автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.07, диссертация на тему:Интенсификация процессов механической обработки жаропрочных сплавов на основе совместного использования ультразвуковых тангенциальных колебаний режущего инструмента и обдува зоны резания сжатым воздухом

На правах рукописи

Дерябин Максим Николаевич

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОВ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ЖАРОПРОЧНЫХ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ СОВМЕСТНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ТАНГЕНЦИАЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА И ОБДУВА ЗОНЫ РЕЗАНИЯ СЖАТЫМ ВОЗДУХОМ

Специальность 05.02.07 -«Технология и оборудование механической и физико-технической обработки»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 0 ЯН В 2011

Москва, 2011

004619234

Работа выполнена в ОАО «Научно-производственное объединение измерительной техники»

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

Козлов А. А.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Куликов М.Ю.

кандидат технических наук, доцент Ивкин Е.И.

Ведущее предприятие:

ОАО «ВНИИИНСТРУМЕНТ»

Защита состоится «18» января 2011г. в «Н.СО» часов на заседании диссертационного совета Д 212.203.16 при Российском университете дружбы народов по адресу: 113090, Москва, Подольское шоссе, дом 8/5, ауд. 109

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Российского университета дружбы пародов по адресу: 117198, Москва, ул. Миклухо-Маклая, д.6.

Автореферат разослан «■/#» декабря 2010г.

Учёный секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент ' Соловьев В.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Известно, что увеличение скоростей резания приводит к неустойчивости процесса обработки (здесь и в дальнейшем под устойчивым процессом понимается стационарный процесс, когда основные характеристики резания (усилия, температура) не зависят от времени, происходящий при сливном или квазисливном стружкообразовании). При этом резко понижается точность и качество обработанной поверхности, стойкость инструмента.

Фундаментальными исследованиями Кудинова В.Л. установлено, что существует два принципиально различных механизма потери устойчивости: в одном случае механизм потери устойчивости определяется жесткостью системы СПИД (станок, приспособление, инструмент, деталь), во втором - принципиально не зависит от жесткости системы СПИД.

Именно второе обстоятельство сдерживает прогресс в развитии скоростных методов механической обработки.

Н.В. Талантовым. A.A. Козловым доказано, что неустойчивость обработки, не связанная с жесткостью системы СПИД, определяется, прежде всего, развитием в зоне стружкообразования неустойчивости упругопластических деформаций. Последнее означает, что при высоких скоростях деформирования при определенных технологических режимах за счет диссипации энергии пластической деформации в зоне стружкообразования могут создаваться условия для накопления тепла в ограниченном объеме материала, которое не успевает отводиться за счет теплопроводности. В этом случае процесс деформации имеет адиабатический характер. Интенсивность температурного разупрочнения становится выше интенсивности деформационно-скоростного упрочнения, что приводит к локализации деформации в тех областях, где впервые уменьшается сопротивление течению, в результате чего происходит переход от устойчивого сливного стружкообразования к неустойчивому сегментному.

Процесс механической обработай в этом случае нестационарен, так как основные характеристики резания (усилия, температура) зависят от времени, что, в свою очередь, приводит к снижению точности, качества обработанной поверхности, стойкости режущего инструмента.

Такой механизм потери устойчивости упругопластических деформаций принято называть неизотермическим.

Поэтому повышение производительности обработки, особенно жаропрочных сплавов на никелевой и титановой основах, за счет увеличения скорости резания наталкивается на довольно серьезные трудности, так как критическая скорость сегментного стружкообразования для этих материалов крайне мала (1-3 м/мин). В результате скорости резания при обработке этих материалов, как правило, не превышают 20 м/мин.

На рис. 1 представлена микрофотография зоны стружкообразования при сравнительно невысоких скоростях резания. Очевидно, процесс пластической деформации в этом случае устойчив и однороден, что приводит к образованию сливной стружки. На рис. 2 процесс пластической деформации протекает с ярко выражен-

женной неоднородностью, т.е. деформация при этом существенно локализована, что свидетельствует о развитии эффектов неизотермической неустойчивое™.

Рис. 1. Зона стружкообразования (х70) Рис. 2. Локализация пластической дефор-(Ст. 45, ВК8, V-60 м/мин, мации в зоне стружкообразования, (х70)

S=0,467-10"3 м/об, 1=2-10"3 м) (Ст. 45-ВК8, V=3Q0 м/мин, 5Ю,467-10'3м/об,

/=2-10"3м)

Процесс стружкообразования в этом случае принципиально отличен от сливного и приводит к образованию, так называемой, сегментной стружки.

В связи с этим одной из важнейших проблем при резании металлов становится создание условий, при которых возможно увеличить критическую скорость обработки до момента начала образования сегментных стружек. При этом будет обеспечиваться сливное стружкообразование при более высоких скоростях резания.

В данной работе эта проблема решается в результате наложения тангенциальных ультразвуковых колебаний (УЗК) на инструмент совместно с использованием обдува зоны резания сжатым воздухом.

Все вышеуказанное позволяет утверждать, что разработка высокопроизводительных технологических процессов ультразвуковой механической обработки жаропрочных сплавов с применением обдува зоны резания сжатым воздухом является чрезвычайно актуальной научно-технической проблемой.

Актуальность работы подтверждается ее выполнением в рамках Государственного контракта с Федеральным космическим агентством от 18.04.2003 №753-Т366/03, а также в рамках программы Министерства образования и науки РФ «Производственные технологии».

Цель работы и задачи исследования. Целью данной работы является интенсификация процессов механической обработки жаропрочных сплавов в результате устранения развития неизотермической неустойчивости упруголла-стических деформаций в зоне стружкообразования, связанная с наложением ультразвуковых тангенциальных колебаний на инструмент и созданием конвективного отвода тепла из зоны резания за счет обдува сжатым воздухом. Для реализации поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Дать оценку частотам накладываемых на инструмент тангенциальных колебаний, приводящим к устойчивым процессам механической обработки;

2. Разработать методы передачи ультразвуковых тангенциальных колебаний режущему инструменту;

3. Исследовать влияние обдува зоны резания сжатым воздухом при ультразвуковой обработке жаропрочных сплавов на стойкость режущего инструмента и производительность процесса резания;

4. Установить влияние технологических параметров ультразвуковой механической обработки точением на качество обработанной поверхности;

5. Разработать принципы ультразвуковых технологий механической обработки жаропрочных сплавов с применением многогранных непере-тачиваемых твердосплавных пластин и обдува зоны резания сжатым воздухом.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались теоретические и экспериментальные методы механики сплошных сред, физики металлов, динамики станков, процессов резания. Экспериментальные исследования проводились в лабораторных и производственных условиях с использованием промышленного оборудования и современных измерительных средств. Обработка результатов экспериментов осуществлялась с применением современных компьютерных и цифровых технологий.

Научная новизна. Доказано, что в результате устранения развития неизотермической неустойчивости упругопластических деформаций в зоне стружко-образования и создания конвективного отвода тепла из зоны резания за счет обдува сжатым воздухом достигается интенсификация процессов ультразвуковой механической обработки жаропрочных сплавов.

Определены связи между режимами ультразвуковой механической обработки, точностью и шероховатостью обработанных поверхностей, стойкостью режущего инструмента, производительностью процесса резания при обработке жаропрочных сплавов.

Практическая ценность. Развитые в настоящей работе представления, а также результаты экспериментальных исследований показывают высокую эффективность предложенной технологии для повышения производительности, качества обработанной поверхности и стойкости режущего инструмента при обработке жаропрочных сплавов на никелевой и титановой основах.

Исследовано влияние ультразвуковых тангенциальных колебаний режущего инструмента на размерную точность и шероховатость обработанной поверхности. Показано, что в ряде случаев применение предложенной технологии позволяет отказаться от дорогостоящих и трудоёмких доводочных операций.

Автор защищает:

1. Фундаментальные принципы создания устойчивых технологических процессов резания металлов в результате устранения развития неизотермической неустойчивости упругопластических деформаций в зоне стружкообразования при наложении ультразвуковых тангенциальных колебаний на режущий инструмент и создании конвективного отвода тепла из зоны резания.

2. Определение частоты тангенциальных колебаний, подаваемых на инструмент, и её зависимости от физико-механических свойств обрабатываемого материала и технологических режимов.

3. Доказательство повышения производительности обработки, точности и качества обработанной поверхности, стойкости режущего инструмента при использовании предложенной технологии.

Личное участие автора.

Все результаты аналитических и экспериментальных исследований получены при непосредственном личном участии автора и опубликованы в [1-12].

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на 11 международных, всероссийских и отраслевых научно-технических конференциях. Автор работы стал дважды лауреатом конкурса ка премию имени академика С.П. Королёва среди молодых ученых и специалистов предприятий ракетно-космической отрасли.

Публикации. По материалам исследования опубликовано 12 печатных работ, в том числе 3 работы опубликованы в изданиях, рекомендованных перечнем ВАК. Список публикаций приведён в конце автореферата.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка используемой литературы. Общий объём текста диссертации составляет 122 страницы, в него включены 65 рисунков и 6 таблиц.

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы основные цели и задачи исследования, Дана краткая аннотация всех глав.

В первой главе дай литературный обзор по проблемам упругопластиче-ских деформаций в зоне стружкообразования при резании металлов.

Анализ работ Боброва В.Ф., Зорева H.H., Клушина М.И., Козлова A.A., Кудинова В.А., Кушнера B.C., Лоладзе Т.Н., Остафьева В.А., Резникова А.Н., Силина С.С., Старкова В.К., Талантова Н.В. позволяет утверждать, что ряд важнейших процессов, таких как формирование сегментного стружкообразования, невозможно объяснить без учета тепловых эффектов при упругопластиче-ских деформациях.

Задачи механики сплошной среды, в которых учитываются эффекты тепловыделения, принято называть связанными.

A.A. Козлов получил связанную систему дифференциальных уравнений, определяющих динамику упругопластических деформаций в зоне стружкообразования, которая для реологического соотношения М.А. Зайкова имеет следующий вид:

Здесь о - касательное напряжение в зоне сдвига, и - скорость движения среды, ер - степень пластической деформации, £р - скорость пластической деформации в зоне стружкообразования, Т - температура, р - плотность обрабатываемого материала, су - удельная теплоемкость обрабатываемого материала;

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

с граничными условиями i

du _ да du _ 1 Р dt ~ ду ду~ G

(1)

у - направление, перпендикулярное границам зоны стружкообразования; t -время; к- коэффициент теплопроводности; G - модуль сдвига; а, с, тп, п- реологические константы материала, а - коэффициент теплоотдачи, То - начальная температура.

В результате удалось доказать, что уравнения (1) при определенных технологических режимах допускают стационарные решения, что соответствует сливному стружкообразованию.

При определенных технологических режимах невозможно получить стационарные решения, что соответствует сегментному стружкообразованию. Кроме того, было определено время индукции развития процесса неизотермической неустойчивости в зоне стружкообразования t,, частота этого процесса, равная /0 ~ 1//„, в зависимости от физико-механических свойств обрабатываемого материала и технологических режимов.

Вышеприведенные закономерности позволили А.Л.Козлову предложить методы импульсного (вибрационного) резания для принципиального увеличения эффективности обработки жаропрочных сплавов.

Итак, если на инструмент наложить периодические тангенциальные колебания с амплитудой а и частотой f, то процесс резания приобретет импульсный характер. Последнее означает, что инструмент находится в контакте с обрабатываемым материалов не непрерывно, а периодически. За время ?к контакта инструмента с обрабатываемым материалом будет происходить процесс резания, а в течение времени /, равного < / < Г = 2тг//, резание не происходит, так как отсутствует контакт инструмента с обрабатываемым материалом.

Реализация таких процессов составляет содержание целого направления в теории резания. Эти процессы с целью интенсификации резания металлов были впервые предложены в работах А.И. Маркова, Д. Кумабэ. Причем удалось найти связь между скоростью V, амплитудой а и частотой колебаний f, при которых процесс резания имеет импульсный характер, а именно:

V <2mf (2)

Если V > Zmf, то импульсный характер не будет реализовываться, так как стружка будет успевать "набегать" на инструмент, и процесс вибрационного резания не будет отличаться от обычного.

В диапазоне скоростей (2) процесс вибрационного резания происходит с меньшими усилиями и температурой резания, что приводит к увеличению точности и качества обрабатываемой поверхности.

В работе Т.Н. Лоладзе, A.A. Козлова, А.И. Миканадзе впервые экспериментально доказано, что если / будет больше частоты неизотермической неустойчивости/", то возможно не допустить развития нежелательного локализованного сдвига в зоне стружкообразования, который приведет к неустойчивому процессу резания. В результате процесс резания станет устойчивым и, следовательно, будет развиваться с образованием сливной стружки. Таким образом, можно вполне осознанно (используя конкретные расчеты) добиться создания таких условий, при которых время контакта tK (или иначе - время резания) будет меньше времени ?* развития локализованного адиабатического сдвига.

Данный процесс наиболее эффективен при обработке жаропрочных и титановых сплавов, так как скорость сегментного стружкообразования для этих материалов незначительна и может находиться в диапазоне скоростей, определяемых соотношением (2), которое, подчеркнем еще раз, определяет условия реализации импульсных процессов резания.

Причем во всех исследованиях было отмечено, что при обработке жаропрочных сплавов с амплитудами а>2,5-10 м происходит резкий износ твердосплавного инструмента, поэтому при вибрационном резании необходимо, чтобы выполнялось условие а<2,5-10" м.

Следуя нашим рассуждениям, очевидно, что при />/♦, а также при выполнении условия (2) реализации импульсного резания, развития неизотермической неустойчивости в зоне стружкообразования не будет, что приведет к интенсификации процесса.

Исследовав методами линейной теории устойчивости систему дифференциальных уравнений (1) A.A. Козлов дал оценку частоты неизотермической неустойчивости в зоне стружкообразования в виде /*s—^—г, тогда предпола-

сур(п+т)

гаемые условия эффективности вибрационного резания примут вид:

/>/*s аС° V<2mf, а<2,5-10""'м, (3)

где D - скорость деформации в зоне стружкообразования, р- плотность обрабатываемого материала, cv - удельная теплоемкость обрабатываемого материала, а, с,п,т~ реологические константы обрабатываемого материала.

В связи с тем, что на сегодняшний день доказана принципиальная эффективность процессов ультразвуковой механической обработки жаропрочных сплавов возникла необходимость разработать дополнительные методы интенсификации этих процессов.

Учитывая, что устойчивые процессы механической обработки происходят в режиме импульсного резания (то есть происходит разрыв контакта между инструментом и обрабатываемым материалом в отличие от обычного резания), одним из мощных факторов интенсификации этих процессов станет организация конвективного отвода тепла из зоны резания.

Этот процесс можно реализовать в результате обдува зоны резания воздушным потоком, подаваемым в зону резания под давлением. Следует отметить, что работами Подураева В.Н., Татаринова A.C., Латышева В.Н. доказано, что процесс обдува зоны резания при традиционной механической обработке не приводит к существенной интенсификации. Последнее легко объяснимо, так как контактные процессы при обычном резании не являются в отличие от ультразвукового дискретными, что, в конечном итоге, не позволяет организовать мощный конвективный отвод тепла.

В связи с этим в данной работе были разработаны процессы интенсификации процессов ультразвуковой механической обработки жаропрочных сплавов в результате устранения развития нсизотермической неустойчивости упругопла-стической деформации в зоне стружкообразования и создания конвективного

отвода тепла из зоны резания за счет обдува сжатым воздухом, в том числе с использованием многогранных неперетачиваемых пластин, которые сейчас нашли широкое применение в механической обработке.

Вторая глава посвящена определению частот тангенциальных колебаний, приводящих к устойчивым процессам ультразвуковой механической обработки.

Ещё раз отметим, что оценка (3) была получена методами линейной теории устойчивости. Тем не менее, общеизвестно, что на линейную теорию возмущений нельзя полагаться при всестороннем анализе нелинейных систем. Поэтому принципиальный интерес представляет получение подобной оценки из нелинейной системы дифференциальных уравнений, определяющих движение среды в зоне стружкообразования (1).

Такая попытка была предпринята в работах Ким, Им, Райта, Уолтера, Мо-линари, Клифтона, где было исследовано развитие зоны сдвига в термовязко-пластических материалах от начальных возмущений до критической точки, которая определяет момент времени, когда происходит наибольшее изменение скорости пластической деформации одновременно с ускоренным ростом напряжения.

В результате им удалось определить выражения для изменения скорости деформации /(у) в центре зоны и критической деформации ус с учетом величины начальных возмущений г:

К( [ + £ 1, Г, О юн-. (У0 У

Где к - коэффициент перевода работы пластической деформации в тепловую энергию (к~1), т0 - начальное напряжение сдвига, р - плотность обрабатываемого материала, с,, - удельная теплоемкость обрабатываемого материала, а, т -реологические константы материала, уп - начальная скорость пластической деформации, У0 - скорость на границе зоны, Ь - половина высоты модели зоны сдвига.

Кроме того, там же получено численное решение одномерной задачи простого сдвига в термовязкопластическом материале для подтверждения аналитических результатов. Причем сходимость аналитических результатов с численным решением оказалась очень высока.

Тогда можно найти максимальное значение критической частоты возникновения неустойчивости процесса /с (/с ~4-)> для того чтобы установить необ-

Г,

ходимые значения тангенциальных колебаний режущего инструмента. Для этого необходимо определить минимальное значение критической номинальной деформации ус из уравнения (46). Тогда, учитывая, что 0 < е < 1, принимаем е = 1

и подставляем его в (46), раскрывая значение % с учетом того, что с=—~, имеем:

Го

Очевидно, что (5) подтверждает зависимость для критического значения частоты неизотермической неустойчивости упругопластических деформаций в зоне стружкообразования (3), полученную из линейной теории устойчивости.

Поэтому можно утверждать, что при наложении на режущий инструмент

тангенциальных колебаний с частотой [ > /с= —процесс резания будет раз-

с„рт

виваться в устойчивом режиме при выполнении дополнительных условий (3).

В третьей главе представлены результаты экспериментальных исследований, проведённых с целью выявления эффективности применения предложенной технологии. Экспериментальные исследования проводились на установке для ультразвукового точения, обеспечивающей частоту ультразвуковых колебаний режущего инструмента ~ 30 кГц с напряжением 260 В и током подмагничивания 16 А.

Замер амплитуды колебаний проводился с использованием микроскопа МПВ-1 и сменной оптической головки с ценой деления 0,25-106 м. Амплитуда колебаний составляла 2 мкм.

Эксперименты проводились на универсальном токарно-винторезном станке модели 1К62 нормальной жесткости.

Рис. 3. Общий вид установки для передачи ультразвуковых тангенциальных колебаний /= ЗОкГц на режущий инструмент при использовании обдува зоны резания.

Для повышения жесткости системы СПИД с целью обеспечения передачи ультразвуковых колебаний возникла необходимость заменить стандартный резцедержатель на специально спроектированную конструкцию с пьезоэлектрическим ультразвуковым преобразователем. Кроме того, пришлось доработать установку, обеспечив крепление системы подачи сжатого воздуха в зону резания. На рис. 3 приведен общий вид действующей установки, на которой и проводились все экспериментальные исследования, результаты которых изложены в данной работе. Данная схема является универсальной и простой в реализации.

В качестве инструмента применяли резец специальной конструкции с на-пайными пластинками из твердого сплава ВК8. Геометрия резца: ср=90°, Ф,=7°, у=0°, а=а,=7°, г= 0,5 мм.

Заточку режущего инструмента производили на универсально-заточном станке ЗА64 соответствующими алмазными кругами.

Для выяснения интенсивности процесса износа при ультразвуковой механической обработке с использованием обдува зоны резания сжатым воздухом были проведены стойкостные исследования при точении титанового сплава ВТ-22 и никелевого сплава ХН77ТЮР (ЭИ437Б) твердосплавным инструментом ВК8. Результаты этих исследований представлены на рисунках 4-6.

T, мин Г" 1

90

70 60

С УЗК T, мин С УЗК с обдувом 13;................~ ~с обдувом

11;-----ННЦ -

10 г-----------------------^-

.......BBSS

^^ —-----------------------------В»

30--------------------с обдувом Я бэ

20'--Без УЗК В |>ез узк |ДЩНУ|И Н

ioj------чЩбШШ1ЯВя ЩШШШШШЯЯ1Ж

0J---V-!: ШШИМН^^Н о

Рис. 4. Результаты стойкостных испы- Рис. 5. Результаты стойкостных испытаний ВТ-22 - ВК8 (без ультразвука и с таний ВТ-22 - ВК8 (без ультразвука и ультразвуковыми колебаниями (УЗК) с ультразвуковыми колебаниями (УЗК) /=30кГц ). V*5 м/мин; 5=0,52-10"3 м/об; /=30,2кГц). К*15 м/мин; 5^0,23-10°м/об; г=10"3 м; ф=90°; у=0°; ф,=7°; а=а,=7°; /=10"3м; ф=90°; у=0°; ф,=7°; а=а,=7°;

h3=0,8T0* м; амплитуда колебаний а=2-106 м, давление сжатого воздуха р=0,35-0,4 МПа.

Т, мин

80 --

h3=0,8-103 м; амплитуда колебаний а=2-10 м, давление сжатого воздуха р=0,4 МПа.

_____УЗК ЗОиГц.

Рис. 6. Результаты стойкостных испытаний ЭИ437Б - ВК8. Режимы резания: S=0,15-10 м/об; V~17м/мин; t=10 м (заточка: ф=90°; у=0°; Ф,=7°; а=а,=7°); /г3=0,35-10"3м; ультразвуковые колебания (УЗК): а=2-10"6м. Давление воздуха при обдуве: р=0,35-0,4 МПа.

Эти результаты показывают, что использование сжатого воздуха совместно с ультразвуковыми тангенциальными колебаниями режущего инструмента в значительной мере способствует интенсификации процесса резания жаропрочных сплавов и позволяет достичь существенного увеличения стойкости режущего инструмента.

Для того чтобы от стойкостных исследований перейти к одной из важнейших характеристик, используемых в производственных процессах, - производительности - была проведена серия экспериментальных исследований.

В результате установлено, что один и тот же период стойкости режущего инструмента соответствует совершенно разным скоростям резания в зависимости от того, накладывались ли ультразвуковые тангенциальные колебания па режущий инструмент или нет, что и является оценкой производительности.

Таблица 1

Условия резания Стойкость режущего инструмента Т,мин Скорость резания при обработке без УЗК V, м/мин (согласно стойко-стным исследованиям) Скорость резания при обработке с УЗК (/"=30кГц) V, м/мин (согласно стойкост-ным исследованиям)

ЭИ437Б - ВК8 с обдувом 74 2,7 17

ВТ-22-ВК8 с обдувом 12 3,2 15

Таблица 1 показывает, что производительность механической обработки существенно повышается (до 5-6 раз) при использовании ультразвуковых тангенциальных колебаний режущего инструмента.

Для современного этапа развития технологии механической обработки характерно непрерывное ужесточение требований к точности механической обработки, обусловленное совершенствованием конструкций машин и повышением их технико-экономических показателей.

В данной работе удалось установить, что с переходом от черновой ультразвуковой механической обработке к чистовой наблюдается повышение размерной точности полученной детали.

Причем, при обработке с ультразвуковыми тангенциальными колебаниями при принятых в данной работе чистовых режимах резания показатели размерной точности выше аналогичных показателей, полученных при традиционной обработке, на 1 квалитет точности. В то же время при черновой обработке показатели размерной точности находятся в пределах одного и того же квали-тета, но геометрическая точность обработанной детали выше в случае, когда на режущий инструмент накладывались ультразвуковые колебания.

Важнейшим технологическим параметром, определяющим качество обработанной поверхности, является высота микронеровностей. Как известно, высокая точность размеров, как правило, требует высокой степени шероховатости поверхности. Стоимость изготовления деталей существенным образом зависит от качества их изготовления.

При проведении экспериментальных исследований по выявлению влияния ультразвуковых тангенциальных колебаний на высоту микронеровностей в

данной работе рассматривались различные режимы резания. Причем частота и амплитуда ультразвуковых колебаний соответствовали / = ЗОкГц, а = 2 мкм, давление сжатого воздуха при обдуве составляло р = 0,4МПа. Измерения параметров шероховатости проводились с помощью портативного измерителя шероховатости (профилометра) Т11220.

В результате проведенных замеров стало очевидно, что при черновой (получистовой) обработке параметры шероховатости На, Яг для обработки с ультразвуковыми колебаниями и обычной обработки остаются практически одинаковыми. Однако при переходе к чистовым режимам обработки наблюдается снижение высоты микронеровностей при наложении на режущий инструмент ультразвуковых тангенциальных колебаний. Причем снижение величины микронеровностей составляет - 20-30%. Работы Д. Кумабэ, А.И. Маркова показывают, что на низких скоростях резания при чистовых подачах и глубинах резания можно добиться улучшения шероховатости поверхности при ультразвуковой механической обработке до 3-4 раз по сравнению с обычным резанием. Более того, на операциях микрорезания удалось достичь параметров шероховатости, приближающихся к нулю (Ктах= 0,4мкм).

Таким образом, при правильном сочетании режимов резания и последовательном переходе от черновых и получистовых операций точения к чистовым и тонким применение ультразвуковых тангенциальных колебаний может в ряде случаев способствовать отказу от дорогостоящих доводочных операций шлифования, так как позволит обеспечить заданные параметры шероховатости на уровне Яа 1,25-1,5 мкм, а при переходе к микрорезанию до Яа0,2-0,4 мкм.

В четвёртой главе приведены результаты экспериментальных исследований по стойкости многогранных неперетачиваемых твердосплавных пластинок (МНТП) ВК6М при ультразвуковой механической обработке титанового сплава ВТ-Г" " ом.

Рис. 7. Приспособление для передачи ультразвуковых тангенциальных колебаний на МНТП (показан узел крепления МНТП к волноводу).

Т, мин 360 г

340!—

3201-

300 [—

280 ]-

260-1-

240 г~

220!-

200 -— 180 ]— -160г--

140 --

120 (_.

1001-

80 60 —

40-----

20 -..

0

СУЗК "".......собдувом-

СУЗК с водой

~ Без УЗК с водой

Вез УЗК с обдувом

Без УЗК сухое ре'зание

Рис. 8. Результаты стойкостных испытаний ВТ-22 - ВК6М (без ультразвука и с ультразвуковыми колебаниями (УЗК) /=30,9кГц, а=2-106 м). К«5 м/мин; 5=0,52-10"3м/об; /=10"3м; ф=90°; у=0°; ф,=7°; а=а,=5°; И3=0,8-10"3м; давление сжатого воздуха р=0,4 М11а.

При проведении экспериментальных исследований по определению стойкости МНТП ВК6М использовалась схема крепления вибрационной головки и пьезоэлектрического преобразователя, основным отличием которой являлся переработанный узел крепления самой неперетачиваемой пластинки к вибрационной головке. Для этого возникла необходимость разработать новый волновод (вибрационную головку) со специальным посадочным местом под твердосплавную пластинку. Общий вид крепления неперетачиваемой пластинки показан на рис. 7.

Т. мин

55.-------- СУЗК---

с обдувом

Рис. 9. Результаты стойкостных испытаний ВТ-22 -ВК6М (без ультразвука и с ультразвуковыми колебаниями (УЗК)/=30,8кГц, а=2-Ю"6 м). К» 15 м/мин; 5=0,15-10"3м/об; /=10"3м; ф=90°;у=0°; Ф,=7°; а=а,=5°; /¡3=0,8-10"3м; давление сжатого воздуха р=0,4 МПа.

Для выяснения интенсивности износа режущего инструмента при силовой (черновой) ультразвуковой механической обработке с использованием в качестве СОТС направленной струи воздуха, подаваемого в зону резания под давлением, были проведены стойкостные исследования при точении титанового сплава ВТ-22 с помощью МНТП ВК6М. Результаты этих исследований представлены на рисунках 8, 9. При проведении стойкостных исследовании критерий износа по задней грани соответствовал /г3=0,8-103 м.

Основные результаты и выводы.

В работе решена проблема, имеющая существенное значение в области теории резания, позволяющая повысить производительность процесса механической обработки, точность, качество обработанной поверхности, стойкость режущего инструмента при обработке жаропрочных сплавов на основе совместного использования ультразвуковых тангенциальных колебаний режущего инструмента и обдува зоны резания сжатым воздухом.

В процессе теоретических и экспериментальных исследований получены следующие результаты и выводы:

1. Разработан технологический процесс, предотвращающий развитие неизотермической неустойчивости в зоне стружкообразования и, как следствие, приводящий к существенной интенсификации механической обработки за счет наложения на инструмент ультразвуковых тангенциальных колебаний совместно с использованием обдува зоны резания сжатым воздухом.

2. На основе уравнений динамики упругопластической среды в зоне стружкообразования при резании металлов дана оценка величинам частот тангенциальных колебаний, накладываемых на инструмент, которые приводят к реализации устойчивых процессов механической обработки;

3. Установлено, что при реализации вибрационного резания, связанного с наложением на режущий инструмент тангенциальных колебаний частотой /= ЗОкГц и амплитудой а = 2 мкм, совместно с обдувом зоны резания сжатым воздухом происходит существенное (до 5-6 раз) повышение производительности обработки жаропрочных сплавов;

4. Исследовано влияние ультразвуковых тангенциальных колебаний режущего инструмента на размерную точность и шероховатость обработанной поверхности. Установлено, что на операциях чистового и тонкого точения при принятых в данной работе технологических режимах размерная точность обработки повышается на 1 квалитет по сравнению с обычным резанием, а шероховатость обработанной поверхности снижается на 20-30%. Причем показано, что применение ультразвуковых тангенциальных колебаний может в ряде случаев способствовать отказу от дорогостоящих доводочных операций шлифования, так как позволит обеспечить заданные параметры шероховатости на уровне Ка1,25-1,5 мкм, а при переходе к микрорезанию до ИаО,2-0,4 мкм.

5. Разработаны методы передачи ультразвуковых тангенциальных колебаний режущему инструменту совместно с применением обдува зоны резания сжатым воздухом давлением 0,35-0,4 МПа на операциях точения, позволяю-

щие производить обработку, как напайными твердосплавными пластинами, так и многофанными неперетачиваемыми твердосплавными пластинками.

6. На примере титанового сплава ВТ-22 и жаропрочного сплава ЭИ437Б реализованы технологические процессы вибрационного ультразвукового резания с использованием обдува зоны резания сжатым воздухом, в результате которых выявлено увеличение стойкости режущего инструмента при частоте ультразвуковых колебаний / = ЗОкГц, амплитуде а = 2мкм и давлении сжатого воздуха р - 0,35-0,4 МПа до 3-5 раз по сравнению с традиционным резанием.

Материалы диссертации опубликованы в следующих работах:

В изданиях, рекомендованных перечнем ВАК:

1. Козлов A.A., Дерябин М.Н. Применение пьезоэлектрических систем при ультразвуковой механической обработке жаропрочных сплавов / Труды VI Международной научно-технической конференции «Инновационные процессы пьезоэлектрического приборостроения и нанотехнологий». - Анапа: Издательство Ростовского государственного педагогического университета, 2008. С. 205-210.

2. Козлов A.A., Дерябин М.Н. Совместное использование ультразвуковых колебаний режущего инструмента и обдува зоны резания сжатым воздухом при механической обработке жаропрочных сплавов / Материалы Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы ракетно-космической техники и ее роль в устойчивом социально-экономическом развитии общества». - Самара, 2009. С. 219-221.

3. Козлов A.A., Дерябин М.Н. Ультразвуковая обработка жаропрочных материалов с обдувом зоны резания сжатым воздухом / Вестник машиностроения. - Москва: изд-во Машиностроение, №2, 2010. С. 45-48.

В прочих изданиях:

1. Козлов A.A., Дерябин М.Н. Износостойкость твердосплавного инструмента при ультразвуковой механической обработке титановых сплавов / Тезисы докладов научно-технической конференции Волгоградского государственного технического университета. - Волгоград, 2005. С. 36-37.

2. Экспериментальные исследования влияния частоты тангенциальных колебаний при ультразвуковой механической обработке на стойкость инструмента / A.A. Козлов, З.Ю. Робакидзе, Ю.В. Вологин, М.Н. Дерябин / Тезисы докладов юбилейной научно-технической конференции «Информационно - управляющие системы - 2006», ФГУП «НПО Измерительной техники». - Королев, 2006. С. 167-168.

3. Козлов A.A., Робакидзе З.Ю., Дерябин М.Н. Интенсификация обработки жаропрочных сплавов использованием ультразвуковых тангенциальных колебаний инструмента и обдува зоны резания сжатым воздухом / Тезисы докладов научно-технической конференции ФГУП «НПО Измерительной техники». - Королев, 2007. С. 39.

4. Козлов A.A., Дерябин М.Н. Интенсификация ультразвуковой механической обработки жаропрочных сплавов методом обдува зоны резания сжатым воздухом / Тезисы докладов научно-технической конференции молодых ученых и специалистов «Перспективные разработки и идеи XXI века в области космонавтики». - Королев, 2008. С. 133-135.

5. Козлов A.A., Дерябин М.Н. Использование магнитострикционных и пьезоэлектрических систем при ультразвуковой механической обработке жаропрочных сплавов / Тезисы докладов научно-технической конференции ФГУП «НПО Измерительной техники». -Королев, 2008. С. 87.

6. Дерябин М.Н. Обдув зоны резания сжатым воздухом как средство интенсификации ультразвуковой механической обработки жаропрочных сплавов / Тезисы докладов научно-технической конференции молодых ученых и специалистов «Молодежь в ракетно-космической отрасли». - Королев, 2009. С. 37-38.

7. Козлов A.A., Дерябин М.Н. Использование магнитострикционных и пьезоэлектрических систем при ультразвуковой механической обработке жаропрочных сплавов / Тезисы докладов научно-технической конференции молодых ученых и специалистов предприятий космической промышленности «Прогрессивные технологии в ракетно-космической промышленности». - Королев, 2009. С. 55-58.

8. Козлов A.A., Дерябин М.Н. Применение обдува зоны резания сжатым воздухом как средство интенсификации ультразвуковой механической обработки точением жаропрочных сплавов / Тезисы докладов отраслевой научно-технической конференции приборостроительных организаций Роскосмоса «Информационно-управляющие и измерительные системы - 2009». - Королев, 2009. С. 143-148.

9. Козлов A.A., Дерябин М.Н. Интенсификация ультразвуковой механической обработки жаропрочных сплавов с помощью обдува зоны резания сжатым воздухом / Сборник материалов научно-технической конференции молодых ученых и специалистов «Будущее российской космонавтики в инновационных разработках молодых специалистов». - Королев, 2010. С. 23-24.

Дерябин Максим Николаевич

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОВ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ЖАРОПРОЧНЫХ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ СОВМЕСТНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ТАНГЕНЦИАЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА И ОБДУВА ЗОНЫ РЕЗАНИЯ СЖАТЫМ ВОЗДУХОМ

Диссертация посвящена интенсификации механической обработки жаропрочных сплавов в результате устранения развития фундаментальных эффектов неизотермической неустойчивости упругопластических деформаций в зоне стружкообразования, что достигается наложением ультразвуковых тангенциальных колебаний на режущий инструмент. Разработаны методы передачи ультразвуковых тангенциальных колебаний режущему инструменту совместно с применением обдува зоны резания сжатым воздухом на операциях точения жаропрочных сплавов. Доказано, что применение этой технологии приводит к существенному повышению производительности, точности, качества обработанной поверхности, стойкости инструмента.

Deryabin Maxim Nikolaevich

INTENSIFICATION OF PROCESS OF MECHANICAL TOOLING OF HEAT-RESISTANT ALLOYS BASED ON SIMULTANEOUS USE OF ULTRASONIC TANGENTIAL OSCILLATIONS AND BLOWING-OFF OF AREA OF CUTTING BY THE COMPRESSED AIR

The dissertation is devoted to intensification of mechanical tooling of heat-resistant alloys as a consequence of eliminating of propagation of basic effects of nonisothermic instability of elastoplastic strain in chip formation band, obtaining by overlapping of ultrasonic tangential oscillations on a cutting tool. Methods of simultaneous use of ultrasonic tangential oscillations of cutting tool and blowing-off of cutting area by the compressed air when turning of heat-resistant alloys were developed. It's proved that the use of the stated technology results in substantial increasing of metal removal performance, accuracy and quality of machined surface and tool durability.

Введение.

Глава 1. Литературный обзор и постановка целей и задач исследования.

1.1 Основные особенности упругопластических деформаций при резании металлов.

1.2 Термодинамические свойства и принципы неоднородности пластической деформации при резании металлов. Неустойчивость и развитие локализованного сдвига в зоне стружкообразования.

1.3 Механизм импульсного (вибрационного) резания.

1.3.1 Уменьшение сопротивления резанию.

1.3.2 Повышение точности обработки.

1.3.3 Снижение температуры резания.

1.3.4 Снижение средней эффективной мощности.

1.4 Анализ результатов обзора. Цели и задачи исследования.

Глава 2. Определение частот тангенциальных колебаний, накладываемых на инструмент и приводящих к устойчивым процессам механической обработки.

Выводы.

Глава 3. Оценка основных технологических характеристик при \ ультразвуковой механической обработке жаропрочных сплавов с обдувом зоны резания сжатым воздухом.

3.1 Методы передачи ультразвуковых колебаний на режущий инструмент, применяемые при механической обработке (точением) сплавов на никелевой и титановой основах с использованием обдува зоны резания сжатым воздухом.

3.2 Методика проведения экспериментальных исследований.

3.3 Влияние ультразвуковых тангенциальных колебаний на износ инструмента.

3.4 Влияние обдува зоны резания сжатым воздухом на развитие износа режущего инструмента.

3.5 Оценка производительности механической обработки при использовании ультразвуковых тангенциальных колебаний режущего инструмента.

3.6 Влияние ультразвуковых тангенциальных колебаний режущего инструмента на шероховатость обработанной поверхности и размерную точность.

Выводы.

Глава 4. Стойкостные исследования при ультразвуковой механической обработке титановых сплавов при точении резцом с непе-ретачиваемой пластинкой.

4.1 Методы передачи ультразвуковых колебаний на неперетачи-ваемую пластинку.

4.2 Влияние ультразвуковых тангенциальных колебаний инструмента во время процесса резания на износостойкость неперетачи-ваемой пластинки.

4.3 Влияние обдува зоны резания сжатым воздухом на развитие износа неперетачиваемой пластинки.

Выводы.

Благодаря многочисленным исследованиям процессы резания металлов непрерывно совершенствовались. В результате за аксиому было принято мнение, что увеличением скоростей резания можно повысить эффективность процесса, и скоростное резание было признано наиболее перспективным.

На сегодняшний день можно утверждать, что скоростное резание практически достигло предела своих возможностей, и здесь начинают проявляться некоторые тенденции застоя. Последнее связано с тем, что увеличение скоростей резания приводит к неустойчивости1 процесса обработки, которая резко снижает точность и качество обработанной поверхности, стойкость инструмента.

Фундаментальными исследованиями Кудинова В.А. [34] установлено, что существует два принципиально различных механизма потери устойчивости: в одном случае механизм потери устойчивости определяется жесткостью системы СПИД (станок, приспособление, инструмент, деталь), во втором принципиально не зависит от жесткости СПИД.

Именно второе обстоятельство сдерживает прогресс в развитии скоростных методов механической обработки.

В связи с этим целесообразно детально рассмотреть механизмы неустойчивости при резании металлов и, переосмыслив имеющиеся факты, предложить кардинальные технологические решения по совершенствованию технологии резания.

Многочисленными исследованиями установлено, что возникновение неустойчивости приводит к негативным эффектам в процессе обработки: снижается точность и качество обработанной поверхности, стойкость инструмента. Ситуация особенно усложняется, если частота неустойчивости совпадает с одной из собственных частот системы СПИД, что может приво

1 Здесь и в дальнейшем под устойчивым процессом понимается процесс, происходящий при сливном или квазисливном стружкообразовании. дить к резонансным явлениям и развитию автоколебаний. Все вышеуказанное свидетельствует о чрезвычайной важности изучения неустойчивых процессов при резании металлов и методов их устранения.

В.А. Кудинов [34], Н.В. Талантов [62], A.A. Козлов [26] доказали, что неустойчивость при резании металлов, не связанная с жесткостью системы СПИД, определяется процессами упругопластической деформации в зоне стружкообразования и контактной зоне.

В [26] доказано, что основным результатом возникновения неустойчивости при резании металлов является процесс сегментного стружкообразования. Причем источником возникновения неустойчивости следует считать неустойчивость пластической деформации в зоне стружкообразования.

Принципиальной особенностью пластической деформации в зоне стружкообразования при образовании сегментной стружки являются высокие скорости деформации. В этом случае в результате диссипации механической энергии существенно возрастает температура, и могут быть созданы условия для развития неустойчивости пластической деформации, то есть когда в локальном объеме материала последующее приращение деформационно-скоростного упрочнения аннулируется деформационным разупрочнением.

Совершенно очевидно, что последнее возможно только при высоких скоростях деформирования, когда при определенных технологических режимах за счет диссипации энергии пластической деформации в зоне стружкообразования могут создаваться условия для накопления тепла в ограниченном объеме материала, которое не успевает отводиться за счет теплопроводности. В этом случае процесс деформации имеет адиабатический характер. Интенсивность температурного разупрочнения становится выше интенсивности деформационно-скоростного упрочнения, что приводит к локализации деформации в тех областях, где впервые уменьшается сопротивление течению, в результате чего происходит переход от устойчивого сливного стружкообразования к неустойчивому сегментному стружкообразованию.

Такой механизм неустойчивости пластической деформации принято называть неизотермическим [59].

Общепринято, что с увеличением скорости резания возрастает скорость деформации в зоне стружкообразования. Таким образом, увеличивая скорость резания, можно найти такое её критическое значение, выше которого начнут проявляться эффекты неизотермической неустойчивости. Очевидно, что при скоростях ниже критической скорости резания пластическая деформация в зоне стружкообразования будет однородна и, следовательно, устойчива.

При скоростях резания выше критической, происходит переход от сливного стружкообразования к сегментному, что приводит к увеличению износа инструмента, снижению точности и качества обрабатываемой поверхности. В итоге попытка увеличения производительности резания за счет увеличения скорости наталкивается на довольно серьезные трудности.

Таким образом, одной из важнейших проблем при резании металлов становится реализация таких технологических методов, которые позволили бы увеличить критическую скорость образования сегментных стружек, обеспечивая сливное стружкообразование при больших скоростях резания, тем самым значительно увеличив эффективность обработки.

В решении этой проблемы наиболее успешными были работы Т.Н. Лоладзе [38-41], направленные на создание процессов резания с предварительным подогревом заготовки до определенных оптимальных температур. Положительная роль предварительного подогрева легко объяснима, так как в этом случае происходит уменьшение сопротивления пластической деформации, в результате чего процесс сегментного стружкообразования не реализуется. Однако реальное применение этого способа довольно ограничено, так как подобные процессы достаточно сложно реализовать в производственных условиях.

В этой связи значительно более перспективным видится использование, так называемого, импульсного ("вибрационного") резания, когда на инструмент накладываются периодические колебания.

Для развития неизотермической неустойчивости в зоне стружкообра-зования необходимо некоторое время t* (время индукции процесса). Очевидно, что /* ~1 !t* определяет частоту неизотермической неустойчивости в зоне стружкообразования в зависимости от технологических режимов и физико-механических свойств обрабатываемого материала. Если создать такие технологические процессы резания, при которых инструмент будет контактировать с обрабатываемым материалом время меньшее величины t*, то возможно устранение развития неизотермической неустойчивости в зоне стружкообразования. В этом случае процесс стружкообразования станет принципиально устойчив, что приведет к сливному стружкообразованию и, как следствие, повышению качества обработанной поверхности и стойкости инструмента.

Такие процессы можно реализовать при вибрационном ультразвуковом резании (наложение тангенциальных колебаний с заданной частотой />/* и амплитудой а на инструмент).

В работе Т.Н. Лоладзе, А.И. Миканадзе, A.A. Козлова [39] впервые экспериментально доказано, что если / будет больше частоты неизотермической неустойчивости /*, то возможно не допустить развития нежелательного локализованного сдвига в зоне стружкообразования, который приведет к неустойчивому процессу резания. В результате процесс резания станет устойчивым и, следовательно, будет развиваться с образованием сливной стружки. Таким образом, можно вполне осознанно (используя конкретные расчеты) добиться создания таких условий, при которых время контакта tK (или иначе — время резания) будет меньше времени t* развития локализованного адиабатического сдвига, соответствует условию f > f*.

Причём экспериментально на примере чистового точения доказано, что стойкость инструмента в этом случае существенно увеличивается [26].

Кроме того, отмечено [26], что данный процесс наиболее эффективен при обработке жаропрочных сплавов, так как скорость сегментного струж-кообразования для этих материалов незначительна и находится в диапазоне скоростей, определяемых условиями реализации импульсных ультразвуковых процессов резания.

Еще одним важным технологическим аспектом интенсификации процесса резания является правильный выбор смазочно-охлаждающей технологической среды (СОТС). Многочисленные исследования подтверждают, что с помощью СОТС можно повысить эффективность обработки в несколько раз. В данной работе предложено в качестве СОТС использовать обдув зоны резания сжатым воздухом.

Кроме того, большой практический интерес представляет использование в качестве режущего инструмента неперетачиваемых твердосплавных пластинок, как наиболее широко применяемого в современном производственном цикле.

Все вышеуказанное позволяет утверждать, что разработка высокопроизводительных технологических процессов ультразвуковой механической обработки жаропрочных сплавов с применением обдува зоны резания сжатым воздухом является чрезвычайно актуальной научно-технической проблемой.

Таким образом, целью данной работы является интенсификация процессов механической обработки жаропрочных сплавов в результате устранения развития неизотермической неустойчивости упругопластических деформаций в зоне стружкообразования, связанная с наложением ультразвуковых тангенциальных колебаний на инструмент и созданием конвективного отвода тепла из зоны резания за счет обдува сжатым воздухом. Для реализации поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Дать оценку частотам накладываемых на инструмент тангенциальных колебаний, приводящим к устойчивым процессам механической обработки;

2. Разработать методы передачи ультразвуковых тангенциальных колебаний режущему инструменту;

3. Исследовать влияние обдува зоны резания сжатым воздухом при ультразвуковой обработке жаропрочных сплавов на стойкость режущего инструмента и производительность процесса резания;

4. Установить влияние технологических параметров ультразвуковой механической обработки точением на качество обработанной поверхности;

5. Разработать принципы ультразвуковых технологий механической обработки жаропрочных сплавов с применением многогранных неперетачиваемых твердосплавных пластин и обдува зоны резания сжатым воздухом.

Работа состоит из четырёх глав.

В первой главе дан литературный обзор процессов неустойчивости упругопластических деформаций в зоне стружкообразования, из которого следует, что данные явления невозможно объяснить без учета тепловых эффектов. Рассмотрен механизм вибрационного резания, используемый в качестве технологического метода, применение которого позволяет устранить развитие эффектов неустойчивости при резании металлов. Разработаны технологические средства, позволяющие повысить стойкость инструмента и производительность обработки жаропрочных сплавов. Сформулированы цели и задачи исследований.

Вторая глава посвящена определению частот тангенциальных колебаний, накладываемых на инструмент и приводящих к устойчивым процессам ультразвуковой механической обработки.

В третьей главе представлены результаты экспериментальных исследований, проведённых с целью выявления эффективности применения предложенной технологии. Подробно изложена методика проведения экспериментальных исследований. Приведены результаты стойкостных исследований при ультразвуковом резании жаропрочных сплавов твердосплавным инструментом с использованием конвективного отвода тепла с помощью обдува сжатым воздухом. Приведены данные по анализу влияния ультразвуковых тангенциальных колебаний режущего инструмента на точность и шероховатость обработанной поверхности, а также на производительность механической обработки точением.

В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований по стойкости многогранных неперетачиваемых твердосплавных пластинок (МНТП) ВК6М при ультразвуковой механической обработке титанового сплава ВТ-22 с использованием обдува зоны резания сжатым воздухом.

Основные материалы опубликованы в работах [9,17-25, 31, 65].

Считаю необходимым выразить благодарность своему научному руководителю д.т.н., проф. A.A. Козлову, а также к.т.н., доц. В.М. Волчкову, к.т.н. З.Ю. Робакидзе, В.А. Догадову, Ю.В. Вологину за обсуждение проблем, рассматриваемых в данной работе, и помощь в поиске технологических решений поставленных задач.

Выводы

1. Разработаны методы передачи ультразвуковых тангенциальных колебаний на многогранные неперетачиваемые твердосплавные пластины совместно с применением обдува зоны резания сжатым воздухом;

2. На примере титанового сплава ВТ-22 реализованы технологические процессы вибрационного ультразвукового резания с использованием обдува зоны резания сжатым воздухом, которые показали увеличение стойкости инструмента (МНТП из сплава ВК6М) при частоте ультразвуковых колебаний 1=3 0кГц и давлении сжатого воздуха р=0,4 МПа до 3-5 раз.

Заключение

В работе решена проблема, имеющая существенное значение в области теории резания, позволяющая повысить производительность процесса механической обработки, точность, качество обработанной поверхности, стойкость режущего инструмента при обработке жаропрочных сплавов на основе совместного использования ультразвуковых тангенциальных колебаний режущего инструмента и обдува зоны резания сжатым воздухом.

В процессе теоретических и экспериментальных исследований получены следующие результаты и выводы:

1. Разработан технологический процесс, предотвращающий развитие неизотермической неустойчивости в зоне стружкообразования и, как следствие, приводящий к существенной интенсификации механической обработки за счет наложения на инструмент ультразвуковых тангенциальных колебаний совместно с использованием обдува зоны резания сжатым воздухом.

2. На основе уравнений динамики упругопластической среды в зоне стружкообразования при резании металлов дана оценка величинам частот тангенциальных колебаний, накладываемых на инструмент, которые приводят к реализации устойчивых процессов механической обработки;

3. Установлено, что при реализации вибрационного резания, связанного с наложением на режущий инструмент тангенциальных колебаний частотой/ = ЗОкГц и амплитудой а = 2 мкм, совместно с обдувом зоны резания сжатым воздухом происходит существенное (до 5-6 раз) повышение производительности обработки жаропрочных сплавов;

4. Исследовано влияние ультразвуковых тангенциальных колебаний режущего инструмента на размерную точность и шероховатость обработанной поверхности. Установлено, что на операциях чистового и тонкого точения при принятых в данной работе технологических режимах размерная точность обработки повышается на 1 квалитет по сравнению с обычно ным резанием, а шероховатость обработанной поверхности снижается на 20-30%. Причем показано, что применение ультразвуковых тангенциальных колебаний может в ряде случаев способствовать отказу от дорогостоящих доводочных операций шлифования, так как позволит обеспечить заданные параметры шероховатости на уровне Ыа1,25-1,5 мкм, а при переходе к микрорезанию до Б1а0,2-0,4 мкм.

5. Разработаны методы передачи ультразвуковых тангенциальных колебаний режущему инструменту совместно с применением обдува зоны резания сжатым воздухом давлением 0,35-0,4 МПа на операциях точения, позволяющие производить обработку, как напайными твердосплавными пластинами, так и многогранными неперетачиваемыми твердосплавными пластинками.

6. На примере титанового сплава ВТ-22 и жаропрочного сплава ЭИ437Б реализованы технологические процессы вибрационного ультразвукового резания с использованием обдува зоны резания сжатым воздухом, в результате которых выявлено увеличение стойкости режущего инструмента при частоте ультразвуковых колебаний / = ЗОкГц, амплитуде а = 2мкм и давлении сжатого воздуха р = 0,35-0,4 МПа до 3-5 раз по сравнению с традиционным резанием.

1. Альшиц В.И. Динамика дислокаций / В.И. Алыпиц, B.JI. Инденбом // Проблемы современной кристаллографии. М.: Наука, 1976. — С. 218238.

2. Альшиц В.И. Динамическое торможение дислокаций / В.И. Альшиц, B.JI. Инденбом // Успехи физических наук. 1975. Т.115. - № 1. - С. 3-39.

3. Араманович И.Г., Лунц Г.Л., Эльсголц Л.Э. Функции комплексного переменного. Теория устойчивости. М.:Наука,1968. - 415 с.

4. Беспахотный П.Д. Некоторые вопросы механики резания труднообрабатываемых материалов / П.Д. Беспахотный // Известия вузов. Машиностроение. 1967. — № 2.

5. Бобров В.Ф. О распределении удельных нормальных сил и сил трения на передней поверхности инструмента / В.Ф. Бобров // Обработка металлов резанием и давлением. М.: Машиностроение, 1965.

6. Бобров В.Ф. Основы теории резания металлов / В.Ф. Бобров. М.: Машиностроение, 1975. - 343 с.

7. Бобров В.Ф. Особенности образования суставчатой и элементной стружки при высокой скорости резания / В.Ф. Бобров, А.И. Сидельни-ков // Вестник машиностроения 1978. - №7. - С. 61-66.

8. Бэкофен В. Процессы деформации: пер. с англ. / В. Бэкофен М.: Металлургия, 1977. - 287 с.

9. Жуков A.M. Анализ факторов, влияющих на площадь соприкосновения стружки с передней гранью инструмента и на среднее удельноенормальное давление / А.М. Жуков // Вестник машиностроения. -1953.-№9.

10. Жуховицкий A.A. Об одном случае реализации теоретической прочности / A.A. Жуховицкий, М.А. Кришталл // ДАН СССР. 1963. -Т.149. -№ 1.

11. Зорев H.H. Вопросы механики процесса резания металлов / H.H. Зо-рев. М.: Машгиз, 1956. - 367 с.

12. Зорев H.H. Обработка резанием тугоплавких сплавов / H.H. Зорев, З.М. Фетисова. М.: Машиностроение, 1966. - 224 с.

13. Клушин М.И. О физических основах сверхскоростного резания металлов / М.И. Клушин // Труды Горьковского политехнического института им. A.A. Жданова. Т. 7, вып. 1. Горький, 1961. - С. 15-22.

14. Клушин М.И. Резание металлов / М.И. Клушин. М.: Машгиз, 1958. — 453 с.

15. Козлов A.A., Дерябин М.Н. Ультразвуковая обработка жаропрочных материалов с обдувом зоны резания сжатым воздухом / Вестник машиностроения. Москва: изд-во Машиностроение, №2, 2010. С. 45-48.

16. Козлов A.A. Интенсификация процессов резания на основе анализа эффектов неизотермической неустойчивости упругопластической деформации в зоне стружкообразования и контактных явлений: докторская диссертация. Москва, 1997.

17. Козлов A.A. Экспериментальное исследование процессов неизотермической неустойчивости стружкообразование при резании металлов / A.A. Козлов, А.И. Курченко, З.Ю. Робакидзе // Вестник машиностроения. 2001. - №3. - С. 44-45.

18. Комник С.Н. О природе релаксации напряжений в деформированных кристаллах / С.Н. Комник, В.З. Бенгуз // ДАН СССР. 1966. - №4. -С. 829-832.

19. Кудинов В.А. Динамика станков / В.А. Кудинова. М.: Машгиз, 1958. -453 с.

20. Кузнецов В.Д. Физика твердого тела / В.Д. Кузнецов. Томск: Изд-во Красное знамя, 1944.

21. Кумабэ Д. Вибрационное резание: пер. с японского / Д. Кумабэ. М.: Машиностроение, 1985. — С. 423.

22. Кушнер B.C. Термомеханическая теория процесса непрерывного резания пластических материалов — Изд-во Иркутского университета, 1982. -179 с.

23. Лоладзе Т.Н. Износ режущего инструмента / Т. Н. Лоладзе. М.: Машгиз, 1958. - 355 с.

24. Лоладзе Т.Н., Миканадзе А.И., Козлов A.A. Экспериментальные исследования процесса стружкообразования при вибрационном резании// Труды международного семинара «Высокие технологии в машиностроении». —Алушта, Украина, 1994.

25. Лоладзе Т.Н. Прочность и изностойкость режущего инструмента / Т.Н. Лоладзе. М.: Машиностроение, 1982. - 319 с.

26. Лоладзе Т.Н. Стружкообразование при резании металлов / Т.Н. Лоладзе . М.: Машгиз, 1952.

27. Марков А.И. Ультразвуковая обработка материалов / А.И. Марков. -М.: Машинострение, 1980. 236 с.

28. Марков А.И. Ультразвуковое резание труднообрабатываемых материалов / А.И. Марков. М.: Машинострение, 1968. - 365 с.

29. Методики ускоренных испытаний металлорежущих инструментов. -М.: Издательство НИИМаш, 1981. 20 с.

30. Миркин Л.И. Физические основы прочности и пластичности / Л.И. Миркин. М.: Из-во МГУ, 1968. - 539 с.

31. Надаи А. Пластичность и разрушение твердых тел / А. Надаи. М.: ИЛ, 1954. - 864 с.

32. Остафьев В.А. Физические основы процесса резания металла / В.А. Остафьев. Киев: Изд-во Киевского государственного университета, 1976.- 136 с.

33. Петров Г.И. Применение метода Галеркина к задача об устойчивости течения вязкой жидкости//Прикл. математ. и механика, т. 4, № 3, 1940.

34. Подураев В.Н. Обработка резанием с вибрациями / В.Н. Подураев. -М. : Машиностроение, 1970. 350 с.

35. Подураев В.Н., Татаринов А.С., Петрова В.Д. Механическая обработка с охлажденным ионизированным воздухом // Вестник машиностроения. Москва: изд-во Машиностроение, №11,1991. С. 27-31.

36. Применение ультразвука и взрыва при обработке и сборке / М.Ф. Воло-гин, В.В. Калашников, М.С. Нерубай, Б.Л. Штриков. М.: Машиностроение, 2002. - 264 с.

37. Развитие науки о резании металлов. М.: Машиностроение, 1970. -413 с.

38. Резников А.Н. Теплофизика резания / А.Н. Резников. М.: Машиностроение, 1969. - 287 с.

39. Рехт Р.Ф. Разрушающий термопластический сдвиг: пер. с англ. / Р.Ф. Рехт // Прикладная механика: труды американского общества инженеров-механиков. Т. 31, сер. Е, № 2. М.: Мир, 1964. - С. 34-39.

40. Робакидзе З.Ю. Ультразвуковая механическая обработка жаропрочных сплавов твердосплавным инструментом: кандидатская диссертация, Волгоград, 2006.

41. Седов Л.И. Механика сплошной среды. Т. 1. / Л.И. Седов. М.: Наука, 1973.-536 с.

42. Силин С.С. Метод подобия при резании металлов / С.С. Силин. М.: Машиностроение, 1979. - 152 с.

43. Старков В.К. Дислокационные представления о резании металлов / В.К. Старков. М.: Машиностроение, 1979. - 160 с.

44. Столин A.M. Неизотермическая неустойчивость течения вязкоупругих сред / A.M. Столин, С.И. Худяев // ДАН СССР. 1972. - Т. 207, №1.

45. Таблицы физических величин: справочник / под ред. Кикоина И.К. -М.: Атомиздат, 1976. 1005 с.

46. Талантов Н.В. Физические основы процесса резания, изнашивания и разрушения инструмента / Н.В. Талантов. — М.: Машиностроение, 1992. 240 с.

47. Талантов Н.В. Влияние скорости на контактные процессы и основные характеристики процесса резания / Н.В. Талантов, Н.В. Черемушников // Известия вузов. Машиностроение. 1981. — № 3. — С. 11-115.

48. Экологически чистые смазочно-охлаждающие технологические средства / Латышев В.Н., Наумов А.Г., Бушев А.Е., Верещака А.С. // Вестник машиностроения. Москва: изд-во Машиностроение, №7, 1999. С. 32-35.

49. Batra R.C. Effect of material parameters on the initiation and growth of adiabatic shear bands// Int. J. Solids and Struct., vol. 23, 1987. pp. 14351446.

50. Burns T.J. Ob a criterion for thermo-plastic shear instability// Am. Inst, of Physics, 1982. pp. 372-375.

51. Dilellio J.A. and Olmstead W.E. Temporal evolution of shear band thickness//J. Mech. Phys. Solids, vol. 45,1997. pp. 345-359.

52. Glimm J.G., Plohr В J. and Sharp D.H. Tracking of shear band I. The one-dimensional case// Mech. Mater., vol. 24,1996. pp. 31-41

53. Kim H.G., Im S. Approximate analysis of a shear band in a thermovis-coplastic material// ASME: Journal of applied mechanics, vol. 66, 1999. -pp. 687-694.

54. Komanduri R., Flom D.G., Lee M. Highlights of the DARPA advanced machining research program. High Speed Machining// The Winter ANNUAL Meeting of the ASME. USA, Lousiana, 1984, pp. 15-36.

55. Molinari A. and Clifton R.J. Analytical characterization in Thermovis-coplastic materials// ASME: Journal of applied mechanics, vol. 54, 1987. -pp. 806-812.

56. Flom D.G. Agvanced Machining Research Program (AMRP)// Final Technical Report/ Air Force Contract No. F33615-79-C-5119, GE Report No. 83-SRP-040, October, 15,1983.

57. Flom D.G., Komanduri R., Lee M. High-Speed Machining of Metals// Ann. Rev. Mater. Sci., 1984. pp. 231-278.

58. Toenshoff H.K., Winkler H., Patzhe M. Chip Formation at High-cutting Speeds// High Speed Machining// The Winter ANNUAL Meeting of the ASME USA, Lousiana, 1984. - pp. 95-100.

59. Walter J.W. Numerical experiments on adiabatic shear band formation in one dimension// Int. J. Plasticity, vol. 8,1992. pp. 657-693.

60. Wright T.W. and Walter J.W. On stress collapse in adiabatic shear bands// J. Mech. Phys. Solids, vol. 35,1987. pp. 701-720.

61. ФЕДЕРАЛЬНОЕ КОСМИЧЕСКОЕ АГЕНТСТВО

62. ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ УНИТАРНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ «НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ОБЪЕДИНЕНИЕ1. ТЕХНОМАШ»1. ФГУП «НПО «Техномаш»)3.й проезд Марьиной рощи, Д.40,

63. В связи с этим очевидна необходимость детального рассмотрения механизмов потери устойчивости при резании металлов для того, чтобы предложить кардинальные технологические решения по совершенствованию технологии резания.

64. Заместитель Генерального директора по научной ра^ояе^^.^ кандидат технических.н%^^*о^Д:^>^, лауреат премии правительства действительный чле|ЩоссиШШЬй ч академии Космонавшщ им! К.Э. Циолковского^^^^^^Ж?