автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Исследование процесса фрезерования закаленной стали

На правах рукописи

Лобанов Андрей Александрович

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ФРЕЗЕРОВАНИЯ ЗАКАЛЕННОЙ СТАЛИ

Специальность 05.03.01 - Технология и оборудование механической и физико-технической обработки.

АВТОРЕФЕРАТ Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук.

Москва 2006

Работа выполнена в ОАО «Экспериментальный научно-исследовательский институт металлорежущих станков» ОАО «ЭНИМС»

Научный руководитель: Заслуженный изобретатель РФ,

Лауреат государственной премии доктор технических наук, профессор Эстерзон М_А.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук Якухин В.Г.

кандидат технических наук Гатопсккй М.Б.

Ведущее предприятие: ОАО «Сганкоагрегат»

Защита диссертации состоится << 2006 г. в час. на заседании

диссертационного совета Д 520.002.01 в ОАО «ЭНИМС» по адресу: 119991, Москва, 5-ый Донской пр-д., дом 21 б, зал заседаний ученого совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОАО «ЭНИМС» по адресу: 119991, Москва, 5-ый Донской пр-д., дом 21-6

Отзыв на автореферат в одном экземпляре, заверенный печатью учреждения, просим направлять по указанному адресу.

Автореферат разослан

«/У» 6 г.

Ученый секретарь диссертационного совета к т. н„ доц.

В.М, Гришин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. Одним из современных направлений развития резания металлов является «твердая обработка» - обработка сталей в закаленном состоянии, твердостью выше 45 НИ.С.

На сегодняшний день наиболее полно исследован процесс точения закаленной стали. Процесс фрезерования закаленной стали изучен меньше. Исследования, посвященные этим вопросам, велись с середины прошлого века. В настоящее время исследования процесса фрезерования закаленной стали проводятся в основном за рубежом.

С совершенствованием инструментальных материалов и созданием нового оборудования появилась возможность более широкого применения фрезерования закаленной стали в автомобилестроении, инструментальном производстве, производстве технологической оснастки (прессформы, литейные формы, штампы).

Применение фрезерования закаленной стали, например, в производстве технологической оснастки, может способствовать наряду с повышением производительности, точности и шероховатости обработанной поверхности снижению трудозатрат на ручную финишную слесарную обработку. Однако, как показывает опыт ряда фирм, внедрение фрезерования закаленной стали при обработке различных видов поверхностей связано с длительной отладкой отдельных операций на рабочем месте, а именно выбором режима резания для каждого конкретного случая. Приводимые в каталогах фирм-производителей режущего инструмента режимы резания не всегда позволяют решить технологическую задачу для конкретных условий (технологические требования к обработке, возможности оборудования). Методики выбора режимов резания для фрезерования закаленной стали, которая учитывала бы конкретные условия операции, нет.

В связи с этим, исследование процесса фрезерования закаленной стали и разработка методики выбора режимов резания является актуальной задачей.

Цель работы.

Исследование процесса фрезерования закаленной стали с целью разработки научно обоснованной методики выбора режимов резания, обеспечивающих высокую производительность процесса и решение технологических задач.

Решаемые задачи.

1. Исследование физических процессов, протекающих в зоне резания при фрезеровании закаленной стали (образование и распределение тепла).

2. Разработка научно обоснованной методики выбора режимов резания для фрезерования закаленной стали.

3. Определение технических требований к характеристикам станков для фрезерования закаленных сталей.

Методы исследования.

Для решения поставленных в работе задач использовались теоретические и экспериментальные методы исследования. Теоретическая часть базируется на основных положениях теплофизики механической обработки материалов, положениях теории резания и технологии машиностроения. Теоретические исследования подтверждены экспериментами в лабораторных и производственных условиях. А также опытным внедрением.

Научная новизна.

1. Выявлены, систематизированы и исследованы физические процессы, протекающие в зоне резания при фрезеровании закаленной стали.

2. Для расчета температуры резания при фрезеровании закаленной стали предложено использовать «метод источников». Разработан алгоритм расчета температуры резания при фрезеровании закаленной стали, позволяющий оценить температуру резания, термическую нагрузку на

инструмент и обработанную поверхность при скоростях резания до 400 м/мин., подачах до 0,125 мм/зуб, глубине резания до 3 мм.

3. Разработана научно обоснованная методика выбора режимов резания для фрезерования закаленной стали на основании расчета температуры резания и управления тепловыми потоками, образовавшимися в процессе резания.

4. На основании натурных экспериментов с применением режимов резания, выбранных по разработанной методике, определены технические требования к характеристикам станков.

Практическая ценность работы.

1. Разработана методика выбора режимов резания для фрезерования закаленной стали, учитывающая конкретные условия обработки.

2. Режимы резания, выбранные по разработанной методике, позволяют при высокой производительности получено качество обработанной поверхности, соизмеримое с обработкой незакаленной стали.

Апробация работы.

Основные положения работы доложены и обсуждены на научных семинарах в ОАО «ЭНИМС». Результаты диссертационной работы, методика назначения режимов резания для фрезерования закаленной стали, приняты к использованию ОАО «Станкоагрегат».

Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 печатные работы. Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы, включающего 80 наименований, и приложения. Основные результаты исследования изложены на 120 страницах машинописного текста, 18 таблицах, 20 рисунках.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы и основные направления исследования.

Первая глава. Методы обработки закаленной стали.

Фрезерование закаленной стали, для отечественной промышленности не ново. Исследования фрезерования закаленных сталей («твердого фрезерования»), проводимые с конца 40-х годов прошлого века, освещены в работах известных ученых Л.М. Резницкого, Розенберга, М.Н. Ларина» П.А. Маркелова, П.П. Грудова, М.И. Клушина и других авторов. Эти исследования проводились с использованием инструмента и оборудования. которые по своим характеристикам значительно уступают современным. На сегодняшний день исследованием «твердого фрезерования» в нашей стране занимаются единицы, например к.т.н. Д.А. Локтев (ИТЦ «Технополис»), А. Степанов («Инженерный консалтинг»), в основном исследования проводятся за рубежом и отражены в работах К. \Veinert, Т. Зкоресек, Р. Нойпагт, I. Svoboda. Анализ данных работ показал, что все авторы рассматривают твердое фрезерование как одно из перспективных направлений развития резания металлов.

С совершенствованием инструментальных материалов и созданием нового оборудования появилась возможность более широкого применения фрезерования закаленной стали в различных областях машиностроения. Например, сообщается о применении твердого фрезерования в автомобилестроении при изготовлении детален шарнира равных угловых скоростей (но данным ЕМАО-дгоир), в производстве зубчатых колес твердое фрезерование нашло применение в виде Зктг^-метода, этот метод применяется для чистового фрезерования зубчатых колес из высокопрочных материалов или предварительно фрезерованных закаленных зубьев; в инезру ментальном производстве при изготовлении формообразующих деталей

технологической оснастки. Во всех рассмотренных примерах отмечается высокая точность обработки и шероховатость обработанной поверхности. Однако, как показывает опыт ряда фирм, внедрение фрезерования закаленной стали в широком диапазоне режимов резания, видов поверхностей и операций связано с длительной отладкой отдельной операции на рабочем месте, а именно выбором режима резания для каждого конкретного случая. Приводимые в каталогах фирм-производителей режущего инструмента режимы резания не всегда позволяют решить технологическую задачу для конкретных условий. Это связано с отсутствием методики выбора режимов резания для твердого фрезерования, которая должна учитывать технологические требования к обработке, возможности оборудования и особенности процесса резания при фрезеровании закаленной стали.

Рассмотрены конструктивные особенности режущего инструмента, применяемого при фрезеровании закаленной стали.

Приведены примеры станочного оборудования, которое возможно применять при фрезеровании закаленной стали.

В заключительном разделе сформулирована цель и поставлены задачи исследования.

Вторая глава. Температура резания при твердом фрезеровании.

Выявлены, систематизированы и изучены физические процессы, протекающие

в зоне резания при фрезеровании закаленной стали.

Известно, что основным принципом лезвийной обработки закаленной стали является нагрев материала срезаемого слоя в зоне резания до температуры ,при которой происходит изменение физико-механических свойств обрабатываемого материала. На основании анализа литературных источников эта температура должна составлять не менее 600°С.

Исходя из этого, сформулирован основной принцип фрезерования закаленной стали. При вращении фрезы значительную часть своего пути зуб проходит в воздухе. Для торцевого и концевого фрезерования этот путь составляет не

менее 'Л оборота. Это обстоятельство влечет за собой циклический температурный режим режущей части зуба: сначала быстрый нагрев при врезании, резание при установившейся температуре, затем охлаждение за период холостого пробега зуба. При фрезеровании закаленной стали, в зоне кратковременного контакта зуба фрезы с заготовкой, необходимо обеспечить нагрев обрабатываемого материала до температуры более 600°С для его отпуска. Таким образом, зуб фрезы будет резать не материал высокой твердости (закаленную сталь), а материал, пластифицированный до твердости порядка 25Ш1С. На рис. 1 схематически приведен процесс срезания припуска при твердом фрезеровании.

'прумчр "45 НРС

~55 HRC

рею-ия чотериол "Аастифмиирада* до ~*25..20 мвС, Ьдиеодпов погребу

Рис. 1 Схема срезания припуска при твердом фрезеровании.

Основным показателем

термической напряженности процесса резания является температура резания, под которой понимается средняя температура по всей поверхности соприкосновения инструмента с обрабатываемой

заготовкой и стружкой.

В работе рассмотрены известные методы расчета температуры резания при установившемся теплообмене. Для расчета температуры резания при твердом фрезеровании предложен «метод источников». «Метод источников» позволяет сравнительно просто написать интеграл, удовлетворяющий уравнению теплопроводности:

а$ (дгв д*в дгв\ 30

-— сл -г- +-г -I--+ Уу-+ V» —— -Г V, ——

дт (^с*1 ду1 ду2) " дх 1 ду 1 дг где а = Я/ср - коэффициент температуропроводности среды.

дв 89

- + УК—+ уг— (1)

ду

Это главное преимущество «метода источников» по сравнению с другими аналитическими методами, где отыскание вида интеграла, удовлетворяющего уравнению теплопроводности, представляет значительные трудности. В процессе механической обработки возникают тепловые источники как результат перехода в теплоту энергии деформации обрабатываемого материала и работы трения на контактных поверхностях инструмента. В зоне резания возникают три основных источника теплоты: — теплота деформации в зоне стружкообразования (интенсивность источника

— теплота трения на площадке контакта между стружкой и передней поверхностью инструмента (дл),

— теплота трения между задней поверхностью инструмента и обработанной поверхностью Оугг)-

На рис. 3 эти источники показаны применительно к процессу твердого фрезерования: зуб фрезы 3, стружка 2 и деталь 1 условно раздвинуты.

Яд)\

Рис. 2 Схема расположения источников и стоков теплоты при твердом фрезеровании.

На рисунке 2: V - скорость резания м/мин; — скорость схода стружки м/мин; Бг — подача на зуб мм/зуб; N - плоскость сдвига; Ф - угол сдвига; <уд - теплота деформации; q¡т — теплота трения на площадке контакта между стружкой и передней поверхностью зуба фрезы; Ц2т - теплота трения между задними поверхностями зуба фрезы и деталью.

Теплота каждого из упомянутых источников в той или иной мере передается твердым телам, участвующим в процессе — детали, резцу, стружке. Рассмотрим источник теплоты, возникающий вблизи плоскости сдвига N (рис.2). Теплота этого источника (теплота деформации) распределяется между стружкой и деталью.

Обозначим через общую тепловую мощность процесса резания. Между механической мощностью процесса N (кгс*м/с) и её тепловым эквивалентом Q (кал/с) теоретически нет полной количественной идентичности, так как часть механической энергии переходит в поглощённую энергию деформации кристаллической решетки обрабатываемого материала. Однако ряд исследований показал, что при больших степенях деформации, характерных для процессов механической обработки, поглощённая энергия незначительна, и с достаточной для практики точностью можно полагать, что вся работа переходит в теплоту. Поскольку мощность источника пропорциональна силе трения и скорости скольжения, то приравнивая тепловую и механическую мощности можно получить 6 = 0,039-/^ -V, где Рг - тангенциальная составляющая силы резания, V - скорость резания. Обозначим далее через ()д -мощность источника теплоты деформации, и £?гг тепловую мощность источников, возникающих как результат трения соответственно на передней и задней поверхностях инструмента, 0/ и - тепловую мощность итоговых источников на этих поверхностях. Тогда:

в = Qc + Qh + 0,039-Pz-v; Qc=b*Qs+QXT-Ql\

Здесь go Qn, Qp - соответственно теплота в стружке, детали (изделии), и резце; Ь* - доля, характеризующая часть теплоты деформации, передаваемую стружке; Pz - тангенциальная составляющая силы резания; v - скорость резания.

В общем виде алгоритм расчета температуры резания включает в себя:

1. определение интенсивности источников образования тепла;

1.1 интенсивность источника тепла возникшего в результате деформации

срезаемого слоя: qa =0,039^-[/,20-(/t-sin/)-/>W0-cosj'J кал/с.

1.2 интенсивность источника, возникающего в результате трения стружки

по передней поверхности зуба фрезы:

, or v-(^70 •sinr + P™ -cosy) .( , \

q.T = 5,85——---^-— кал [см1-с).

,т Ь-1, -к К '

1.3 Интенсивность источника, возникающего в результате трения задней поверхности инструмента по поверхности резания: q1T = 1,92- сг_в • v кап /(см1 ■ с)

2. расчет температуры в зоне резания;

2.1 определение температуры на площадке контакта стружки с передней поверхностью зуба фрезы вс =(1+с)-0д -1,3?,), "С;

2.2 определение температуры на контактной площадке задней поверхности

зуба фрезы с деталью ви = (1 + с)0д - Ти +0,1 (?2Г -1,82^), °С;

Я-vv

2.3 определение температуры на контактных поверхностях зуба фрезы

передняя поверхность в\ = +—q2l1, "С;

Xf Хг

задняя поверхность Oí = ~-q2l2 + ^Lqil[> *С;

3. расчет интенсивности "итоговых потоков теплообмена между стружкой, зубом фрезы и деталью;

4. расчет температуры резания + , 'с.

/, +/2

Рассмотренный «метод источников» был практически подтвержден при точении незакаленных сталей без охлаждения при скоростях резания до 100 м/мин., передний угол инструмента был положительный.

Анализ литературных источников показал, что при фрезеровании закаленной стали, на процесс резания накладываются следующие условия:

• фрезерование закаленной стали осуществляется без охлаждения;

• скорость резания при фрезеровании закаленной стали достигает 400 м/мин;

• передний угол режущего лезвия зуба фрезы — отрицательный. Наибольшая термическая напряженность процесса фрезерования наблюдается в момент контакта зуба фрезы с заготовкой при максимальной толщине стружки для данной подачи. Таким образом, в расчете температуры резания при фрезеровании закаленной стали считаем процесс распространения теплоты установившимся и толщину стружки - максимальной для данной подачи.

Для того, чтобы за короткий отрезок времени получить нужную температуру в срезаемом слое и снизить термическую нагрузку на обработанную поверхность, необходимо управлять теплом, образовавшимся в процессе резания. Как показал анализ литературных данных и наши расчеты по «методу источников», для управления теплом могут быть использованы:

— варьирование режимов резания (V, б, I);

- изменение геометрии режущего лезвия зуба фрезы (передний угол).

Разработан алгоритм расчета температуры резания при фрезеровании закаленной стали и его программная реализация, позволяющие оценить температуру резания, а также термическую нагрузку на инструмент и обработанную поверхность.

Результаты расчета температуры поверхности резания и сравнения ей с экспериментальными данными, полученными зарубежными авторами при следующих режимах резания: скорость резания V до 400 м/мин., подача Sz=0,05...0,125 мм/зуб, глубина резания t до 3 мм., ширина фрезерования В=1 мм., выявило различие в результатах не более 10%.

Третья глава. Экспериментальная часть

Проведены эксперименты ■ по оценке температуры стружки, при фрезеровании закаленной стали, по таблице цветов каления, определение температуры стружки калориметрическим методом, исследования структуры стали в стружке и установлению её твердости методами металловедения, определение твердости обработанной поверхности.

Оценка температуры стружки по таблице цветов каления проводилась при фрезеровании закаленной стали 40Х твердостью 50..52HRC на следующих режимах резания:

Скорость резания V=50...400 м/мин. Подача Sz=0,05...0,125 мм/зуб. Глубина резания t=3 мм. Ширина фрезерования В=1 мм. В качестве, станка-стенда был выбран обрабатывающий центр мод. МА6А55БФ4. Режущий инструмент - фреза торцевая D = 86 мм., оснащенная пластинами из твердого сплава ВК8.

Свечение стружки, возникающее в процессе резания, фиксировалось при помощи фотоаппарата. На рис. 3 а приведена таблица цветов каления стружки и фотографии процесса обработки для различных режимов резания (рис. 3 б, 3 в, 3 г, 3 д, 3 е.).

За

Зд зе

Рис. 3 Таблица цветов каления и фотографии процесса обработки закаленной

стали.

Из рис. 3 б, 3 в, 3 г, 3 д, 3 е., видно, что при скорости резания 50 м/мин, Бг = 0,05 мм/зуб (рис.Зб)., искрение стружки не наблюдается. Искрение стружки начинается со скорости резания \'=!00 м.'мин (ряс. За) и с увеличением скорости резания до У=400 м/мин (рис Зе) искрение усиливается (становится ярче). Аналогичная картина наблюдается и для других диапазонов подачи.

Для проверки пригодности «метода источников» для расчета температуры резания при фрезеровании закаленной стали, проведены измерения температуры стружки калориметрическим, методом. Эксперименты проводились при фрезеровании закаленной стали 40Х твердостью 50..52НИ.С, на следующих режимах резания: .

Скорость резания У=300; 350; 400 м/мин. Подача 82=0,05... 0,125 мм/зуб. Глубина резания 1=3 мм.

Ширина фрезерования В=1 мм.

На основании экспериментальных данных можно сделать вывод, что результаты расчета и эксперимента согласуются в пределах 30%.

Проведено исследование структуры стали в стружке и установление её твердости методами металловедения

Отобраны образцы стружек и проведены их исследования: определена микротвердость образцов и структура стали в стружке.

Во всех случаях стружка имеет вид сливной стружки, характерной для резания пластических материалов, а не стружки скалывания или надлома характерной для резания непластичных материалов, к каким относится закаленная сталь. Следовательно, можно предположить, что в зоне резания, под влиянием температуры, возникшей в процессе срезания припуска, свойства обрабатываемого материала изменились.

Для подтверждения этого были сделаны фотографии микрошлифов стружки рис. 4,5.

а б

Рис. 4 Фотографии микроструктуры стали в стружке.

а) У=100 м/мин, 8г=0,05 мм/зуб, 1= 3 мм.

б) У=200 м/мин,,82=0,075 мм/зуб, 1= 3 мм.

в

Рис. 5 Фотографии микроструктуры стали в стружке, в) У= 150 м/мин, 82=0,1 мм/зуб, 1= 3 мм. г) У=350 м/мин, Б/=0,125 мм/зуб, 3 мм.

Из рассмотренных фотографий видно, что микроструктура стали во всех образцах стружки: тростит и сорбит, которые образовались в результате распада мартенсита. Можно предположить, что распад мартенсита произошел в результате отпуска стали, под воздействием температуры, образовавшейся в процессе резания.

Также измерена твердость стали в стружке.

Измерить твердость по Роквеллу непосредственно на стальной стружке не представляется возможным из-за малых размеров стружки. Поэтому на

экспериментальных образцах стружки измерялась микротвердость при нагрузке 50 г (Н30), в пяти точках по длине, которая затем переводилась в единицы HRC. Для такого перевода был построен график (см. рисунок) взаимосвязи Hjo и HRC. Данные для построения графика были получены на основании измерений Hjo и HRC на стальных образцах с различной твердостью.

700 -i 650 600 550 500 S 450 400 350 300 250 200

25 30 35 40 45 50 55 60 HRC

Рис. 6 Взаимосвязь микротвердости (Н50) и твердости (НЯС) стали.

В таблице 1 приведены микротвердость Н50 и твердость Ш1С в образцах стружки.

Таблица 1

№ образца D, дел.' Н50 HRC

1 2 3 4 5 Ср.

1 50 53 53 50 50 51,1 390 38

2 53 53 53 49 50 51,6 385 37

3 47 47 46 46 - 46,5 490 45

4 54 49 48 45 40 47,2 470 44

На основании проведенных замеров микротвердости и перевода её в твердость по Роквеллу можно предположить, что в зоне резания был такой уровень температуры, который позволил произвести отпуск стали в отходящей стружке.

Для исследования физико-механических свойств обработанной поверхности и влияния на них температуры, образующейся в процессе срезания припуска, были проведены эксперименты по определению твердости по Роквеллу обработанной поверхности. Замеры проводились в пяти точках по длине прохода Ь*=120 мм, для каждого режима резания. Приведенные экспериментальные данные показывают, что твердость поверхности после твердого фрезерования составляет 47..48 НЯС, что соответствует полосе прокаливаемое™, построенной по данным торцевой закалки (ГОСТ 4543-71), т. е. твердости образца на глубине до 4,5 мм. Это свидетельствует, о том, что режим резания, в совокупности с выбранной геометрией режущего лезвия зуба фрезы позволяют значительно снизить термическую нагрузку на обработанную поверхность.

Экспериментальные данные и результаты расчета температуры резания позволяют утверждать, что наши представления о принципе фрезерования закаленной стали - верны и «метод источников» пригоден для инженерных расчетов температуры резания при фрезеровании закаленной стали.

Четвертая глава. Методика выбора режимов резания при твердом фрезеровании.

Изложена методика выбора режимов резания для фрезерования закалённой стали. Предлагаемая методика основывается на расчете температуры резания по методу источников и основных положениях изложенных в главе 2.

Задачей этой методики является выбор режима резания для фрезерования закаленной стали в зависимости от характеристик оборудования и технологических требований. Предложенная методика является инструментом, позволяющим технологу выбрать режим резания для конкретных условий, обеспечивающий выполнение как технологических условий, так и производительности процесса. На рисунке 7 приведен алгоритм выбора редима резания для фрезерования закаленной стали.

Рис. 7 Алгоритм выбора режимов резания для фрезерования закаленной стали.

Ниже (см. таблицу 2) приведены основные этапы выбора режима резания по предлагаемой методике на примере.

Постановка задачи: обработать плоскость 1, материал сталь ХВГ, предел прочности сгв=160 кг/мм2 (см. рис 8).

Таблица 2

1. Обрабатываемый материал: Сталь ХВГ

1.1 Предел прочности (7В„ гсг/мм2 160

1.2 коэффициент теплопроводности со, см/с2. 0,054

1,3 коэффициент температуропроводности X, кал/(см с °С) 0,065

1.4 Технологические требования (из чертежа детали):

1.4.1 шероховатость поверхности Яа, мкм. 0,8

2. Характеристики оборудования (паспортные данные станка) фрезерный станок МА6А55БФ4:

2.1 максимальная частота вращения шпинделя п, об/мин. 2000

2.2 пределы рабочих подач по координатам Бм, мм/мин 1200

3. Инструмент (например, по каталогу фирмы ЗапсМк Соготагй):

3,1 диаметр, мм 63

3.2 материал Твердый сплав

3.3 коэффициент теплопроводности Юинсг. см/с2 0,1

3.4 передний угол у0 -5

3.5 задний угол а° 7

З.б угол в плане <р° 90

3.7 Выбор предварительного диапазона режимов резания (например, по каталогу фирмы БапсЬлк Соготагй):

3.7.1 скорость резания V, м/мин. 250

3.7.2 подача на зуб Б г, мм/зуб 0,1

3.7.3 глубина резания 1, мм. 1

4. Уточнение выбранного режима резания в зависимости от характеристик оборудования:

4.1 п<[пшп] 1269= п < [пшп]=2000

4.2 Бм<[8м] 822=8м<[8м]=1200

4.3 выбранный режим соответствует чистовой обработке

5. Расчет температуры резания для уточненного режима, в°С в=565°С

6. Проверка условия 600°С <. 0тах=12ОО°С. Условие не выполняется

7. Необходимо провести управление теплом.

7.1 увеличиваем скорость резания V, м/мин. При соблюдении условия п < [пшс|] 300

8 Расчет температуры резания (по алгоритму предложенному выше) в=640°С

8.1 Проверка условия 600°С Условие выполняется

9. Для данных условий обработки принимаем следующие режимы:

9.1 скорость резания V, м/мин. 300

9.2 подача на зуб 8г, мм/зуб 0,1

9.3 глубина резания 1, мм. 1

Границы диапазона температуры резания (пункт 6 таблица 2) втах и втт определяются исходя из теплостойкости материала режущего инструмента и

кривых, отражающих зависимость предела прочности обрабатываемого материала от температуры нагрева.

Верхняя граница втах для твердого сплава без покрытия не более 1200°С. Нижняя граница втт, по литературным данным, должна составлять не менее 600°С.

Полученную температуру резания в для выбранного и уточненного режима резания проверяют на выполнение условия &т,„ <9тах. Если это условие выполняется, то выбираем этот режим.

Если условие 0т,„ <9< 9тгх не выполняется, то возникает необходимость в управлении теплом, возникающим в процессе резания, а именно, изменением режимов резания.

Рассмотрены примеры выбора режимов резания при твердом фрезеровании для различных условий обработки.

Проведена апробация предложенной методики в реальных производственных условиях. На рисунке 8 приведена трехмерная модель детали «Матрица подвижная».

Рис 8 Трехмерная твердотельная модель детали «Матрица подвижная».

Обрабатываемые поверхности: 1. Плоскость;

2. Дно рабочей части матрицы;

3. Паз по контуру рабочей части матрицы;

4. Полукруглый выступ Я=5 мм.

Для обработки выбраны следующие инструменты каталогу фирмы ЗапсКзк Соготаш:

1. фреза торцевая СогоМШ 390-063С6-11М080 диаметром 63 мм, с числом зубьев оснащенная пластинами из твердого сплаза 003040, Я390-11 ТЗ 08М-КМ.

2. фреза концевая СогоМШ Р1ига R216.24-08030CA.fQ8G из твердого сплава ОС16Ю, диаметром 8 мм, с числом зубьев 2 -- 4 и радиусом угла г-1 мм.

3. фреза со сферическим концом СогоМШ Р1ига Я21б.42-05030-АК060 из твердого сплава СС!610, диаметром 5 мм, с числом зубьев 7. = 2.

Режимы резания выбирались при помощи разработанной методики выбора режимов резания как показано в таблице 2. Режимы резания для каждого инструмента приведены в таблице 3:

Таблица 3

Инструмент Л1> Скорость резания V, м/мин. Подача на зуб Sz, мм/зуб. Глубина резания мм.

1 300 0,1 !

2 250 0,05 0,2

3 400 0,1 0,1

В программе Power Mill 6.0 разработаны соответствующие управляющие программы для ЧПУ.

Результаты производственной проверки методики приведены в таблице 4:

Таблица 4

Обрабатываемая поверхность Шероховатость Ra, мкм Твердость обработанной поверхности, H.RC

Требуемая Полученная

1. Плоскость 0,16 0,32 50..52

2. Дно рабочей части матрицы; - 0,32 50..52

3. Паз по контуру рабочей части матрицы; 0,2 0,4 50..52

3. Полукруглый выступ 11=5 мм 0,2 0,8 50..52

На основании проведенной апробации методики выбора режимов резания для фрезерования закаленной стали установлено, что показатели по шероховатости и точности обработанной поверхности не отличаются от данных по обработке незакаленной стали. Предложены научно обоснованные требования к техническим характеристикам станков, пригодным для осуществления фрезерования закаленной стали:

1. Учитывая, что при фрезеровании закаленных сталей наиболее предпочтительно работать с высокими скоростями резания (до 400 м/мин), что подтверждено расчетом температуры резания и экспериментальными исследованиями, необходимо обеспечение быстроходности привода главного движения, т.е. число оборотов шпинделя, при использовании торцевых фрез диаметром от 40 мм., должно быть не менее 4000 об/мин.

2. Так как торцевое фрезерование закаленных сталей предпочтительно производить с глубиной резания до 3 мм., в зависимости от ширины фрезерования, подачей на один зуб от 0,05 до 0,125 мм/зуб, необходимо обеспечить приводами подач равномерное линейное перемещение с требуемой скоростью.

3. Экспериментальными исследованиями процесса фрезерования закаленной стали фрезами, оснащенными твердосплавными пластинами отечественного производства, показали, что точность обработки в направлении оси Z обусловлена в основном износом режущих лезвий фрезы. Таким образом, можно полагать, что торцевое фрезерование закаленных сталей на режимах

резания рассматриваемых в настоящей работе может быть осуществлено на станках типа обрабатывающий центр классов точности Н и П по ГОСТ 8-82. 4. Экспериментальные исследования шероховатости обработанной поверхности показали, что при торцевом фрезеровании закаленной стали на станке класса точности Н по ГОСТ 8-82 возможно получить величину шероховатости И, = 0,3..0,8 мкм.

Пятая глава. Экономическая часть.

Для обоснования повышения экономичности процесса изготовления деталей из закаленной стали проведен сравнительный анализ технологического процесса изготовления формообразующей детали с использованием фрезерования закаленной стали и технологического процесса, применяемого в условиях реального производства. Проведен расчет затрат времени.

Для обработки рабочего профиля матрицы были выбраны инструмент по каталогу фирмы БапсМк Соготаги.

Режимы резания выбирались при помощи разработанной методики назначения режимов резания.

Используя известные методики и нормативы времени, рассчитаны затраты на обработку рабочего профиля детали «Матрица подвижная» с использованием фрезерования закаленной стали (см. таблицу 5).

Таблица 5

Количество Операций, шт Основное время, мин Время на слесарную обработку, мин. Шероховатость поверхности. Ra, мкм.* Точность обработки, квалнтет.***

Технологический процесс» разработанный О АО« Стан ко агре гат» 17 5170 1200 0,8 7

Технологический процесс, с использованием твердого фрезерования. 15 2978 500 0,3-0,8 7-8

Из сравнения двух технологических процессов видно, что применение фрезерования закаленной стали позволяет сократить количество операций на 10%, сократить основное время обработки детали до 50%, сократить время на слесарную обработку рабочей поверхности матрицы до 60%. Шероховатость рабочей поверхности обработки значительно лучше в случае применения фрезерования закаленной стали. Точность обработки такая же, но при более высокой производительности.

Общие выводы по диссертационной работе.

1. Анализ литературных данных показал, что методики выбора режимов резания для фрезерования закаленной стали, которая учитывала бы физические процессы, протекающие в зоне резания, нет

2. Изучены физические процессы, протекающие в зоне резания при фрезеровании закаленной стали (образование и распределение тепла).

3. Получил дальнейшее развитие «метод источников», предложенный А.Н. Резниковым, для расчета температуры резания при фрезеровании закаленной стали. Разработан алгоритм расчета температуры резания и его программная реализация. Результаты исследования проверены экспериментально.

4. Исследован процесс тепловыделения (для стружки и обработанной поверхности) при фрезеровании закаленной стали в зависимости от режимов резания (V, б, I) и параметров инструмента (величина переднего угла у). Исследования подтверждены экспериментально.

5. Разработана методика выбора режимов резания для фрезерования закаленной стали на основании расчета температуры резания, управления тепловыми потоками, образовавшимися в процессе резания, характеристик оборудования и технологических условий

6. Апробация методики выбора режимов резания для фрезерования закаленной стали в производственных условиях проводилась на трех различных поверхностях, тремя различными инструментами и показала, что:

• необходимо обеспечение быстроходности привода главного движения станка;

• класс точности станка не ниже класса Н или П по ГОСТ 8-82

• величина шероховатости составила R, = 0,3..0,8 мкм.

7. Показано, что применение фрезерования закаленной стали при изготовлении формообразующих деталей, позволяет сократить количество операций на 10%, сократить основное время обработки детали до 50%, сократить время на слесарную обработку рабочей поверхности матрицы до 60%. Шероховатость рабочей поверхности обработки значительно лучше в случае применения фрезерования закаленной стали.

8. Предложенная методика принята к использованию на ОАО «Станкоагрегат».

Список печатных работ.

1. Лобанов A.A. Температура резания при обработке закаленных сталей. И СТИН, №5, 2005 г., стр. 25-27.

2. Лобанов A.A. Фрезерование закаленной стали. // СТИН, № 9 2006г., стр. 21-23.

3. Лобанов A.A. Технологические преимущества твердого фрезерования. // СТИН принято к публикации.

4. Лобанов A.A. Физические процессы, протекающие в зоне резания при фрезеровании закаленной стали. // СТИН, принято к публикации.

Введение. Актуальность темы.

Глава 1 Существующие методы обработки закаленной стали. Цели и задачи исследования.

1.1 Требования, предъявляемые к формообразующим деталям технологической оснастки.

1.2 Анализ методов обработки формообразующих деталей технологической оснастки.

1.3 Фрезерование закаленной стали при изготовлении формообразующих деталей.

1.3.1 Режимы резания.

1.3.2 Конструкции инструмента.

1.3.3 Инструментальные материалы.

1.3.4 Охлаждение.

1.3.5 Оборудование.

1.4 Выводы.

1.5 Цель и задачи диссертационной работы.

Глава 2 Температура резания при твердом фрезеровании.

2.1 Особенности процесса резания закаленной стали.

2.2 Источники образования тепла и тепловые потоки при резании закаленных сталей.

2.3 Классификация источников и стоков теплоты.

2.3.1 Схематизация свойств и теплофизических характеристик обрабатываемого и инструментального материала.

2.3.2 Схематизация геометрической формы тел.

2.3.3 Аналитические методы решения теплофизических задач, используемые при описании тепловых явлений в процессе механической обработки.

2.4 Тепловые потоки в зоне резания при фрезеровании закаленной стали.

2.4.1 Интенсивность теплообразующих источников.

2.5 Температура в зоне резания при установившемся теплообмене.

2.6 Температура резания.

2.7 Пример расчета температуры резания, температуры обработанной поверхности и температуры стружки при фрезеровании закаленной стали.

2.8 Управление теплом, образующимся в процессе фрезерования закаленной стали.

2.9 Выводы.

Глава 3 Экспериментальная проверка теоретических положений.

3.1 Станок-стенд для опытных работ по фрезерованию закаленной стали.

3.2 Оценка температуры стружки по цвету её каления.

3.3 Определение температуры стружки при фрезеровании закаленной стали.

3.4 Исследование микроструктуры и твердости стали в стружке.

3.5 Исследование свойств поверхностного слоя обработанной детали.

3.6 Выводы по экспериментальным исследованиям.

Глава 4. Методика выбора режимов резания для твердого фрезерования И её апробация в лабораторных и производственных условиях.

4.1 Методика выбора режимов резания для фрезерования закаленной стали.

4.2 Апробация методики выбора режимов резания в лабораторных условиях.

4.3 Апробация методики выбора режимов резания в производственных условиях.

4.4 Определение требований к техническим характеристикам станка, пригодного для осуществления твердого фрезерования.

Глава 5 Расчет затрат времени и средств при изготовлении формообразующих деталей с использованием твердого фрезерования.

5.1 Анализ технологического процесса.

5.2 Расчет затрат времени на обработку рабочего профиля формообразующей детали.

5.3 Выводы.

Одним из современных направлений развития резания металлов является «твердая обработка» - обработка сталей в закаленном состоянии, твердостью выше 45 HRC.

На сегодняшний день наиболее полно исследован процесс точения закаленной стали. Процесс фрезерования закаленной стали изучен меньше. Исследования, посвященные этим вопросам, велись с середины прошлого века. В настоящее время исследования процесса фрезерования закаленной стали проводятся в основном за рубежом.

С совершенствованием инструментальных материалов и созданием нового оборудования появилась возможность более широкого применения фрезерования закаленной стали в автомобилестроении, инструментальном производстве, производстве технологической оснастки (прессформы, литейные формы, штампы).

Применение фрезерования закаленной стали, например, в производстве технологической оснастки, может способствовать наряду с повышением производительности, точности и шероховатости обработанной поверхности снижению трудозатрат на ручную финишную слесарную обработку.

Однако, как показывает опыт ряда фирм, внедрение фрезерования закаленной стали при обработке различных видов поверхностей связано с длительной отладкой отдельных операций на рабочем месте, а именно выбором режима резания для каждого конкретного случая. Приводимые в каталогах фирм-производителей режущего инструмента режимы резания не всегда позволяют решить технологическую задачу для конкретных условий (технологические требования к обработке, возможности оборудования). Методики выбора режимов резания для фрезерования закаленной стали, которая учитывала бы конкретные условия операции, нет.

В связи с этим, исследование процесса фрезерования закаленной стали и разработка методики выбора режимов резания является актуальной задачей.

6. Общие выводы по диссертационной работе.

1. Анализ литературных данных показал, что методики выбора режимов резания для фрезерования закаленной стали, которая учитывала бы физические процессы, протекающие в зоне резания, нет

2. Изучены физические процессы, протекающие в зоне резания при фрезеровании закаленной стали (образование и распределение тепла).

3. Получил дальнейшее развитие «метод источников», предложенный А.Н. Резниковым, для расчета температуры резания при фрезеровании закаленной стали. Разработан алгоритм расчета температуры резания и его программная реализация. Результаты исследования проверены экспериментально.

4. Исследован процесс тепловыделения (для стружки и обработанной поверхности) при фрезеровании закаленной стали в зависимости от режимов резания (v, s, t) и параметров инструмента (величина переднего угла у). Исследования подтверждены экспериментально.

5. Разработана методика выбора режимов резания для фрезерования закаленной стали на основании расчета температуры резания, управления тепловыми потоками, образовавшимися в процессе резания, характеристик оборудования и технологических условий

6. Апробация методики выбора режимов резания для фрезерования закаленной стали в производственных условиях проводилась на трех различных поверхностях, тремя различными инструментами и показала, что:

• необходимо обеспечение быстроходности привода главного движения станка;

• класс точности станка не ниже класса Н или П по ГОСТ 8-82

• величина шероховатости составила Ra = 0,3.0,8 мкм.

7. Показано, что применение фрезерования закаленной стали при изготовлении формообразующих деталей, позволяет сократить количество операций на 10%, сократить основное время обработки детали до 50%, сократить время на слесарную обработку рабочей поверхности матрицы до 60%. Шероховатость рабочей поверхности обработки значительно лучше в случае применения фрезерования закаленной стали. 8. Предложенная методика принята к использованию на «Станкоагрегат».

117

1. Балакшин Б.С. Основы технологии машиностроения, М.: «Машиностроение», 1966.-556 с.

2. Бобров В.Ф., Гранвский Г.И., Зорев Н.Н. и др. Развитие науки о резании металлов // М.: Машиностроение, 1968,416 с.

3. Бобров В.Ф. Основы теории резания металлов. М.: Машиностроение, 1977. 344 с.

4. Бобровский В.А. Прогрессивные методы размерной обработки конструкционных материалов резанием в автостроении и производстве дорожно-строительных машин. Часть 1. Физические основы процесса резания металлов. М.: Машиностроение, 1993, 215 с.

5. Белкин И.М. Допуски и посадки, М.: Машиностроение, 1992,306 с.

6. Вайнерт К. Обработка всухую и минимальная смазка. Использование в технологии обработки резанием // Издательство «Шпрингер», 2000.

7. Васин С.А. Резание материалов: термомеханический подход к системе взаимодействий при резании // М.: Изд-во МВТУ Н.Э.Баумана, 2001.

8. Виттингтон К., Васильев В., Высокоскоростная обработка //САПР и графика. -2002.-№11.-С. 15-22.

9. Трудов П.П., Волков С.И., Воробьев В.М., Скоростное фрезерование сталей, Центральное бюро технической информации // 1950. 258 с.

10. Ю.Даниелян. A.M. Теплота и износ инструментов в процессе резания металлов // МАШГИЗ, 1954, 275 с.

11. Даниелян A.M. Обработка резанием жаропрочных сталей, сплавов и тугоплавких металлов // М.: Машиностроение, 1965 с.

12. Долматовский Г.А. Справочник технолога по обработке металлов резанием (издание 3-е переработанное) // МАШГИЗ, 1966, 1236 с.

13. Еремин А.Н. Физическая сущность явлений при резании сталей // МАШГИЗ 1951.-225 с.

14. Клушин М.И. Резание металлов // МАШГИЗ, 1953.- 429 с.

15. Клушин М.И. Скоростное резание металлов // МАШГИЗ, 1947. 143 с.

16. Колев К.С. Точность обработки и режимы резания. М.: «Машиностроение», 1968.- 130 с.

17. Колка И.А., Кувшинский В.В. Многооперационные станки. М.: «Машиностроение», 1983. - 136 с.

18. Колосовский B.JI. Справочник молодого фрезеровщика, М.: Высшая школа, 1985.-240 с.

19. Корсаков B.C. Точность механической обработки, МАШГИЗ, 1961. 373 с.

20. Кочина Т.Б. Высокоскоростное резание жаропрочных сплавов на никелевой основе инструментом из минералокерамики // Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Санкт-Петербург, 1993.

21. Крагельский И.В., Добычин М.Н., Комбалов B.C. Основы расчета на трение и износ. М.: Машиностроение, 1977. 526 с.

22. Локтев Д.А. Технологические тенденции в автомобильной промышленности // Материалы международной конференции «Прогрессивные технологические процессы и новые материалы в автомобилестроении», Москва ,2002.

23. Локтев Д.А. Экономическая эффективность применения прогрессивных технологий. // Материалы 1-го Московского технологического форума, Москва, 2003.

24. Локтев Д.А. Исследование влияния элементов технологической системы на эффективность высокопроизводительной обработки на обрабатывающихцентрах // Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук, Москва 2003.

25. Лоладзе Т.Н. Прочность и износостойкость режущего инструмента // М.: «Машиностроение», 1982, 320 с.

26. Ларин М.Н. Основы скоростного фрезерования. // Скоростные методы обработки металлов. МАШГИЗ. - 1949. - С. 316 - 341.

27. Макаров А.Д. Экспериментальные методы решения задач оптимизации процесса резания металлов: учебное пособие. Уфа: изд. УАИ им. Серго Орджоникидзе, 1983. - 70 с.

28. Малкин А .Я. Скоростное точение закаленной стали // Скоростная обработка металлов резанием. ОБОРОНГИЗ. - 1951. - С. 261 - 280.

29. Маркелов П.А., Скоростное фрезерование закаленной стали торцевыми фрезами,//ОБОРОНГИЗ, 1953.

30. Маталин А.А. Технология Механической обработки. Л.: «Машиностроение» (Ленингр. отд-ние) // 1977. 464 с.

31. Модзелевский А.А., Соловьев А.В., Лонг В.А. Многооперационные станки: Основы проектирования и эксплуатация. М.: «Машиностроение», 1981. -216с.

32. Немилов Е.Ф. Электроэрозионная обработка материалов. Л., «Машиностроение», 1989. -234 с.

33. Общемашиностроительные нормативы времени и режимов резания для нормирования работ, выполняемых на универсальных и многооперационных станках с числовым программным управлением. Часть 1. Нормативы времени // Москва Экономика, 1990. 206 с.

34. Общемашиностроительные нормативы времени и режимов резания для нормирования работ, выполняемых на универсальных и многооперационных станках с числовым программным управлением. Часть II. Нормативы режимов резания // Москва Экономика, 1990. 206 с.

35. Операционная технология обработки корпусных деталей на многоинструментальных станках с ЧПУ. Рекомендации. Шрайбман С.М.,

36. Эстерзон М.А., под общей редакцией Юхвида М.Е. М.: ЭНИМС // 1978. 71 с.

37. Полетика М.Ф. Контактные нагрузки на режущих поверхностях инструмента //М.: Машиностроение, 1969. 150 с.

38. Применение новых инструментальных материалов и режущего инструмента на их основе: Методические рекомендации / ВНИИинструмент. М.: ВНИИТЭМР, 1990.- 100с.

39. Пуш В.Э. конструирование металлорежущих станков. М.: «Машиностроение», 1977.- 390 с.

40. Резников А.Н. Теплофизика резания // М.^Машиностроение», 1969, 288 с.

41. Резников А.Н. Теплофизика процессов механической обработки материалов // М.^Машиностроение», 1981,279с.

42. Резницкий J1.M. Механическая обработка закаленных сталей // МАШГИЗ. -1958.-392с.

43. Рыкалин Н.Н. Расчеты тепловых процессов при сварке // М.: Машгиз, 1951. -269 с.

44. Стали для станков и машин. Справочник // ЭНИМС, 1993. 339 с.

45. Степанов А. Высокоскоростное фрезерование в современном производстве // CAD/CAM/CAE Observer. 2003. - №4. - С. 2-8.

46. Степанов А. Высокоскоростное фрезерование в современном производстве // CAD/CAM/CAE Observer. 2004. - №1. - С. 71-78.

47. Степанов А. Высокоскоростное фрезерование в современном производстве // CAD/CAM/CAE Observer. 2004. - №2. - С. 53-57.

48. Стали для станков и машин: Справочник. М.: ЭНИМС // 1993. - 337 с.

49. Соколовский А.П. Жесткость в технологии машиностроения, МАШГИЗ, 1946.-206с.

50. Соколовский А.П. Расчеты точности обработки на металлорежущих станках, МАШГИЗ, 1952.-285 с.

51. Технологическое оборудование ГПС, под общей редакцией А.И Федотова и О.Н. Миляева JL: «Политехника», 1991. - 320 с.

52. Типовые методики испытаний металлорежущих станков: методические указания. М.: ЭНИМС, 1988. 96 с.

53. Фатеев Н.К. «Технология электроэрозионной обработки». JI., «Машиностроение», 1990. 189 с.

54. Шестакова Ж.В., Шашок А.В. прогнозирование адгезионного износа торцевых фрез, Вестник ОГУ 10, 2004, с. 149-152.

55. Щеголев А.В. и др., Скоростное фрезерование, Машгиз, 1949.

56. Электроэрозионная и электрохимическая обработка, часть I и II, М.: НИИНМАШ, 1980.

57. Якимов А.В. Теплофизика механической обработки. Учебное пособие для ВУЗов. Киев; Одесса: Лыбидь, 1991.

58. Т. Skopecek, J. Svoboda, P. Hofmann Warmebeeintrachtigung beim Hart-HSC-Frasen// 2003. 5. - C. 10-14.

59. T. Skopecek Studium vlivu podminek obrabeni narezne sily pri frezerovani v rezimu HSC // Plzen: ZCU/FST/KTO, 2002.

60. H. Shulz Scientific fundamentals of HSC // Munchen: Carl Hanser Verlag, 2001.

61. Svoboda J. Studium vlivu podminek obrabeni na jevy pri procesu tvorenini trisky v rezimu HSC // Plzen: ZCU/FST/KTO, 2002.

62. Sandvik Coromant, Основной каталог, 2006 г.

63. Guhring. Milling Cutters. The complete program, 2003.66.www.emag-group.ru67.www.modelism.net