный характер, достигая максимальной величины при скоростях резания, где высота // нароста максимальная.

Рис. б. Зависимость А запасенной энергии деформации (2), р плотности дислокаций (3) и Я^00 микротвердости (1) в приреч!10"0ч

слое стружки от скорости резания стали 10: а = 0,2 мм, Ь = 2 ми «

Исследованиями внутреннего трения от температуры испытаний установлено, что эта зависимость также имеет немонотонный характер. При температуре испытаний Т*> 300° С наблюдается релаксационный пик, который по литературным данным (МЛ.Бернштейн и др.) обусловлен рос-

том подвижности дислокаций вследствие открепления их от углерода.

Таким образом в системе резания происходит как рост Л11л запасенной энергии упругой деформации, так и ее рассеивание по различным механизмам (рост подвижности дислокаций, выделение тепла и т.д.). Накопление тепла в системе резания способствует увеличению в ней энтропии

Анализ рис. 2...4 показывает, что увеличение плотности дислокаций и температуры в условиях высоких скоростей нагрева и степеней деформации при резании способствует фазовым и структурным изменениям, результатом которых является образование зон с различной микро-твердостыо (пластичностью): от троостита до чистого феррита. В этой связи, немонотонный характер зависимости среднего коэффициента трения от температуры резания следует связать с образованием по длине пластического контакта зон с различной структурой (рис. 2-4). Образование более пластичных структур способствует росту С,п длины пластического контакта и Со общей длины контакта. На рис.8 приведена зависимость Спл и С0 от <У относительного удлинения различных материалов, из

которого видно, что с увеличением 8 материалов происходит как рост Ст, так и Со.

Далее исследовались причины зависимости ц от температуры резания в «чистом» виде. Для этой цели резание осуществлялось на микроскоростях с искусственным подогревом реж-ущей части инструмента.

• На рис.9 приведены температурные зависимости //^00 по длине подошвы нароста, анализ которых показывает, что при резании с различными скоростями (рис.5) по длине подошв наростов образуются зоны с различной мнкротвердостью, а следовательно, пластичностью.

На рис. 10 приведены зависимости #^°°от температуры нагрева нароста после его отжига в вакуумной установке. Установлено, что происходит снижение микротвердостн подошвы нароста до исходной (//^00 - 214 кгс/мм1) при этом наблюдается восстановление, структуры стали до начального состояния. .

О 10 20 30 40 50 60 Ошосителыюе удлинение, %

Рис.8. Зависимость Сл, и Со от величины относительного удлинения материалов

Длина подошвы нароста, мм х 102

Рис.9. Температурные зависимости Нм микротвердости по

длине подошвы нароста при резании стали У8: V = 0,02 м/мин, а =0,2 мм, Ь = 2 мм

Длина подошвы нароста, мм х Ш3

Рис. 10. Зависимость микротвердости подошвы нароста от температуры отжига

На рис.11 приведены температурные зависимости /ли Н при искусственном подогреве режущей части инструмента. Следует также отметить, что по мере роста температуры подогрева инструмента наблюдался перевод от стружки скалывания к сливной.

Рис. 11. Зависимость ¡.t и Н от температуры подогрева

режущей части инструмента. Резец BKS, сталь У8: а = 0,2 мм, b = 2 мм

TcMiii/aryPd, Т

Таким образом, анализ рис. 9 и 11 показывает, что зависимость fJ от температуры резания обусловлена фазовыми и структурными превращениями в лрнрезцовых слоях, вызывающих образование по длине контакта зон с различной структу рой, твердостью и пластичностью. В свою очередь, формирование структур с высокой пластичностью ведет к увеличению С„.7 и С0, п результате удельное давление снижается, а /i растет.

Проведенные исследования позволяют также утверждать, что формирование пластического контакта при отсутствии развитого нароста происходит дискретно, т.е. в месте формирования более пластичных структур образуются очаги первичного затормаживания (рис.12, а), которые воспринимают сжимающие напряжения и вязкий срез по границам фрагментов дислокациошюй структуры. Дальнейшее развитие Сю пластического контакта сопровождается образованием нароста, берущего на себя функции режущего лезвия (рис.12, б).

Рис.12, а) двухзонная модель контакта стружки с инструментом при резании; 6) механизм образования нароста

При этом, формирование См происходит как по адгезионному механизму, в месте первичного затормаживания частиц прирезцового слоя из обрабатываемого материала,так и деформациогашму вблизи режущего лезвия. На рис.13 приведена микрофотография подошвы нароста, свидетельствующая о дискретном характере формирования пластического контакта на начальном этапе. На рис.14 - микрофотография инструмента с приварившимися частицами прирезцового слоя после сдвига нароста, сформированного при резании, на которой видно, что затормаживание частиц прирезцового слоя обрабатываемого материала наблюдается на некотором удалении от режущего лезвия.

Подтверждена шшариантность удельной силы трения от температуры резания. Установлена связь <7,. с 5 относительным удлинением и у/ относительным сужением. Выявленная зависимость позволяет объяснить ее связь qF с истинным напряжением разрыву, установленную М.Ф.Полетика (с/=0,28

Инвариантность удельной силы трения от температуры резания обусловлена образованием в заторможенных частицах обрабатываемого материала фрагментированных дислокационных структур. В этой связи зависимость qF от истинного напряжения при разрыве обусловлена вязким срезом частиц (рис.12, а) при достижении в них предельной деформации. Поэтому дг - это напряжения среза заторможенных частиц обрабатываемого материала.

Таким образом, трение при резании реализуется в условиях образовать как вязкого среза заторможенных частиц обрабатываемого материала на участке деформационно-пластического контакта, так и фрикционного взаимодействия на С^ участке пластического контакта по закону Амонтона-Кулона. В этой связи пластический контакт более правильно классифици-

РисЛЗ. Микрофотография подошвы нароста при резании стали 10: V = ЗОм/мин (х 240)

Рис. 14. Частицы метана приварившиеся после сдвига

нароста с передней поверхности инструмента (х

ровать как деформационно-пласшческий , а средний коэффициент трения можно представить в виде двухчленного уравнения М = И + М

Д.П. ' вн

где: /-1 - деформационно-пластическая компонента трения; М.н — компонента внешнего трения.

Величина ¡л Дл определяется свойствами обрабатываемых материалов, а цг - фрикционными свойствами контактируемой пары. Учитывая, что на долю Сю приходится основная часть удельных нагрузок (Н.Н.Зорев), то средний коэффициент трения в основном определяется ц .

С позиций синергетического подхода систему (рис. 12,а) заторможенных частиц и развитый нарост следует рассматривать диссипативными структурами, как результат самоорганизации контактных процессов. В результате самоорганизации внутреннее трение в стружке становится энергетически более выгодным, чем в граничном слое. Этот процесс сопровождается также снижением производства энтропии.

Полученные результаты комплексных исследований механизма трения при резании позволяют также изложить точку зрения и на природу образования нароста. Его формирование начинается (рис.12, б) в месте первичного контакта стружки с инструментом с образованием ядра нароста. Дальнейший его рост осуществляется путем послойного затормаживания уже окисленных слоев, круто поворачивающих (рис.12,б) еще до режущего лезвия.

Анализ проведенных исследований показывает, что прочность адгезии подошвы нароста с инструментом не является основным фактором, определяющим степень развития заторможенных слоев в зоне деформационно-пластического контакта. Высота нароста в значительной степени определяется степенью деформации срезаемого слоя. Так, например, при резании стали 10 прочность сцепления подошвы нароста ниже, чем при резании стали У8. Однако высота нароста и степень деформации при резании стали 10 выше, чем при резании стали У 8.

В пятой главе изложены методы диагностики и управления контактными процессами.

Управлять наростообразованием возможно дополнительным подогревом режущей части инструмента. Этот способ реализован за счет разработки специальной конструкции опорных пластин с рифленой поверхностью, что уменьшает отвод тепла в тело резца и повышает температуру в зоне резания. Данный метод оказывается эффективным как при средних, так и при высоких скоростях резания. Увеличение температуры в зоне реза ння уменьшает коэффициент трения ц на передней поверхности инструмента и высоту нароста Н, снижает шероховатость обрабатываемой поверхности .

Исследования по анализу акустической эмиссии (АЭ) при резании позволили разработать методы диагностики контактных процессов. Исследования проводились при резании всухую, с использованием СОТС и инструментом с покрытием.

Перед экспериментом была проведена оценка влияния смены непе-ретачиваемой пластины на передачу сигналов АЭ, влияния износа инструмента на получаемые данные и фона АЭ, генерируемой шпинделем и приводом станка. Применение резца с неперетачиваемой пластиной позволяет свести к минимуму помехи в измерительной системе, так как при снятии или установке новой режущей пластины резцедержатель и датчик остаются на месте. Уровень фонового шума проверяли контролем сигнала АЭ при работающем станке и отсутствии резания с использованием заготовки тех же размеров, скорости резания и подачи, но при наличии малого зазора между режущей кромкой инструмента и поверхностью заготовки. Эти измерения показали, что уровень шума, как правило, не превышает 5 % уровня сигнала АЭ, измеряемых в процессе резания.

Работа с платой сбора данных производилась с помощью специальной программы, которая позволяет осуществлять запись электрического сигнала АЭ по двум каналам, используя три режима синхронизации ("внутренний", "по другому каналу", "по внешнему источнику синхронизации") с одновременной записью по каждому каналу до 10 осциллограмм длиной 32 кБ с частотой дискретизации 24 кГц, периодом дискретизации 0,00000128 с„Для каждой скорости получали десять наборов данных, рассчитывали среднее квадратичное значение (СКЗ) напряжения за каждые 20 мс.

На рис.15 показана зависимость от времени СКЗ напряжения АЭ при резании всухую, с СОТС и инструментом с покрытием на скорости резания У = 26 м/мин, соответствующей образованию максимальной высоте нароста.

Частота образования п среза заторможенных частиц на участке пластического контакта (рис.12, а) зависит от скорости и температуры резания и исчисляется долями секунды. В условиях образования максимального нароста частота срезов наименьшая (рис.15, а). Крутой подъем сигнала к острому пику на каждом всплеске характеризует реакцию АЭ на образование заторможенных частиц и последующим их срезом. Применение СОТС при резании на низках скоростях подавляет процесс затормаживания частиц за счет образования окисны^х пленок на поверхностях контакта и снн-" жаег СКЗ (рис.15, б). При использовании инструмента с покрытием частота образования и среза частиц увеличивается - это объясняется низкой адгезионной совместимостью обрабатываемого и инструментального материалов и зависит от состава покрытия (рнс.15, в).

а)

_

й 10 ч

К

и

4.0 «

зл

и

с)

е.!

и

б)

! 1

йУи. ш .¡'М/.

1 п

1 2 4 5 6 ? 8 Время, с

V

Г

—

1 ИТ т- т

Врем». с

Рис.15. Зависимость акустической эмиссии от времени резания стали 45: V = 26 м/мин, 5 =0,52 мм/об, I = 1,5 мм: а) всухую, б) с СОТС, с) с твердым покрытием инструмента

Брега. с

С увеличением скорости резания (рис.16) до V = 50 м/мин при резании всухую частота среза частиц увеличивается и становится почти постоянной, т.е. увеличение вариации амплитуды сигнала АЭ -происходит приблизительно с постоянным шагом между экспериментальными значениями (рис.16, а), величина СКЗ уменьшается по сравнению со скоростью V = 26 м/мин (рис.15, а). При резании с СОТС происходит монотонное увеличение СКЗ, интенсивность затормаживания частиц снижается (рис.16, б).

а)

б)

ч и

и

I"

Ы

«

II. и 11 1 1 11

и

1 ) 1

«

г и

о

: и

р й щ

44

Время, с

Время, с

Рис. 16. Зависимость акустической эмиссии от времени резания стали 45: У = 50 м/мин, Б = 0,52 мм/об, / = 1,5 мм; а) без с.тикч; б) с СОТС

<0

При резашш со скоростью V = 78 м/мин процесс затормаживания частиц обрабатываемого материала и частота их среза увеличиваются, поэтому С КЗ напряжения АЭ возрастают (рис.17, а). СОТС снижает процесс затормаживания частиц (рис.17, б).

а)

б)

I»

па

, IV

N 90

1

3 Н Л 1 1 |

I 1Т У I1. № Ун

¡'5

"ЛГИ1 1 \Ш ! (У 11/

1

Й^СЧЯ. С

1

!

!

1

1 ! 1

.Рг<с. 17. Зависимость акустической эмиссии от времени резания стали 45: V = 78 м/мин, 5 = 0,52 мм-'об, ! = 1,5 мм; а•) без смазки; б) с СОТС

Представленные экспериментальные данные показывают, что интенсивность контактных явлений оказывает значительное влияние на зависимость среднего значения СКЗ сигнала ЛЭ от скорости резания, что позволяет производить диагностику при резании.

Направленное изменение свойств твердых покрытий на инструмент путем варьирования их составом, структурой и строением позволяет существенно изменять контактные характеристики процесса резания. Появляется возможность управления важнейшими выходными параметрами процесса резания - производительностью, стойкостью и надежностью, а также качеством и точностью обработки.

Как показали исследования, параметры покрытий оказывают значительное влияние на характеристики контактных процессов и стружкообра-зования. Значение параметров С, Си Д м, ц Р2 и р зависят не только от состава покрытия, но и от его структуры.

Повышение износостойкости инструмента с компоглцноптш.'.'.и покрытиями достигается тем, что покрытие дополнительно содержит слом нитридов титана и молибдена при следующем соотношении: нитрид мо- • либдена 35 -45 %, нитрид титана - остальное (а.с. № 1354757, 1533127).

Нитридные покрытия формировали методом КНБ. При этом для испарения использовали катоды из спеченных порошковых материалов, толиина покрытия составляла 1...4 мкм. Соотношение нитридов титана 1! молибдена обеспечивалось применением специально изготовленных като-

Цреия, с

дов.. Испытания осуществляли при фрезеровании титанового сплава ВТ-20 двузубой торцовой фрезой при скорости резания V = 1,3 м/с, подачей Б = 0,15 мм/об, глубиной I = 2 мм. Достигнуто повышение стойкости инструмента до 2... 3 раз.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ II ВЫВОДЫ

1. Трение при резании следует рассматривать как дпссипативный процесс, сопровождающийся запасанием энергии упругой деформации в прирезцовых слоях стружки и инструмента, приконтактных слоях инструмента и ее рассеиванием по различным механизмам.

2. В процессе резания вследствие высоких степенен деформации н скоростей нагрева в контактных слоях стружки и инструмента происходят фазовые и структурные изменения. В результате по длине пластического контакта формируются структуры с различной твердостью (пластичностью).

На основе выявленных закономерностей формирования пластического контакта стружки с инструментом предложено двухчленное уравнение среднего коэффициента трения при резании. Установлены причины зависимости среднего коэффициента трения от температуры, связанные с образованием при Т = 300° С по длине пластического контакта структур, вызывающих как его рост, так и общей длины контакта." В свою очередь, рост длины контакта вызывает уменьшение удельного давления и увеличение коэффициента 'фения.

3. Разработан механизм образования нароста, заключающийся в том, что вначале в месте формирования пластичных структур образуется ядро нароста по адгезионному механизму, затем происходит послойное затормаживание прирезцового слоя по деформационному механизму вблизи режущего лезвия. Высота нароста определяется степенью деформации срезаемого слоя.

С позиций синергетики нарост следует рассматривать дисснпатив-нон структурой, как результат самоорганизации контактных процессов.

4. Разработаны методики, позволяющие выявить и диагностировать эволюцию контактных процессов при резании по сигналам акустической эмиссии.

6. Разработаны методы управления контактными процессами при резании за счет составов твердых покрытий на режущий инструмент (а. с. 1354757, а. с. 1533127) и конструкций опорных пластин.

7. Результаты работы внедрены на Комсомольском-на-Амуре авиационном производственном объединении им. Ю.А.Гагарина и в учебный процесс на кафедре «Технология машиностроение« КнАГТУ по курсам

«Процессы формообразования и инструмент», «Повышение надежности процессов резания в автоматизированном производстве».

Осноаиые положения диссертации опубликованы в работах:

1. Управление стружкообразованием при резании. /Кабалднн Ю.Г., Семибратова М.В.//Сганки и инструменты. - 1987. - № 12.

2. Исследование наростообразования при обработке углеродистых сталей. / Кабалдин Ю.Г., Семибратова М.В. // Изв. вузов. Машиностроение. - 1988.-№ 10.

3. Шпилев A.M., Семибратова М.В. Динамический мониторинг износа режущего инструмента. //Точность и надежность технологических и транспортных систем. /Сборник статей международной научно-технической конференции под ред. проф. И.Й.Артемова., г. Пенза.- 1999.-С. 100-102.

4. A.c. 1354757 СССР, МКИ С 23 С 14/06. Многослойное покрытие инструмента /в соавторстве/.

5. A.c. 1533127 СССР, МКИ В 23 В 27/14, В 32 В 7/02. Способ изготовления режущего инструмента /в соавторстве/.