автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Исследование процесса лезвийной обработки сталей с фрикционным подогревом зоны резания

Саратовский государственный технический университет Технологический институт

На правах рукописи

НАСАД Татьяна Геннадиевна

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ЛЕЗВИЙНОЙ ОБРАБОТКИ СТАЛЕЙ С ФРИКЦИОННЫМ ПОДОГРЕВОМ ЗОНЫ РЕЗАНИЯ

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

/

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель

и

доктор технических наук профессор Барац Я.И,

Энгельс 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ стр

Введение..............................................5

Глава 1. Процессы обработки металлов резанием с подогревом очага деформации (обзор литературы)

1.1 Нагрев снимаемого припуска за счет режимов

резания.............................................. И

1. 2 Электроконтактный подогрев зоны резания.......... 15

1.3 Плазменный подогрев зоны обработки.............20

1.4 Лазерный и индукционный способы подогрева.....25

1.5 Термофрикционное резание.........................27

1. 6 Высокоскоростное резание.........................33

1.7 Постановка задачи исследования и общая

методика ее решения .........................................39

Глава 2. Исследование процесса фрикционно-лезвийной обработки

2.1 Разработка принципиальной схемы фрикционно-лезвийного резания..........................................................42

2.2 Определение сил при фрикционном резании..........45

2.2.1 Выбор измерительной оснастки..................46

2.2.2 Разработка измерительной схемы и выбор апаратуры............................................46

2.2.3 План проведения экспериментов и получение экспериментальных данных.............................50

2.2.4 Апроксимация результатов экспериментов.........51

2.2.5 Оценка точности полученных результатов.........57

2.3 Силы резания при лезвийной обработке

с подогревом снимаемого припуска.....................62

Глава 3. Исследование тепловых процессов фрикцион-но-лезвийного резания.

3.1 Схематизация процесса и принятые допущения.....66

3.1.1 Термофрикционное резание.......................66

3.1.2 Лезвийное резание..............................67

3.2 Решение балансовой задачи при термофрикционном резании..............................................................70

3.3 Температурное поле в обрабатываемой детали при фрикционном резании................................... 73

3.4 Температурное поле в фрикционном диске...........77

3.5 Балансовая задача при лезвийной обработке........82

3.6 Температурное поле в детали при лезвийном резании.............................................. 85

3. 7 Температурное поле в лезвийном инструменте....... 86

Глава 4. Качество поверхности при фрикционно -лезвийной обработке.

4.1 Особенности формирования качества поверхности.... 91

4.2 Методика исследования качества поверхности.....„.93

4. 3 Исследование шероховатости поверхности........... 97

4.4.Исследование структуры и механических

свойств поверхности.................................. 105

4. 5 Исследование наплывообразования..................108

Глава 5. Экспериментальные исследования процесса фрикционно-лезвийного резания.

5.1 Методика экспериментального исследования

тепловой модели фрикционно-лезвийного резания........112

5.2 Экспериментальные исследования температуры нагрева заготовки при фрикционно-лезвийном резании..........117

5.2.1 Исследования температуры нагрева заготовки

при фрикционном резании..............................117

5.2.2 Исследование температуры нагрева детали

при фрикционно-лезвийном резании.....................119

5. 2.3 Оценка результатов исследования................ 120

5.2.3.1 Проверка адекватности тепловой модели нагрева детали при фрикционном резании.......................121

5.2.3.2 Проверка адекватности тепловой модели нагрева поверхности детали при фрикционно-лезвийном резании..122

5.2.4 Динамика нагрева заготовки.....................123

5. 2. 5 Температура нагрева фрикционного диска.........126

5.2.6 Оценка точности результатов экспериментов......127

5.3 Исследование стойкости режущего инструмента...... 130

5.3.1 Выбор критерия стойкости...................... 130

5.3.2 Разработка схемы измерения, выбор аппаратных средств измерения износа и стойкости инструмента..... 133

5.3.3 План проведения экспериментов и данные экспериментальных исследований....................... 133

5.3.4 Получение экспериментальных данных............134

5.3.4.1 Определение критерия стойкости фрикционного

диска................................................134

5.3.4. 2 Определение критерия стойкости резца........135

5.3.4.3 Исследование износа резца от температуры предварительного подогрева снимаемого припуска....... 139

5.3.4.4 Зависимость износа резца от установочного

размера на диске.....................................140

Глава 6. Определение оптимальных режимов фрикционо -лезвийной обработки.

6.1 Технологические ограничения для процесса фрикционно-лезвийного резания........................ 145

6.2 Определение оптимального решения.................153

6.3 Практические рекомендации по применению фрикционно -лезвийного резания на производстве...................156

Заключение ......................................... 163

Список использованных источников.................. .165

Приложения..........................................175

- 5 -ВВЕДЕНИЕ

Технический прогресс в машиностроении привел к появлению новых труднообрабатываемых материалов и сплавов, требующих разработки новых прогрессивных методов обработки и специальных инструментов.

Одно из важнейших условий успеха машиностроительных предприятий в условиях рыночной экономики - снижение трудоемкости изготовления изделия, его себестоимости, повышение качества обработки.

Наиболее значимым достижением науки о резании металлов является установление факта существования оптимальной температуры для каждой пары инструмент - деталь.

Режимы обработки и процессы резания, соответствующие оптимальным температурам, характеризуются минимальными и стабилизированными значениями сил резания,минимальным износом режущего инструмента,формируют благоприятный поверхностный слой по шероховатости поверхности и остаточным напряжениям.

Впервые вопросы оптимального резания были исследованы Макаровым А. Д. [33].Изучая причины износа лезвийного режущего инструмента, им были установлены основные факторы,влияющие на износ, и сделаны выводы о том,что получить оптимальную температуру можно как искусственным подогревом заготовки, так и форсированием режимов резания.

Однако, практика механической обработки показала,что повышение режимов резания и особенно скорости резания, не всегда создает условия для оптимального резания. Ряд исследований [33,34,54,55] по резанию труднообрабатываемых материалов указывает,что повышение скорости резания резко сокращает стойкость лезвийного инструмента и делает производи-

- 6 -

тельную обработку невозможной.

Предварительный подогрев снимаемого припуска оказался эффективным способом для создания оптимального резания. Разработанные технологические установки, реализующие методы механической обработки с лазерным,плазменным, электроконтактным и фрикционным принципом разогрева снимаемого припуска, позволили оптимизировать процесс резания.

Однако, эти установки имели высокую стоимость, энергоемкость и в основном нашли применение при черновых методах обработки. Высокие температуры нагрева припуска и невозможность точного регулирования тепловыделения в применяемых установках оказывали неблагоприятное воздействие на качество поверхностного слоя детали,вызывали нежелательное изменение его структуры и механических характеристик.

По вышеуказанным причинам, для чистовых операций предварительный подогрев зоны обработки практически не используется.

Из всех методов искусственного подогрева зоны резания особый интерес представляет термофрикционный подогрев.Фрикционное резание характеризуется тем, что не требует дополнительных источников энергии. Разогрев поверхности заготовки осуществляется металлическим диском трения, который одновременно производит снятие чернового припуска.

Фрикционный диск изготавливается из конструкционной стали, что исключает использование дорогостоящих, дефицитных инструментальных материалов.Стойкость фрикционного диска позволяет его использовать в условиях автоматизированного производства.

Однако, метод термофрикционного подогрева обеспечивает

невысокую точность обработки (не выше 13-14 квалитета) и шероховатость поверхности с = 40 - 60 мкм.В поверхностных слоях заготовки возникает деформированная структура на глубине 0,5 - 0,6 мм .К недостаткам метода можно отнести также образование наплывов,, для удаления которых необходима дополнительно трудоемкая слесарная операция.

Создание производительных и эффективных методов чистовой обработки, осуществляемой в режиме оптимального резания является актуальной проблемой для механообрабатывающего производства.

Задачей настоящего исследования является разработка эффективного метода чистового лезвийного резания плоских поверхностей, в основе которого лежит термофрикционный эффект разогрева припуска до требуемой температуры.

Для изучения чистовой лезвийной обработки плоских поверхностей ,совмещенной с фрикционным подогревом снимаемого припуска, была разработана теплофизическая модель процесса фрикционно-лезвийного резания.

С использованием метода источников были проведены теоретические исследования температур в заготовке от фрикционного и лезвийного резания, исследована температура во фрикционном диске и лезвийном инструменте, решена балансовая задача распределения тепла между контактирующими телами и определено место расположения лезвийного инструмента на фрикционном диске.

Исследовано качество поверхности детали при фрикционном и лезвийном резании и определены факторы, влияющие на шероховатость и структуру поверхности детали. Было установлено, что разогрев снимаемого припуска приводит к появлению в нем

отпущенного слоя глубиной Д = 2.0-2.5 мм с пониженными механическими характеристиками.Это позволяет обрабатывать методом фрикционно-лезвийного резания (ФЛР) закаленные стали с твердостью ЖС 45. ..60.

Математическая модель температурных полей была проверена экспериментальными исследованиями, и установлена ее адекватность реальному процессу ФЛР.

Фрикционно-лезвийное резание сравнивалось по экономическим показателям с традиционными методами механической обработки. Сопоставление полученных результатов показало, что ФЛР имеет значительные преимущества по себестоимости и трудоемкости обработки.

Для решения оптимизационной задачи была создана математическая модель, разработаны технологические ограничения по допускаемым значениям температуры обработанной поверхности детали, режущего инструмента,паспортным данным станка,шероховатости поверхности детали,стойкости инструмента и др.

Оптимизационная задача определения режимов фрикционно-лезвийного резания решалась на ЭВМ.

Цель работы.Исследование процесса лезвийной обработки сталей с фрикционным подогревом зоны резания с целью повышения производительности и качества поверхности конструкционных и труднообрабатываемых материалов.

Научная новизна работы состоит в разработке методики исследования качества обработанной поверхности после фрикци-онно - лезвийного резания,обосновывающей возможность чистовой обработки труднообрабатываемых сталей; математической модели, описывающей нагрев детали и режущего инструмента при фрикционно - лезвийном резании; математической модели опреде-

ления оптимальных режимов фрикционно-лезвийного резания.

Практическая ценность и реализация результатов работы предложена конструкция инструмента для фрикционно - лезвийной обработки и разработана принципиальная схема комбинированного резания; разработаны практические рекомендации по использованию фрикционно - лезвийного резания для обработки конструкционных сталей 45,40Х, инструментальных сталей У8А, У10А, чугунов СЧ-15, СЧ-21.; даны конкретные решения по рациональной установке лезвийного инструмента на торцевой поверхности диска.

Апробация работы.Основные научные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на ежегодных технических конференциях в СГТУ в 1995 - 1998 гг, экспонировались на 2-й Всероссийской научно - технической конференции "Высшая -школа России:конверсия и прогрессивные технологии"(г. Москва, МАИ,1996 г.), докладывались и получили одобрение на профилирующих кафедрах СГТУ (ТМС, МОИ).

По материалам работы опубликовано 5 печатных работ.

Диссертация состоит из введения,шести глав,заключения, приложения и списка литературы. Работа содержит 131 страницу машинописного текста.Сведения о внедрении приведены в приложении.

Результаты проделанной работы:

1. Разработан опытный образец режущего инструмента, осуществляющий предварительный подогрев поверхностей заготовок из конструкционных, углеродистых, труднообрабатываемых и закаленных сталей и сплавов, с последующей чистовой обработкой лезвийным твердосплавным инструментом.

2.Экспериментально определена зависимость силы Р2 при

- 10 -

фрикционной обработке от режимов и параметров процесса.

3. Получена математическая зависимость для силы Р2 при лезвийной обработке от режимов резания с учетом степени предварительного нагрева.

4.Экспериментально получена зависимость температуры нагрева детали и фрикционного диска от режимов обработки.

5. Определены оптимальные режимы ФЛР, обеспечивающие максимальную производительность процесса и отвечающие условиям заданной точности и шероховатости обработанной поверхности.

6. Разработаны рекомендации по промышленному использованию фрикционно-лезвийного резания на машиностроительных предприятиях.

На защиту выносятся:

1. Физическая модель теплообразующих источников при фрикционно-лезвийной обработке;

2. Математическая модель,описывающая температурное поле в обрабатываемой детали и фрикционном диске при термофрикционном резании;

3. Математическая модель,описывающая тепловой режим в детали и режущем инструменте при лезвийной обработке;

4. Методика проведения экспериментальных исследований по определению тепловой напряженности процесса ФЛР и стойкости режущего инструмента ;

5.Математическая модель оптимизации режимов ФЛР.

6.Практические рекомендации на разработку конструкции инструмента для ФЛР.

Работа выполнена на кафедре ТЭМ ТИ СГТУ.

Экспериментальная часть работы выполнена в станочной лаборатории кафедры.

- и -

ГЛАВА 1. ПРОЦЕССЫ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ РЕЗАНИЕМ С ПОДОГРЕВОМ ОЧАГА ДЕФОРМАЦИИ.

(Обзор литературы) Существует весьма значительная группа материалов,резание которых вызывает большие трудности из-за низких скоростей резания,неудовлетворительной стойкости режущего инструмента ,низкого качества обработанной поверхности и значительных затрат на обработку.

Поиск условий резания,при которых режущему инструменту обеспечивается максимальная размерная и режущая стойкость, получаются минимальные силы резания и формируются наиболее благоприятные свойства материала поверхностного слоя обрабатываемой детали позволили многим ученым сделать вывод о существовании оптимальной температуры в зоне стружкообра-зования для каждой пары инструментальный материал - обрабатываемый материал. Наиболее глубоко и полно этот вопрос был изучен проф.Макаровым А. Д.[33, 34].

Современная наука о резании располагает численными значениями оптимальных температур для значительной группы материалов изделия и режущих инструментов. В таблице 1.1 приведены некоторые значения оптимальных температур для инструментального материала Т15К6.

Достигнуть таких температур можно разными способами:

1. Путем выбора соответствующих режимов резания в процессе самой механической обработки.

2.Путем подогрева зоны резания с помощью других, дополнительных источников теплоты.

Значения оптимальных тешератур

Таблица 1.1

1 1 I Инструментальный | Обрабатываемый 1 1 | Оптимальн. |

| материал 1 1 1 материал I температ.,°С | 1 1

1 1 1 1 Сталь 10 1 ! 1 910 |

1 1 Сталь 20 | 770 |

1 1 Сталь 45 | 1000 |

| Т15К6 | У8А | 1000 |

1 1 40Х 1 750 |

1 1 12Х18Н9Т | 770 |

1 1 1 I 40ХНМА | 875 | | I

1.1 Нагрев припуска за счет режимов резания.

Как известно,процесс резания сопровождается интенсивным тепловыделением. Основными источниками тепла являются:

1.Зона контакта, режущего инструмента со стружкой Цп. Источником тепла является работа трения сходящей стружки о переднюю грань инструмента .

2. Площадка контакта режущего инструмента с обрабатываемой поверхностью детали Ц3.Ее источником является работа трения детали.о заднюю грань резца .

3. Область деформации сдвига,где происходит пластическое разрушение металла и формирование стружки 0,д . Источником теплоты является внутреннее трение между частицами обрабатываемого материала в процессе деформации.

Для определения количества теплоты,выделяемой в различ-

ных зонах имеются соответствующие формулы. Расчеты показывают, что даже при относительно невысоких скоростях резания порядка V = 60-80 м/мин температура сходящей стружки составляет 0С = 750°- 800° С.

Однако это не означает, что зона пластической деформации, охватывающая плоскость сдвига, где преодолевается со�