автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Обрабатываемость некомпактных материалов на железной основе с обеспечением технологического наследования эксплуатационных свойств

БЕЛОРУССКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ПОЛИТЕХНИЧЕСКАЯ „. - " АКАДЕМИЯ

УДК 621.91.01:621.762.8

ФЕЛЬДШТЕЙН Евгений Эммануилович

ОБРАБАТЫВАЕМОСТЬ НЕКОМПАКТНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ЖЕЛЕЗНОЙ ОСНОВЕ С ОБЕСПЕЧЕНИЕМ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО НАСЛЕДОВАНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ

05.03.01 — Процессы механической и физико-технической обработки, станки и инструмент

05.02.08 — Технология машиностроения

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Минск 1997

Работа выполнена в Белорусской государственной политехничес- . кой академии.

НАУЧНЫЙ КОНСУЛЬТАНТ -- академик АН Беларуси, доктор технических наук, профессор П.И.Ящерицын.

•ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ: доктор техн. наук, профессор

М.Ф.МИЦКЕВИЧ; '

доктор техн. наук, профессор М.Ф.ПАШКЕВИЧ;

доктор техн. наук, профессор Н.В.СПИРИДОНОВ.

ОППОНИРУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ - Минский автомобильный

вавод

Защита диооертации состоится " 15 " апреля_ 1Э9? г. в

14 часов на заседании Совета по защите диссертаций ДЭ2.05.03 по присуждению ученой степени доктора технических наук в Белорусской государственной политехнической академии по адресу: 220027, Минск, пр.Ф.Скаршш, 65« корп.1, ауд„202.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке БГПА.

Автореферат разослан " У"

1997 г.

Ученый секретарь совета по защите диссертаций, кандидат техн. наук

В.И.КЛЕВЗОВИЧ

© Фельдштейн Е.Э., 1997

- 1 -

ОБЦАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность тены диссертации. Современные условия функционирования промышленности предопределяют необходимость принятия решений, связанных с применением оптимальных технологий изготовления деталей машин и оборудования о учетом ограничений сырьевой базы Республики Беларусь. В значительной степени решение этой задачи может быть обеспечено правильным выбором материала деталей, способствующим возрастанию срока их службы, а значит - сбережению материальных ресурсоЕ.

В настоящее время разработана широкая гамма специальных конструкционных материалов, которые отличаются особыми свойствами и технологией производства. К таким материалам относятся полученные методами порошкоеой металлургии — некомпактные. Среди многих технологий изготовления деталей из некомпактных материалов можно выделить две наиболее'распространенные: формировалие деталей непосредственно из порошков ,и нанесение порошкового материала на предварительно подготовленную поверхность заготовки. ' В первом случае наиболее распространены конструкционные, антифрикционные и инструментальные материалы на железной основе, имеющие ряд неоспоримых достоинств, среди которых возможность управления составом материала, обеспечение оптимальной структуры, экономия материала и другие. Материал деталей имеет сложные химический состав и микроструктуру, остаточную пористость, достигающую до 50% и более; наблюдается рассеивание прочностных характеристик детали. Изготовленные детали во многих случаях нуждаются в финишной механической обработке для удаления дефектного поверхностного слоя после закалки или ХТО, обеспечения требуемой точности, качества и износостойкости поверхности детали, формирования поверхностей сложной формы, которые нельзя получить в ходе прессования.

Второй вариант направлен на получение износостойких покрытий на ответственных поверхностях деталей машин и используется как для производства новых, так и для восстановления и упрочнения изношенных деталей в ремонтном производстве. Среди покрытий широко распространены материалы на основе железного порошка, причем, несмотря на разнообразие составов и способов нанесения, их объединяет сложность внутренних структур, высокая прочность, наличие пор в теле покрытия.

Эффективность использования некомпактных материалов опреде-

ляется условиями обработки деталей. Имеющиеся рекомендации по выбору рациональных режимоЕ обработки недостаточны и требуют дополнения с учетом появления новых материалов и областей их применения. Недостаточна информация о физических процессах в зоне резания и взаимосвязях между ними; об оптимальной геометрии и стойкости ряда режущих инструментов; технологиях обеспечения необходимого качества поверхностей деталей; обрабатываемости материалов при изменении химического состава и структуры. Отсутствуют сведения о технологической наследственности при обработке деталей из некомпактных материалов, т.е..вопроси влияния последовательности и условий технологических операций на работоспособность детали. Все это очень часто приводит к ошибкам при выборе технологии обработки детали, назначению режимов резалия и режущего инструмента и в результате — к экономическим потерям вследствие производственного брака и низких эксплуатационных свойств деталей.

Потребность решения комплекса научных и технологических задач на всех этапах обработки деталей из некомпактных ?катериалов создает важную научную проблему. Это определяет актуальность данной работы и необходимость ее выполнения.

Связь работы с крупными научными программами, тгшзки. Работа выполнена в соответствии с целевой научно-технической программой Совмина БССР - Минтракторсельхозмаша СССР; постановлением Комиссии президиума СМ Республики Беларусь по вопросам научно-технического прогресса (протокол N 5(123) ст 1 декабря 1993 г.); Государственной научно-технической программой фундаментальна исследований "МАТЕРИАЛ", раздел 56.

Цель и задачи исследования. Цель работы - рэпение научно-технической проблемы высокопроизводительной обработки некомпактных материалов на железной основе путем прогнозирования и управления их обрабатываемостью с технологическим наследованием эксплуатационных свойств деталей.

В соответствии с поставленной целью в работе решены следующие задачи:

1.. Теоретически и экспериментально раскрыты закономерности протекания физических процессов в зоне реванш'некомпактных'материалов; изучены явления на контактных площадках' инструмента, причины возникновения колебаний, характер и особенности теплообмена И ДР. 1 '

2. Выполнено прогнозирование показателей обрабатываемости

некомпактных материалов на'основе их химического 'состава, механических и теплофизических характеристик.

3. Выявлены условия работы резцов, сверл, разверток, метчиков, обеспечивающие требуемые стойкость режущих инструментов и' производительность обработки при высокой вероятности отсутствия отказов.

4. Раскрыт характер изменения сил резания, мощности и съема припуска при различных видах абразивно-алмазной обработки с учетом характеристики инструмента и особенностей состава и свойств материала детали.

б. Экспериментально и теоретически установлены основные закономерности формирования поверхностного слоя детали с заданными свойствами в зависимости от обрабатываемого материала и способа обработки.

6. Определен характер изменения точности обработанных поверхностей деталей из некомпактных материалов при различных видах обработки в зависимости от режущих инструментов и условий резания.

7. Установлены закономерности технологического наследования эксплуатационных свойств деталей из некомпактных материалов и разработай! математические модели для обеспечения оптимальных условий их лезвийной и абразивной обработки.

8. Разработаны нормативы режимов резания некомпактных материалов для их вирокого использования в промышленности.

Научная павиана получении* результате состоит в :

установлении закономерностей стружкообразования, контактных и колебательных процессов при резании некомпактных материалов;

определении характера теплообмена в зоне резания, направления тепловых потоков и уровня температур на площадках контакта и в теле детали;

выявлении закономерностей влияния состава некомпактного материала на его механические, теплофизические характеристики и особенности обрабатываемости резанием;

установлении физической природы изнашивания, критериев затупления различных типов режущих инструментов при лезвийной обработке и картины напряженного состояния в режущем клине;

определении особенностей абразивно-алмазной обработки деталей из некомпактных материалов, режущей способности кругов, характера изменения сил и мощности резания;

выявлении взаимосвязей режима резании, свойств обрабатываемого материала, его остаточной пористости и характера обработки при формировании топографии и свойств поверхностного слоя деталей из некомпактных материалов;

раскрытии роли технологической наследственности в получении деталей с заданным комплексом эксплуатационных свойств.

Практическая значимость полученных результатов заключается в: определении' рациональных инструментальных материалов, оптимальных геометрических параметров режущих инструментов, характеристик абразивных и алмазных кругов для обработки деталей из некомпактных материалов на железной основе;

устанорпении характера влияния условий обработки на основные показатели процесса — силы и температуры резания, закономерности колебаний, периоды стойкости режущих инструментов и их разрушение, шероховатость и наклеп обработанной поверхности детали;

разработке метода расчета основных параметров процесса обработки некомпактных материалов на основе сведений об их химическом составе, пористости и режиме резания;

получении математических моделей для расчета условий обработок исключающих разрушение режущего лезвия инструмента;

разработке технических ограничений и математических- моделей для расчета основных показателей обрабатываемости и оптимизации технологических операций лезвийной и абразивной обработки деталей из некомпактных материалов; . . .. ,,

создании нормативов режимов резания при точении, сверлении, развертывании, шлифовании.некомпактных материалов на железной основе.

Результаты работы внедрены в учебный процесс подготовки студентов машиностроительных специальностей вузов Республики. Беларусь. . , •

Экономическая значимость получении* результатов. Годовой экономический эффект от внедрения,результатов работы на предприятиях СССР и Республики Беларусь, составил: в 198Б г. - 42,7 тыс.руб.; в 1887 г. - 32,5 тыс.руб.; в 1988 г. - 40 тыс.руб; в 1992 г. - 35 тыс. руб; в 1996 г. -.86,.млн. руб. . .

Разработанные в диссертации нормативы режимов резания и . математические модели могут быть использованы в качестве коммерческого продукта. .1 .,.;.„•

Основные положения диссертации, выносимые на защиту. Автор защищает разработку научных основ высокопроизводительной обработки деталей из некомпактных материалов на железной основе, включа-вщих"совокупность моделей и алгоритмов для прогнозирования их обрабатываемости с обеспечением технологического наследования эксплуатационных свойств деталей, содержащих:

1. Результаты теоретических и экспериментальных исследований закономерностей стружкообразования, изменения сил резания, колебательных процессов, характера теплообмена в зоне резания некомпактных материалов на железной основе.

2. Математические модели для расчета механических, теплофи-зических характеристик некомпактных материалов и основных показателей их обрабатываемости ка основе сведений о химическом составе, остаточной пористости и режиме резания.

3. Сведения о закономерностях изнашивания, критериях затупления, периодах стойкости режущих инструментов при обработке некомпактных материалов с учетом возможности разрушения режущего лезвия.

4. Результаты теоретических и экспериментальных исследований работоспособности шлифовальных кругов, интенсивности процесса шлифования и сил резания при абразивно-алмазной обработке некомпактных материалов.

5. Результаты исследований показателей качества обработанной поверхности, в том числе ее топографии, напряженного состояния поверхностного слоя, его микротвердости и тонкой структуры, износостойкости, а также точности обработки.

6. Математические модели оптимизации режима резания при различных видах лезвийной и абразивной обработки деталей с учетом технологического наследования эксплуатационных, свойств.

7. Обобщенные карты обрабатываемости некомпактных материалов, позволяющие обеспечивать рациональные условия лезвийной и абразивной обработки деталей.

Личный вклад соискателя. При выполнении работы соискателем выполнено:

исследован характер стружкообразования, уровень сил резания, контактных нагрузок и напряжений, закономерности возникновения колебательных процессов, характер и закономерности теплообмена и другие физические процессы при обработке деталей из некомпактных материалов на железной основе;

разработаны математические модели для расчета основных механических . и теплофиэических свойств некомпактных материалов и показателей обрабатываемости на основе сведений об их химическом составе, остаточной'пористости и режиме резания;

установлены критерии затупления различных типов режущих инс- -трументов при лезвийной обработке и уровни их стойкости, .а также особенности напряженного состояния в режущем клине;

изучены работоспособность шлифовальных кругов, производительность процесса шлифования" и силы резания при абразивно-алмазной обработке некомпактных материалов; .

выявлены особенности формирования обработанной поверхности детали, в том числе ее топографии, напряженного состояния в поверхностных слоях, их микротвердости, тонкой структуры и других параметров;

установлены закономерности технологического наследования свойств при обработке некомпактных материалов, роль условий обработки в этом процессе и их влияние на обеспечение высоких эксплуатационных характеристик детали;

предложены системы технических ограничений и разработаны модели для оптимизации технологических процессов лезвийной и абразивной обработки деталей из некомпактных материалов;

разработаны нормативы режимов резания некомпактных материалов, вошедшие в справочник "Режимы резания металлов". - М., 1995.

Апробация результатов диссертации. Основные положения и результаты работы доложены на ряде научно-технических конференций и семинаров, в том числе на 18 Международном симпозиуме в Зелена Гура (1996), на международных конференциях "Изностойкость ма- * шин"(Брянск, 1996), "Совершенствование процессов финишной обработки в машино- и приборостроении, экология и защита окружающей среды" (Минск, 1995),. " 51 юбилейная конференция БГПА" (Минск, 1995), "Отделдано-упрочняющая обработка в машиностроении"(Минск, 1994), "Теплофизика технологических процессов"(Рыбинск, 1992); всесоюзных научно-технических конференциях "Технологическая теплофизика" (Тольятти, 1988), "Интенсификация технологических процессов механической обработки"(Москва, 1986), "Новые конструкции и прогрессивная технология производства инструмента"(Моа за, 1984), "Исследование и разработка теоретичеашх проблем в области порошковой металлургии и защитных покрытий"(Минск, 1984); республиканских научно-технических конференциях "Пути повышения качест-

ва и технического уровня большегрузных автомобилей" (Шнек, 1995), "Современные материалы, оборудование и технология упрочнения и восстановления деталей машин"(Новополоцк, 1995), "Новые материалы и технологии"(Минск,1996) и др.

Опублнкованность результатов. По теме диссертации опубликовано свыше 80 работ, среди которых монография, учебник, справочник по расчету режимов резания, три учебных пособия, 5 авторских свидетельств на изобретения.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, девяти глав, выводов, списка использованных источников из 233 наименований и приложения. Работа содержит 425 страниц, в том числе 196 страниц машинописного текста, 159 рисунков, 54 таблицы. Приложения содержат 15 страниц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В глрвой главе рассмотрены области применения современны., некомпактных материалов и особенности их обработки. На долю конструкционных и антифрикционных материалов, а также износостойких покрытий приходится свыше 60% общего объема выпуска, причем наибольшая доля -- у материалов на железной основе. До настоящего времени наибольшее внимание в литературе уделяется механической обработке антифрикционных материалов, твердых сплавов инструментального назначения, а также самофлюсующихся твердых сплавов, на хромо-никелевой основе, используемых в качестве покрытий.

Анализ системы резания некомпактного материала и ее внутренних взаимосвязей поззолил заметить ограниченность информации об общих закономерностях протекания физических процессов в зоне резания. Не изучена роль легирующих элементов некомпактного материала в его обрабатываемости. Недостаточно рассмотрены закономерности абразивной обработки. Нет сведений о точности обработки де-тачей, возможностях использования ряда технологических операций. Эффективность обработки изучается только с позиций стойкости инструмента. Исследования качества поверхности деталей ограничены рассмотрением шероховатости поверхности и, в незначительном числе работ, - микротвердостью поверхностного слоя после точения. Между тем, улучшение или хотя бы сохранение исходных сеойств некомпактного материала особенно важно, поскольку предопределяет работоспособность детали в ходе эксплуатации. Отсутствие обоснованных.

рекомендаций чаото приводит к неправильному выбору технологии бб-работки детали, назначению режимов резания и режущего инструмента и в результате ~ к экономическим потерям. На основании изложенного сформулированы цель и задачи работы.

Во второй главе описано материальное, метрологическое и методическое обеспечение исследований. Рассмотрены мягкие спеченные материаш - чистое железо и композиции железо-графит; железо-графит-медь; желево-графит-медь-сера; материалы инструментального класса высокой твердости 20Х9п. и Х12п, а также износостойкие покрытия f на основе феррованадия и фёрроборз, наносимые электромагнитной наплавкой, и плазменные покрытия типа ХТН-23. Для исследований использовались резцы различных конструкций из твердых сплавов групп ВК и ТК, безвольфрамовых твердых сплавов, минералокера-мики, композитов 10 и 01; сверла, развертки и метчики из стали PGM5; абразивные и алмазные круги различных характеристик. Для оптимизации геометрических параметров режущих инструментов применялся метод крутого восхождения. При проведении экспериментальных исследований попользовались универсальные и модернизированные металлорежущие станки, а также специальные установки для магнитно-абразивной обработки и шлифования кругами на полимерной связке. Подробно представлены сведения о приборном обеспечении и разработанных устройствах для исследований физических процессов в зоне резания. Эксперименты выполнялись в соответствии с матрицами полных и дробных факторных планов; использован также метод ЛПт последовательностей, обеспечивающий наиболее равномерное расположение точек в факторном пространстве. -

В третьей главе рассмотрены физические процессы, происходящие в зоне резания некомпактных материалов. Установлено, что общие закономерности стружкообразования и влияние на них условий обработки подобны известным для монолитных сталей, однако стружка образуется более хрупкая, а относительный сдвиг, угол сдвига, степень деформации стружки, длина контакта стружки с передней поверхностью инструмента несколько меньше. Уровень сил резания при обработке железо-графитовых материалов на 10-20% ниже, чем близких по составу монолитных сталей, а при обработке твердых материалов - выше. Влияние скорости обусловленно свойствами пары "инс-трументальный-обрабатываемый материал" и характером наростообра-зования. Исследование контактных нагрузок и напряжений выполнялось с помощью разработанной методики их расчета на основе анали-

за закономерностей изменения сил Р?, и Рц при изменении условий резания. При резании некомпактных материалов контактные нагрузки и напряжения возрастают в 1,5 - 2 раза по сравнению со сталями.

Установлено, что существенную роль в процессе отделения срезаемого слоя играет остаточная пористость. При резании мягких материалов с увеличением пористости.до 15-20% уменьшаются механические характеристики и истинное металлическое сечение среза материала, следовательно, - и усилие деформации. Кроме того, в материале могут содержаться антифрикционные включения, а в порах — частицы масла, также способствующие уменьшению сил резания. При резании же высокоплотных закаленных материалов силы резания возрастают, поскольку поры служат барьерами, гасящими движение трещин разрушения.

Колебания в зоне резания в значительной степени определяют качество обработанной поверхности и характер разрушения режущего лезвия. Закономерности изменения колебаний в зависимости от условий токарной обработки исследованы с помощью разработанной математической модели их возникновения в зоне резания. Модель рассматривает случай консопьно закрепленного вала и учитывает действие сил инерции, демпфирования, упругости и резания. Движение оси детали в плоскости Y0Z при точении, считая зону резания расположенной на расстоянии х - 1 от места закрепления, описывается системой дифференциальных уравнений

a?y(t) sy(t)

m-— + но—— + Cyy(t) - Py(t) ;

bt*- ot

a2z(t) fe(t) m -г— + H0-— + Czz(t) - Pz(t) ,

atz at

где m - приведенная масса системы;, у и z - функции времени t и длины х (вдоль оси X); но " обобщенный коэффициент сопротивления; С - обобщенный коэффициент жесткости; Py(t), P2(t) - операторы сил Ру и Pz.

Доказано, что характер колебаний в значительной степени определяется остаточной пористостью. Она мсжет вызвать увеличение амплитуды колебаний- в 5-10 раз по сравнению с резанием монолитных сталей. Установлено существование скоростей резания, при которых частота колебаний державки резца совпадает с частотой соударений режущего лезвия с краями пор, в результате чего возникает peso-

нанс и резко возрастает амплитуда колебаний. Диапазон резонансных скоростей для твердых материалов лежит в пределах 25-40 м/мин и может быть найден, как

1,е-10"3г/(Е1/т) т

где г - радиус крупной поры, равный половине толщины среза, мм;

Е- модуль упругйсти материала державки, МПа; I - момент инерции поперечного сечения державки, мм4; ш - погонная масса державки, г/мм; Р - остаточная пористость (в диапазоне 2,5 - 10%); 1 - вылет державки,, мм.

По уровню амплитуд и <1&стот колебаний в зоне резания можно оценить изменение сил резания и коэффициент вариации us внутренних напряжений в режущем лезвии:

Ь!.. - 0,2051°' °31S-0. 872у0, 0£в„,-0, 550

где t, S, v - глубина, подача и скорость резания; — главный угол в плане.

Проведены исследования тепловых процессов при обработке некомпактных материалов с помощью методов источников и конечных элементов. Первый из них позволил рассчитать интенсивность и направление тепловых потоков, образующихся в зоне реьания и температуры на передней и задней поверхностях инструмента в зависимости от скорости резания, подачи, глубины резания, износа инструмента и свойств пары "инструментальный-обрабатываемый материал". Установлено, что тепловой баланс при точении некомпактных материалов близок к балансу при резании труднообрабатываемых сталей, в инструмент при этом уходит до 20Z общего количества теплоты. Наиболее значительный поток.теплоты отводится в стружку. Его интенсивность и уровень температур во многих случаях столь велики , что достигается температура плавления обрабатываемого материала и возможно оплавление стружки. Высокие (800 °С и более) температуры на задней поверхности резца вызывают фазовые превращения и образование микротрещин па обработанной поверхности.

Моделирование закономерностей теплообмена методом конечных элементов основано на условии равновесия теплового потока в любой момент времени. Решение дифференциального уравнения теплопроводности в данном случае заменено приближенным решением вариационной

задачи

П - [о,5САх(й9/Эх)?'+Лу(Эв/йУ)(50/дг)+ |ваус1У -v v

- - $»¡¡31,

3

а уравнение равновесия в матричной форме имеет вид

С(8)8(Т; + Л(9)6('С) - Ц(т),

где Хх, Ху, \2 - коэффициенты теплопроводности в направлении соответствующих координат; qv - количество- теплоты, поступающей к единице объема материала в единицу времени; а2 - количество теплоты, передаваемой через единицу поверхности в единицу времени; 01 и С>1 - температура и количество теплоты от концентрированных источников энергии; Л(8) - матрица теплопроводности; Ц - вектор подводимой к узлам теплоты, равный С} - С^+Оз+Ос; С>у и Оз - векторы тепловых потоков, соответствующие плотностям тепловых потоков qv и ц^; Ос - вектор концентрированного подвода теплоты в узловых точках; С(0) - теплоемкость материала, зависящая от его плотности р, объема V и удельной теплоемкости с(8); т- время.

В ходе выполнения расчетов на ЭВМ решачасъ нелинейная нестационарная задача. Максимальная интенсивность теплового потока в вершинной точке контакта принималась равной

Стах - оМгг/ЭД-егПИз).

Установлены закономерности распределения температур на контактных площадках, в режущем клине инструмента и в поверхностных слоях детали. Предложены регрессионные модели,, учитывающие условия обработки,' в том числе нелинейность изменения свойств матери-' алов инструмента и детали и время их контакта. Выполненные исследования послужили основой для физического моделирования процессов трения и изнашивания в зоне резания. Разработанная методика позволила учесть реальные условия трения на контактных площадках и установить физическую природу изнашивания резцов в процессе обработки твердых некомпактных материалов.

Внедрение новых материалов в производство сдерживается отсутствием сведений об их обрабатываемости. В работе предложен

путь решения этой проблемы на основании использования математических моделей, базирующихся на особенностях химического состава материала, известных на стадии его разработки. Разработанные модели с высокой достоверностью (коэффициент множественной корреляции 0,8-0,95) позволяют учесть влияние на модуль упругости, временное сопротивление, плотность и коэффициент теплопроводности содержания углерода(0-2%), серы(0-0,8%), фосфора(О-0,3%), ме-ди(0-4,5%), никеля(0-3,5%), хрома(0-3,1%), марганца (0-0,7%), кремния(О-5%), остаточной пористости(1-25%). Установлена роль легирующих элементов в формировании свойств материала. На основании термодинамических расчетов предложена математическая модель, позволяющая описать процессы формирования стружки и наростообразова-ния, рассчитать интенсивность пластических деформаций, форму" и направление движения стружки, угол сдвига, распределение напряжений на площадках контакта, удельную силу резания и температуру на передней поверхности в зависимости от свойств обрабатываемого материала, скорости резания и толщины среза. В частности, силу, действующую на единице длины режущей кромки в направлении скорости резания, можно определить, как

где ЕМ - мощность резания на единицу длины режущей кромки; v -скорость резания; а - толщина среза; с, р - теплоемкость и плотность обрабатываемого материала; 8С - температура на плоскости сдвига; ц - коэффициент трения на участке пластического контакта; к - предел текучести материала на сдвиг; л - угол пластического трения.

Уровни сил и температур резания при точении и крутящего момента при развертывании железо-графитовых материалов, рассчитанных на основании данных модели, отличаются от экспериментальных не более, чем на 20-24% при точении и 5-15% при обработке отверстий. По температурам на контактных площадках можно прогнозировать стойкость инструмента, воспользовавшись известным положением о постоянстве оптимальной температуры резания.

В четвертой главе исследованы особенности работы режущих инструментов при обработке некомпактных материалов. В ходе исследований раскрыто влияние свойств инструментального материала и элементов режима резания на характер и динамику изнашивания режу-

щих инструментов. Получены коэффициенты для оценки потенциальной работоспособности инструментальных материалов.' При обработке некомпактных материалов рекомендуются технологические критерии затупления: износ резцов не более 0,4 мм; сверл - 0,00с1 в районе уголков, разверток и метчиков - соответственно 0,2 и 0,3 мм в местах перехода режущей части в калибрующую. Предложены регрессионные модели для расчета стойкости режущих инструментов, установлены закономерности влияния на нее режима резания и инструментального материала. Важную роль при обработке мягких некомпактных материалов на железной основе играет их микроструктура. Наилучшая обрабатываемость у материалов с ферритной структурой, затем в порядке уменьшения стойкости следуют феррит+перлит и феррит+пер-лит+включения цементита. Соотношение между стоимостями можно оценить. как 1,3 : 1,0 : 0,7. Значительное влияние на стойкость ока-эывает также химический состав обрабатываемого материала. Влияние скорости резания на стойкость носит сложный характер, обусловленный природой изнашивания контактных площадок инструмента и его разрушением. Полученные с использованием метода ЖРС последовательностей план-проекции стойкс^ти режущего инструмента позволяют легко фиксировать' ее экстремумы при различных сочетаниях скорости резания и подачи.

Ресурс работы инструмента определяется не только его стойкостью, но и прочностью. Для анализа прочности инструмента выполнены исследования напряжений в его режущей части. Данный вопрос рассмотрен с помощью метода конечных элементов на примере многогранных пластин и резцовых вставок из композита 10 при точении материала 20Х9п. Установлена концентрация напряжений непосредственно в зоне контактных площадок, причем главное напряжение бпах монет превышать временное сопротивление инструментального материа-та. Распределение напряжений сжатия в резцовых вставках более жжное, чем в многогранных . пластинах. Вдоль главной режущей ромго! и в теле пластины выявлены зоны растягивающих напряжений, то свидетельствует о возможности возникновения зон концентрации апряжений и разрушения инструмента. Получены уравнения множест-?нной регрессии для расчета главных напряжений: а) в многогранных пластинах

- 0.477-10710'314гв"0'б35Ьв°-531;

- 14 -

6min - -0,819-104-°' 174sl.0e5rB-O.659haO.674v0.ZeE.

б) во впаянных поликристаллах резцовых вставок 6Ш - 0,129-l07t(''385S1'019rB-0'689ha0'834v-0'z29; 6min - O,685-lO4to'487SO'968rB-°'694hao-53iV0'101.

На напряженное состояние в теле пластин оказывают одновременное воздействие силовой и тепловой факторы процесса резания. В резцовой встаиле уровень максимальные напряжений'в 2 раза выше по сравнению с многогранной пластинок, а минимальные напряжения ив сжимающих преобразуются в растягивающие. Стохастический характер процессов разрушения инструмента .вызывает необходимость прим'л:е-ния вероятностного подхода при оценке прочности инструмента, получены модели для расчета нормативного коэффициента запаса хрупкой прочности твердых сплавов

СПЗ - l.sepcw)0'427^0'13^1-130,

композитов 10 и 01

in] - 2,15P(W)z'Z8STH°'317f0'343.

Установлено, что на возрастание вероятности безотказной работы P(W) от 0,5 до 0,9 увеличивает нормативный коэффициент запаса хрупкой прочности пластины в 1,2-1,25 раза; возрастание нормативного периода стойкости Тн в 10 раз возможно при увеличении коэффициента запаса хрупкой прочности на 25-30Z. Возникновение автоколебательных процессов и рост частоты колебаний f требует увеличении нормативного коэффициента запзса в 1,6-1,8 раза. В наиболее распространенном случае (P(W) - 0,7; Т - 30 мин) нормативный коэффициент запаса хрупкой прочности СпЗ для твердых сплавов равен примерно 2,2-2,5, а для композитов, в силу большего рассеивания их прочностных свойств,- 4,8-5,0. С помощью метода конечных элементов 'были рассчитаны главные и эквивалентные напряжения в пластинах из композита 10 при точении закаленного материала 20Х9п. На основании соотношения бь/Сп] > бакв ^а*, определены границы изменения режимов резания и износа резца для конкретных

- 15 -

условий обработки, исключающие разрушения режущей кромки.

В пятой главе рассмотрены технологические закономерности аб-разиЕно-алмазной обработки некомпактных материалов. Установлено, что потеря работоспособности круга чаще всего происходит из-за его засаливания. Период приработки заканчивается в первые 3-5 мин работы круга, а затем наблюдается постепенное равномерное изнашивание. При шлифовании железо-графитовых материалов, обладающих достаточно высокой вязкостью, частицы стружки внедряются в поры круга, наслаиваются друг на друга, и через 10-12 мин работы почти полностью заполняют поры, способствуя возникновению вибраций и ухудшению шероховатости обработанной поверхности. В ходе.исследования эффективности различных составов СОЖ установлено, что засаливание поверхности круга значительно снижается в случае обильной подачи в зону резания масла И-20 с добавлением 10% керосина. Однако вследствие токсичности этой СОЖ в последующих исследованиях применялся 5%-ный раствор эмульсии.

Установлено, что существенное влияние на работоспособность круга оказывает поперечная подача. При малых ее значениях (менее 0,008 мм/дв.х). нагрузка на зерна незначительна и не может вызвать самозатачивание, круга. При подачах свыше 0,02 мм/дв.х наблюдается быстрое засаливание круга. Лучшая работоспособность отмечена у круга 25А40ПСМ15К6. Относительно крупное зерно в данном случае способствует лучшему размещению стружкй и хорошему очищению рабочей поверхности круга от отходов. Восстановление работоспособности круга обеспечивается принудительной алмазной правкой. Наивыгоднейшая продольная подача при правке - 0,8-1,0 м/мин.

Показано, что характеристика шлифовального круга, элементы режима резания и схема шлифования значительно влияют на силы резания. При плоском шлифовании наименьшие силы требуются при использовании злектрокорунда белого, они возрастают при работе кругами из карбида кремния или легированного электрокорунда. При круглом шлифовании минимальные силы обеспечиваются при использовании кругов из карбида кремния. Данные закономерности, очевидно, связаны с различиями в единичных толщинах среза и уровнях локальных температур в зоне шлифования. При увеличении твердости круга силы резания возрастают, влияние зернистости носит сложный характер. Силы выше при использовании малых зернистостей (6) и сравнительно крупной (40), а для зернистостей 20, 25 имеют минимальное значение. Свойства обрабатываемого материала влияют на силу шли-

фования аналогично их воздействию при лезвийной обработке. В'целом минимальный уровень сил при круглом.шлифовании достигается при Sn - 0,005-0,007 мм/дв.х, Snp - 0,7-1,0 м/мин; при плоском шлифовании - при 1 - 0,006-0,01 мм/дв.х, S - 0,7-1,0 м/мин; vA -6-8 м/мин. Отсутствие СОЖ повышает радиальную силу резания до 1,5 раа при незначительном изменении главной силы шлифования.

Производительность обработки износостойких покрытий из фер-росплавоЬ оценивалась по величине съема припуска за постоянный промежуток времени, а также отклонением снятого припуска от номинального значения. В ходе анализа регрессионных моделей установлено, что наиболее приемлемы при шлифовании таких покрытий мягкие круги из электрокорунда. При их использовании достигаются рациональные периоды стойкости, они менее склонны к адгезии и меньше засаливаются. По сравнению с кругом из карбида кремния зеленого стойкость их выше примерно в 1,2-1,5 раза и составляет 18-25 мин. Из рассмотренных характеристик абразивных кругов наилучшие результаты по производительности шлифования феррованадия получены для круга 25А40НС25К6, а ферробора - 24А25НСМ17К5. Определяющим фактором является твердость круга. Указанные характеристики кругов рациональнее использовать при черновой обработке.

Установлено, что при магнитно-абразивном полировании покрытий из ферробора рациональный съем составляет до 30 мкм на диаметр, а из феррованадия - до 40 мкм. При обработке кругами на полимерной связке съем не более 20 мкм. Производительность этих процессов в значительной степени определяется условиями.предшествующей обработки - характеристикой круга и режимом шлифования.

При шлифовании плазменных покрытий типа ХТН-23 из вариантов работы абразивного круга наиболее приемлем режим полного самозатачивания, в других случаях требуется частая правка. Рекомендуется использование мягких кругов из карбида кремния зеленого, алмазные же круги при черновой обработке • таких покрытий работают значительно хуже абразивных. При чистовом шлифовании работоспособны алмазные круги АС4 80/63 4 Б1 при скоростях шлифования не более 15 м/с. Работа на более высоких скоростях вызывает возрастание температуры шлифования и циклических нагрузок на круг, что повышает.Нестабильность процесса и интенсивность изнашивания круга. С возрастанием продольной подачи увеличивается интенсивность съема при одновременном возрастании сил резания и мощности. Поэтому, поскольку при чистовой обработке лимитирует не съем, а ка-

чество поверхности, уровень продольных подач следует ограничивать значением 1,0 м/мин. Поперечные подачи не должны превышать 0,007 мм/дв.х во избежание повышенного износа круга, возникновения вибрации и огранки на обработанной поверхности. Рекомендуемая ССЯ -масло И-20.

В шестой главе рассматриваются топография обработанной поверхности деталей из некомпактных материалов и формирование поверхностных слоев с заданными свойствами. Наибольшее влияние на шероховатость поверхности, обработанной лезвийными инструментами, . оказывает подача, с возрастанием которой высота микронеровностей резко возрастает. Установлено, что существует диапазон подач, при котором Ра невелика и практически постоянна, либо имеется ее минимум. Это обусловлено оптимальным сочетанием процессов, происходящих в зоне резания. Регомендуемые подачи для чистового точения - не более 0,08 мм/об.

В значительной степени топографию обработанной поверхности определяют свойства обрабатываемого материала, в частности наличие антифрикционных присадок. В процессе точения наблюдается процесс бокового смятия, при высоких скоростях резания вследствие размягчения тонких поверхностных слоев возможно закрытие пор. Влияние скорости резания на шероховатость носит немонотонный характер, обусловленный в первую очередь условиями наростообразова-ния и разрушениями режущих кромок. Минимальная высота микронеровностей обеспечивается при следующих скоростях резания: ЖГр2 -140-160 м/мин; ЖГр1ДЗ - 120-160 м/мин; ПЖ 10-63 - 100-120 м/мин; ЖГр1,2Д2,5К0,8 - 90-110 м/мин; 20Х9п - 90-120 м/мин. Установлено, что после точения износостойких покрытий топография обработанных поверхностей весьма неблагоприятна, .возможны образование чешуйча-тости, сетки микротрещин, нарушения сплошности поверхности.

Характер изменения микротвердости и глубины наклепа поверхностного слоя зависит от конкретного сочетания условий токарной обработки. Выявлено, что эти параметры увеличиваются с ростом подач и скоростей резания. В поверхностном слое детали образуются остаточные напряжения, доходящие до 800 МПа. Наиболее высоки они при отрицательных передних углах, толщинах среза свыше 0,10 мм и значительных Износ,ах резца. При одинаковых условиях резания возникающие сжимаюшие главные напряжения в 2-3 раза выше растягивающих. Относительная плотность поверхностного слоя изменяется в пределах -5...+ЗХ от номинального уровня. Для материалов в зака-

ленном состоянии наблюдается возрастание микротвердости в 1,3 раза при скоростях резания, вызывающих резонанс и возникновение вибраций. Напряжения сжатия в поверхностном слое по мере роста скорости резания уменьшаются и при скоростях свыше 160 м/мин переходят в растягивающие,' способствуя образованию микротрещин на обработанной поверхности. Благоприятная тонкая структура поверхностного слоя образуется при работе со. скоростями резания свыше 70 м/мин, подачами и глубинами менее 0,08 мм/об и 0,1 мм.

При исследовании процесса развертывания установлено, что высота микронеровностей при работе с эмульсией ниже по сравнению с использованием масла и работой без СОЖ. Возрастание скорости резания и подачи вызывает ухудшение параметров шероховатости; при использовании кольцевой заточки шероховатость уменьшается в 1,2-1,4 раза. При малых скоростях резания (до 5 м/мин) шероховатость поверхности стабильна, при росте скорости отмечается рассеивание высоты микронеровностей. Достижимый уровень Ra находится в пределах 0,12-0,20 мкм.' Выявлено, что микротвердость поверхностного слоя после развертывания слабо коррелировала с уровнем режимов резания и углами заточки, но зависит от состава технологической среды и износа развертки. Степень упрочнения поверхности достигает 2,0.

Выявлено, что при шлифовании железо-графитовых материалов мелкозернистые круги неработоспособны, круги с размером зерна 50 и выше не обеспечивают требуемой шероховатости поверхности. Наилучшие результаты при круглом шлифовании достигаются кругом 25А40ПСМ16К5, при плоском - 25А25ПСМ27К5. Эффективность работы кругов снижается в направлении электрокорунд белый -» карбид кремния зеленый -* электрокорунд нормальный. Высокая работоспособность кругов обеспечивается только при использовании СОЖ (5%-ной эмульсии). Работа без СОЖ вызывает быстрое засаливание круга, ухудшает шероховатость обработанной поверхности в 1,2-1,25 раза. Наиболее благоприятная топография шлифованной поверхности формируется в случае использования невысоких продольной и поперечной подач, скорости вращения детали и числа проходов выхаживания 2-3. С возрастанием режимов шлифования возможно появление налипав, микротрещин. При скоростях детали СЕЫше 30-35 м/мин отмечено впрессовывание микростружек в крупные поры на обработанной поверхности.

Установлено, что в процессе шлифования покрытий из ферросплавов влияние режимов резания и условий выхаживания аналогично

рассмотренное выше. С учетом всех параметров шероховатости обработку ферросплавов наиболее рационально осуществлять кругами типа 2А25Ш7К5, При шлифовании плазменных покрытий типа ХТН-23 алмазными кругами наилучшие результаты обеспечиваются при использовании мелкозернистых кругов на металлической связке. Для зльборовых кругов рекомендуется керамическая связка. С возрастанием скорости резания шероховатость снижается, причем наиболее интенсивно при скоростях до 20 м/с; в дальнейшем возрастает количество дефектных участков на обработанной поверхности. Попле магнитно-абразивной обработки покрытий из ферросплавов и полирования кругами нз полимерной связке шероховатость поверхности по параметру Яа снижается более, чем в 2 раза, находясь в пределах 0,4-0,5 мкм и 0,3-0,4 мкм соответственно для феррованадия и ферробора.

В седьмой главе рассмотрена точность лезвийной и абразивной обработки деталей из некомпактных материалов. В работе определены относительные линейные износы при обработке железо-графитовых материалов, используя которые можно рассчитать точность обработки, прогнозировать промежуточные подналадки оборудования и т.д. Точность сверления отверстий в железо-графитовых материалах невелика и соответствует 13-14 квалитетам. Относительное снижение разбивания наблюдается при работе с высокими (свыше 30 м/мин) скоростями резания и малыми (менее 0,06-0,08 мм/об) подачами. На разбивание отверстия влияет также вылет сверла: использование'сЕерл длинной серии вызывает его увеличение на 15-20% по сравнению со сверлами средней серии.

В ¡сачестве основных показателей точности обработки при развертывании отверстий в деталях из некомпактных материалов принимались разбивание и отклонения от круглости. Установлено, что уровень и рассеивание разбивания уменьшаются в направлении "работа без охлаждения -» с маслом -» с эмульсией" соответственно в 2 и 3-5 раз. Разбивание существенно зависит от износа разверни!, причем характер этой зависимости обусловлен соотношением между уровнями скоростей резания и подач. При малых подачах разбивание положительное, при больших подачах по мере износа инструмента отмечается "усадка" развернутого отверстия. Действие скорости резания на разбивку также неоднозначно. При малых их значениях наблюдается "усадка" отверстия, при больших - разбивание. В целом в условиях, рекомендуемых для чернового развертывания (v - 10-12 м/мин; 3 - 0,5-0,7 мм/об), рассеивание разбивания соответствует 7-8 ква-

ли?етам точности, а для чистового (v - 5 м/мин; S - 0,1 мм/об) -6-7 квалитетам. Получены математические модели для расчета среднего разбивания при развертывании. Погрешности формы отверстия при возрастании подачи увеличиваются, а с ростом скорости -уменьшаются. Погрешность формы развернутой поверхности в большинстве случаев - огранка с числом граней 2+1, где z - число зубьев развертки.

Показано, что в отличие от резьб, нарезаемых в деталях из монолитных материалов, при обработке некомпактных материалов наблюдается не разбивание, а "усадка" размеров резьбы, что связано с повышенными упругими свойствами некомпактных-материалов. С увеличением скорости резания от 3.7 до 25,6 м/мин точности резьбы снижается в 1,5 раза, уменьшается разбивание шага резьбы, но увеличиваются приведенные к диаметру ошибки шага и половины угла профиля. Размеры резьбы зависят от диаметра отверстий под нарезание. Наиболее высокая точность получена при использовании отверстий диаметром dc - 0,855d. Наилучшие условия для обеспечения высокой точности резьбы - нарезание с принудительной осевой подачей по резьбовому копиру. Уровень скоростей резания не должен превышать 10 м/мин. В качестве технологическиой среды следует использовать 10-20%-ные растворы Аквола-2 в воде и масло МР-4.

Точность деталей из некомпактных материалов после абразивной обработки исследовалась применительно к электромагнитным к плазменным покрытиям. Установлено, что после шлифования в поперечном сечении детали возникает огранка, что связано с соотношением частот автоколебаний и вращения детали. Отклонения от круглости снижаются с увеличением продольной и поперечной подач' и числа проходов выхаживания и увеличиваются с ростом скорости детали. При шлифовании феррованадия они меньше, чем при шлифовании ферробора. Поперечная волнистость зависит от режимов обработки в значительно меньшей степени, чем отклонения от круглости. Она увеличивается с ростом продольной и поперечной подач и снижается с ростом скорости детали и числа проходов выхаживания. При повышенном износе абразивного круга наблюдаются значительные скачки сил и мощности резания, резко возрастает огранка вследствие возникновения Еибра-ций. В широком диапазоне режимов шлифования отклонения от круглости не превышают 1/3, а поперечная волнистость - 1/4 поля допуска 7-го квалитета. Установлено, что при дополнительной магнит-ноас?разиЕной обработке или использовании кругов на полимерной

связке отклонения от круглости снижаются примерно в 1,5 раза, а абсолютная величина погрешностей не превышает 3-5 мкм.

В восьмой главе рассмотрены технологическая и эксплуатационная наследственность при обработке некомпактных материалов и оптимизация условий обработки. Наиболее существенным фактором являются условия выхаживания при шлифовании. С возрастанием числа проходов выхаживания снижается, шероховатость обработанной поверхности. Это отчетливо проявляется как при шлифовании железо-графитовых материалов, так и при обработке износостойких покрытий. Еы-хаживание необходимо заканчивать до того, как будет полностью снят натяг в технологической системе. Установлено, что вследствие повышенной демпфирующей способности исследуемых материалов достаточно выполнить 3-4 прохода. Вторым по степени влияния на качество поверхностного слоя являются условия правки круга. Предпочтительна празка алмазным инструментом, обеспечивающая создание на периферии круга регулярного и достаточно острого режущего рельефа. Использование других методов правки делает этот рельеф гораздо более грубым, приводя к ухудшению шероховатости шлифованной поверхности. Параметр шероховатости Ра при неправильно выбранных условиях правки возрастает в 2,2-2,7 раза, а шаг микронеровностей профиля - более, чем в.2 раза.

Определенную роль в технологическом наследовании свойств играет исходная шероховатость поверхности заготовки, однако она оказывает влияние только на черновые переходы цикла шлифования, тогда как в ходе окончательной обработки формируется топография поверхности, присущая собственно выполняемой операции. Поскольку при обработке покрытий переходов шлифования немного, и учитывая тот факт, что шероховатость рабочих поверхностей деталей машин оказывает влияние на их долговечность и надежность работы, определяя фактическую опорную поверхность контактирующих тел, необходимо вводить в технологический процесс дополнительную операцию чистового шлифования или отделочно-упрочняющей обработки. Эту операцию ^целесообразно выполнять с использованием инструментов повышенной эластичности. Установлено, что их использование позволяет существенно снизить не только микронеровности обработанной поверхности, но и погрешности ее формы, в первую очередь поперечную волнистость. При использовании таких эластичных инструментов, как полировальные шкурки, шлифовальные круги на эластичных связках (ПАО) и абразивные частицы, зафиксированные в магнитном поле

(МАО) шероховатость обработанной поверхности уменьшается более чем в 2 раза, а отклонения от круглости обработанной поверхности - до 1,5 раза.

Технологическое наследование сеойств поверхностного слоя тесно связано с режимами предшествующей обработка. Съем металла определяется ими в той степени, в какой они определяют исходную шероховатость поверхности — при более высокой исходной шероховатости съем возрастает за счет удаления микронеровностей значительной высоты. Выявлено, что увеличение съема в ходе магнитно-абразивной обработки приводит к снижению шероховатости обработанной поверхности, а в ходе полимероабразивной - к ее увеличению. Последнее обстоятельство связано с уровнем эластичности инструмента. Абразив в магнитном поле обладает более высокой эластичностью, чем абразив в связанном состоянии в случае использования кругов на полимерной связке. В течение цикла обработки такой круг не только удаляет микронеровности предшествующей обработки, но и формирует новый микрорельеф поверхности. Установлено, что проявления технологического наследования свойств при обработке некомпактных материалов полностью согласуются с известными закономерностями при обработке материалов монолитных.

Износостойкость поверхности детали является одним из ее ос-нозных эксплуатационных показателей. В результате аналгза износостойкости материалов ЖГр1ДЗ и ЖГр1,2Д2,5К0,8, обработанных резцом из твердого сплава ВК6, получены уравнения для расчета интенсивности абразивного изнашивания в зависимости от параметра шероховатости Ка и микротвердости обработанной поверхности. Износостойкость возрастает с ростом микротвердости, которая служит ре-эулътирущей характеристикой наклепа поверхностного слоя.

Зависимость эксплуатационных свойств детали от технологической наследственности наиболее целесообразно рассматривать применительно к обработке деталей с износостойкими покрытиями, которые подвергаются черновой и чистовой обработкам и должны иметь достаточно высокую (требуемую) работоспособность. Результаты испытаний показали, что покрытия из ферробора имеют износостойкость в 1,2-1,4 раза более высокую, чем из феррованадия. Режим обработки оказывает влияние на износостойкость поверхностного слоя, но значительно меньшее, чем состав покрытия. Из элементов режима шлифования наиболее существенно воздействие поперечной подачи. Установлена связь между микротвердостью Нт(ГПа) и относительной изно-

состойкостью J(%) электромагнитных покрытий в условиях абразивного изнашивания: для феррованадия и ферробора соответственно

J - ЕХР(1,97 + О.ЗСНщ) и J - ЕХР(3,73 + 0,13Нт).

Ijh анализа влияния технологического нагпедозания свойств на износостойкость деталей с покрытиями громедекк сравнительные ускоренные испытания. Рассматривались три г.лосгба обработки ¡юкры-тия - чистовое шлифование, полирование и магнитно-абразивная обработка. Нанесенный слой покрытия подвергался предварительному шлифования и последующей чистовой обработке тем или иным способом до достижения шероховатости обработанной поверхности Ra - 0,63 мкм. В качестве эталона принята деталь из стали 45 в закаленном состоянии. Установлено, что магнитно-абразивная обработка вследствие оптимального сочетания процессов, происходящих в зоне реса-ния, имеет преимущества по сравнениг с полированием и шлифованием, обеспечивая повышение износостойкости поверхности детали на 10-15Х.

Определение режима резания является одной из наиболее важных задач при проектировании оптимальных технологических процессов механической обработки. При оптимизации режима резания необходимо учитывать сложные взаимосвязи между различными факторами, характеризующими процесс обработки. Совокупность таких связей между параметрами на входе и выходе образует математическую модель процесса обработки, в которой определение оптимальных режимов резания сводится к решению задачи математического программирования

F(X) -» min(max); Rj (х,) < Ri , i - ГГт; x e X,

где x - xi,...xn - набор искомых параметров; X - множество их целесообразных значений; Ri(x) - значение 1-й характгристики процесса резания в зависимости от набора х искомых параметров; Ri -заданное предельное значение i-1 характерноилси процесса резгчия; F(x) - принятый критерий оптимальности в зависимости от набора искомых параметров.

Сложность поставленной задачи и пути ее решения определяются свойствами множества X, функций F(x) и Ri(>:). На основании анализа результатов выполненных теоретических и экспериментальных исследований разработаны системы технических ограничений и целевые функции при точении, сверлении, развертывании, круглом и плоском

шлифовании исследованных материалов и рассмотрены конкретные варианты оптимизации.

В девятой главе рассмотрены практическое использование результатов исследований и их внедрение в промышленности. Разработаны карты обрабатываемости исследованных разновидностей некомпактных материалов на железной основе, позволяющие выявить наиболее существенные проблемы обработки на основе знания особенностей процесса обработки. Пример такой карты для анализа обрабатываемости износостойких покрытий приведен на рис. 1.

Предложено оценивать обрабатываемость нового материала на основании комплексного показателя, учитывающего одновременно два и более единичных. В этом случае коэффициент обрабатываемости равен

где VT, v13 - скорости резания, обеспечивающие требуемый период стойкости для нового и эталонного материалов; 0пЭ. On - n-й единичный показатель обрабатываемости (уровень сил резания, достижимая шероховатость обработанной поверхности и др;) эталонного и ноеого материалов при скоростях резания via и vt; уv - показатель степени в уравнении vt — Cv/Syv; уст - показатель степени при подаче в уравнениях для расчета единичных показателей обрабатываемости.

Данная методика определения коэффициента обрабатываемости защищена авторским свидетельством и использована при разработке нормативов режимов резания некомпактных материалов. Предложенные нормативы позволяют повысить производительность обработки либо снизить расход режущего инструмента при сохранении заданной производительности. Режимы и технология обработки деталей на некомпактных материалов внедрены на различных предприятиях авто-, тракторостоенип и авиационной промышленности стран СНГ и Республики Беларусь.

1. На основании обобщения теоретических и экспериментальных исследований, анализа и ' практическ 1 реализации их результатов решена научно-техническая проблема вк конроизводительной эффективной механической обработки пеком.: жтных материалом. Решение

Ко

ВЫВОДЫ .

Осномы* особы* с«ойст»а обрабатываемого материала

Рис. 1. Карта оораоативаемости износостойких покрытий на ж.'лезной основе

основыается на использовании комплекса математических моделей, обеспечивающих прогнозирование и управление обрабатываемостью с учетом технологического наследования эксплуатационных свойств деталей.

2. Раскрыты общие закономерности и взаимосвязи основных факторов процесса обработки с напряженным состоянием в зоне резания некомпактных материалов, особенностями трения на контактных площадка);, параметрами стружкооОразования. Установлено, что силы резания при обработке мягких железо-графитовых материалов в 1,1-1,2 раза ниже, а при обработке закаленных — в 1,2-1,4 раза выше, чем монолитных сталей, что приводит к росту контактных нагрузок и наряжений в 1,5 - 2 раза и вызывает образование сколов на режущих лезвиях. Остаточная пористость закаленного некомпактного материала способствует увеличению амплитуды колебаний в зоне резания в 5-10 раз по сравнению с обработкой монолитных сталей. Это связано с возникновением резонанса при совпадении частоты автоколебаний технологической системы с частотой соударений режущей кромки с краями пор, преимущественно в диапазоне скоростей резания 25-40 м/мик.

3. Выявлены особенности распространения потоков теплоты, определены закономерности изменения температур в зависимости от параметров обработки, а также их распределение на контактных площадках инструмента и в поверхностных слоях детали. При резании некомпактных материалов е инструмент уходит в два раза больше теплоты по сравнению с обработкой монолитных сталей. Плотности тепловых потоков и уровни температур при этом столь велики, чтс ^■зможно оплавление стружки, а также фазовые превращения и образование микротрещин на обработанной поверхности. Разработанные математические модели позволяют без проведения экспериментальных исследований с высокой адекватностью рассчитать основные свойства обрабатываемого материала и прогнозировать его обрабатываемость.

4. Определены условия работы режущих инструментов при точении, сверлении, развертывании и других видах механической обработки, обеспечивающие рациональные периоды их стоик:;ти. Установлен характер распределения главных напряжений в режущем клине и закономерности их изменения. В резцовой вставке с впаяным кристаллом из СТМ максимальные внутренние напряжения в 2 раза выше по сравнению со смежной многогранной пластиной и достигают 20 ГПа и более. Разработаны математические модели для расчета нормативных

коэффициентов запаса хрупкой прочности пластин из твердого сплава и композита 10, которые должны быть соответственно не менее 2,2-2,5 и 4,8-5,0.

Б. Определены оптимальные абразивные материалы и характеристики кругов, рациональные технологические среды при шлифовании некомпактна материалов, показана возможность использования алмазных кругов при чистоеом шлифовании плазменных износостойких покрытий. Исследованы различные методы отделочно-упрочняющей обработки износостойких покрытий из ферросплавов,и определены их технологические возможности. Установлено, что уровень сил шлифования зависит от абразивного материала: при плоском шлифовании они возрастают в направлении злектрокорунд белый -» карбид кремния ■* легированный электрокорунд; при круглом — наименьшие силы наблюдаются для кругов из карбида кремния. Рекомендованы условия обработки, обеспечивающие минимальные усилия шлифования ^го высокую производительность, при которых исключаются повышенный износ абразивных инструментов, возникновение вибраций и огранки обработанной поверхности.

6. Экспериментально и теоретически определены основные закономерности формирования топографии и наклепа обработанной поверхности для различных обрабатываемых материалов и способов обработки, позволившие раскрыть действие остаточной пористости и процесса бокового смятия и определить условия, обеспечивающие шероховатость поверхности при точении Ra 0,5 мкм и менее, при развертывании — Ra 0,12-0,20 мкм.

Выявлено, что в поверхностном слое деталей после токарной обработки возникают остаточные напряжения сжатия, доходящие до 800 МПа. При скоростях резания свыше 150 м/мин они переходят в растягивающие, вызывая образование микротрещин на поверхности детали.

Установлены характеристики абразивных и алмазных кругов и режимы шлифования, путем изменения которых возможно управление топографией обработанной поверхности детали. Показано,что магнитно-абразивная обработка износостойких покрытий из ферросплавов и шлифование кругами на полимерной связке снижают шероховатость по параметру Ra более, чем в 2 раза.

7. Раскрыты закономерности изменения точности обработанных поверхностей деталей из некомпактных материалов при точении, развертывании, шлифовании. Черновое развертывание позволяет обеспе-

чить точность отверстий в пределах 7-8, а чистовое — 6-7-го ква-литетов. Наилучшие условия нарезания резьбы метчиком достигаются при скоростях резания не более 10 м/мин с использованием в качестве технологической среды Аквола 2 или.масла МР-4. Отклонения от круглости после шлифования деталей с износостойкими покрытиями из ферросплавов находятся в пределах Б-15, ас плазменными покрытиями -- не более 3-5 мкм и определяются режимом обработки. Магнитно-абразивная обработка или шлифование кругами на полимерной связке повышают точность детали до 1,5 раз.

8. Впервые выявлены закономерности технологического наследования свойств поверхностного слоя при обработке деталей из некомпактных материалов и установлены факторы, влияющие на этот процесс. Наиболее существенные из них - условия выхаживания и правки круга, его характеристика (зернистость и твердость). Определен характер влияния шероховатости и микротвердости обработанной поверхности на интенсивность ее абразивного изнашивания. Установлено, что эксплуатационные свойства деталей с износостойкими покрытиями из ферросплавов обусловливаются особенностями финишных операций механической обработки. Магнитно-абразивная обработка вследствие оптимального сочетания процессов, происходящих в зоне резания, обеспечивает повышение износостойкости обработанной поверхности на 10-15Х по сравнению с чистовым шлифованием.

Выполненные теоретические и экспериментальные исследования позволили разработать системы технических ограничений, предложить целевые функции и математические модели для оптимизации условий обработки деталей из некомпактных материалов точением, сверлением. развертыванием, круглым и плоским шлифованием. Предложен способ определения комплексного коэффициента обрабатываемости и карты обрабатываемости порошковых материалов и покрытий на железной основе. На базе полученных результатов разработаны нормативы режимов резания при различных видах лезвийной и абразивной обработки некомпактных материалов, вошедшие в справочник "Режимы резаний металлов" (М., 1995).

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Фельдштейн Е.Э. Тонкое точение инструментальных материалов// Машиностроение. - 1973. - Вып. 1. - С. 33-34.

2. Фельдштейн Е.Э., Котляр И.М. Износ резцов ив гексани-

- 29 -

та-Р// Машиностроение. - 1979. - Вып. 2. - С. 53-56.

3. Фельдштейн Е.Э. Шероховатость поверхности при тонком точении спеченных порошковых материалов// Машиностроение. - 1979. -Вып. 2. - С. 94-98.

4. Ящерицын П.И., Фельдштейн Е.Э. Тонкое точение спеченных порошковых', материалов высокой твердости инструментами из эльбора и гексанита// Прогрессивные технологические процессы в инструментальном производстве: Тез. докл. конф. - М., 1979. - С. 189-190.

Б. Фельдштейн Е.Э., Башун Т.В. Тонкая структура порошкового материала на .основе железо-хром после тонкого точения резцами ив гексанита// Машиностроение. - 1980. - Вып. 4. - С. 112-115.

6. Ящерицын П.И., Фельдштейн Е.Э. Качество обработанных поверхностей при тонком точении спеченных сталей// Динамика станков: Тез. докл. конф. - Куйбышев, 1980. - С. 333-336.

7. Ящерицын П.И., Фельдштейн Е.Э. Совершенствование процесса обработки сталей, полученных метода),«! порошковой металлургии// Прогрессивные методы обработки труднообрабатываемых материалов на металлорежущих станках: Тез.докл.конф. - Жданов, 1980. - С. 83-85.

8. Ящерицын П.И.,*' Фельдштейн Е.Э. Некоторые физические процессы при обработке закаленных спеченных сталей// Новые конструкционные стали и сплавы и методы их обработки для повышения надежности и долговечности изделий: Тез.докл.конф. - Запорожье, 1980. - С. 230-231.

9. Ящерицын П.И., Фельдштейн Е.Э. Технологические особенности токарной обработки закаленных спеченных сталей// Современные пути повышения производительности и точности металлообрабатывающего оборудования и автоматизация технологических процессов а машиностроении. Секц. "Металлорежущее оборудование и инструмент": Тез.докл.конф. - М., 1980. - С. 121-124.

10. Фельдштейн Е.Э. Обработка спеченных хромистых сталей резцами из сверхтвердых материалов// Вестник машиностроения. -1981. - N 1. - С. 43-45.

11. Фельдштейн Е.Э. Обработка хромистой порошковой стали резцами из гексанита// Известия, вузов. Машиностроение. - 1981. -Н 2. - С. 117-119.

12. Ящерицын П.И., Фельдштейн Е.Э. Физические закономерности процесса резания спеченных хромистых сталей// Совершенствование проблемы резания инструментами из сверхтвердых материалов: Тез.докл.конф. - Харьков, 1981. - С. 152-154.

13. Фельдштейн Е.Э. Работоспособность резцов из поликристаллов нитрида бора при точении спеченных сталей высокой твердости// Сверх;вердые материалы. - 1931. - Н 4. - С. 69-72.

14. Фельдштейн Е.Э. Стружкообразование при точении спеченных сталей// Машиностроение. - 1982. - 6шт. 7. - С. 76-79.

15. Фельдштейн Е.Э. Колебания резца при точении закаленной спеченной стали/./ Машиностроение. - 1982. - Вып. 7. - С. 80-83.

16. Ящерииын П.И., Ивашин Э.Я., Фельдштейн Е.Э. Проблема обрабатываемости резанием порошковых материалов// Прогрессивные технологические процессы в порошковой металлургии. -Мн.: Выш. ШК., 1982. - С. 142-147.

17. Ящерицын П.И., Ивашин Э.Я., Фельдштейн Е.Э. Тонкое точение хромистых порошковых сталей высокой твердости// Прогрессивная технология и автоматизация технологических процессов в машиностроении и приборостроении: Тез.докл.конф. - Л, 1982. - С. 7-8.

18. Ящерицын II.И., Ивашин Э.Я., Фельдштейн Е.Э. Пути совершенствования финишной механической обработки деталей из порошковых материалов и с покрытиями// Новые конструкционные стали и сплавы и методы их обработки для повышения надежности и долговечности изделий: Тез.докл.конф. - Запорожье, 1983. - С. 214-215.

19. Ящерицын П.И., Ивашин Э.Я., Фельдштейн Е.Э, Исследование обрабатываемости порошковых материалов и покрытий// Исследование и разработка теоретических проблем в области порошковой металлургии и защитных покрытий: Тез.докл.конф. - Мн., 1984. - С. 7-13.

20. Ящерицын П.И., Фельдштейн Е.Э., Казаков С'.Н. Особенности обработки резанием износостойких покрытий и порошковых материалов// НоЕые конструкции и прогрессивные технологии производства инструмента: Тез.докл.конф. - Харьков, 1984. - С. 78-81.

21. Фельдштейн Е.Э. Применение ЛЦг-последовательностей для анализа многофакторных зависимостей в резании металлов// Известия вузов. Машиностроение. - 1985. - N 3. - С. 148-151.

22. Фельдштейн Е.Э., Слыш В.М. Сравнительные испытания спиральных сверл при сверлении порошкового материала ЖГр2// Машиностроение. - 1935. - Вып. 10."- С. 39,-42.

23. Котенкова Т.И., Фельдштейн Е.Э. Лабораторные работы по резанию металлов. - Мн.: Выш. шк., 1985. - 176 с.

24. Фельдштейн Е.Э., Шатун Б.И., Слыш В.М. Работоспособность метчиков при обработке спеченных порошковых материалов// Весц1 АН БССР. Сер. ф1з. - тэхн. навук. - 1986. - N 2. - С. 51-54.

25. Ящерицын П.И., Фельдштейн Е.Э., Куцер В.М. Физические закономерности резания порошковых материалов// Интенсификация технологических процессов механической обработки: . Тез.докл.конф. - Л., 198Ô. - С. 69-71.

гг. Фельдштейн Е.Э., Слыш-В.М. Рациональные условия развертывания отверстий в деталях из порошковых материалов// Машиностроение. 1986. - Выл. 11. - С. 23-25.

27. Фельдштейн Е.Э., Шатун В.И., Слыш В.М. и др. Условия высокопроизводительной обработки отверстий в деталях из железного порошка// Машиностроение. - 1987. - Вып. 12. - С. 26-30.

28. Фель'дштейн Е.Э., Николаев В.А. Финишная механическая обработка деталей из порошковых материалов. - Мн.: Выш. шк., 1987.132 с.

29. Еременко М.Л., Фельдштейн Е.Э. Закономерности процесса резания в условиях гибкого автоматизированного производства. Ч.II. Обрабатываемость материалов. - Мн.: БПИ, 1988. - 82 с.

30. Фельдштейн Е.Э., Шагун В.И., Слыш В.М. Точность резьбы, нарезаемой метчиками в спеченных порошковых материалах// Новге в резьбовых соединениях, способах резьбообраэоваиия, конструкциях инструмента, -способах и средствах контроля. - Тольятти: ТЛИ, 1988. - С. 37-38.

31. А.с. 1564517 СССР, МКИ Q 01 N 3/58. Способ определения коэффициента обрабатываемости/ А.И.Иочергин, Е.Э.Фельдштейн (СССР). - N 4252893/25; Заявлено 06.04.87;Опубл. 15.05.90, Бюл. N 18. - 2 с.

32. Ящерицын П.И., Еременко М.Л., Фельдштейн Е.Э. Теория резания. Физические и тепловые процессы в технологических системах: Учебник для вузов. - Мн.: Выш.шк., 1990. - 512 с.

33. Ящерицын П.И., Фельдштейн Е.Э., Куцер В.М., Диалло У. Силы резания при свободном точении антифрикционныхых порошковых материалов// Весц1 АН БССР. Сер. ф!а. - тэхн. навук. - 1992. - N 2. - С. 34-38.

34. Ящерицын П.И., Фельдштейн Е.Э., Куцер В.М. и др. Анализ тепловых полей инструмента, и детали с помощью метода конечных элементов// Теплофизика технологических . процессов: Тез. докл. конф. - Рыбинск, 1986. - С. 125-127.

35. Ящерннын П.И., Фельдштейн Е.Э., Куцер В.М. и др. Моделирование и исследование тепловых процессов в технологической станочной системе методом конечных элементов// Becui АН БССР. Сер.

- 32 -

ф13. - тэхн. навук. - 1993. - N 1. -С. 76;82.

36. Ящерицын П.И., Фельдштейн Е.Э., Куцер В.М., Шараф А.Х., Напряженное состояние и надежность работы сменных твердосплавных пластин// Весц! АН БССР. Сер. ф1з. - тзхн. навук. - 1993. - N 2. - С. 35-40.

37. Режущий инструмент и инструментальное обеспечение автоматизированного производства/ Е.Э.Фельдштейн, М.Л.Еременко, М.А.Корчиевич и др. - Мн.: Выш. шк., 1993. - С. 403-408.

38. Фельдштейн Е.Э., Кожуро М.Л., Еременко М.Л. Обрабатываемость электромагнитных покрытий шлифованием// Отделочно-упрочняю-шая технология в машиностроении. Ч. 1: Тез.докл.кснф. - Мн.,

1994. - С. 64.

39. Фельдштейн Е.Э., Хомич Н.С., Еременко М.Л. и др. Технологическая наследственность при обработке электромагнитных покрытий// Современные материалы, оборудование и технология упрочнения и восстановления деталей машин: Тез.докл.конф. - Новополоцк,

1995. - С. 115-116.

40. Фельдштейн Е.Э. Использование математических моделей для прогнозирования и управления процессом резания// Материалы между-нар. 51-й науч.-техн. конф. БГПА. Ч. 2. - Мн., 1995. - С.161-162.

41. Ящерицын П.И.', Фельдштейн Е.Э. Развитие процессов финишной обработки деталей в машиностроении// Совершенствование процессов финишной обработки в маиино- и приборостроении, экология и защита окружающей среды: Тез.докл.конф. - Мн., 1995. - С. 170.

42. Режимы резания металлов. Справочник./ Ю.В.Барзнозский. Л.А.Брахман, Е.Э.Фельдштейн и др. - М.:НШ1ТЛвтопром,1995.- С.360-363.

43. Г'лазкоИ.Л., Фельдштейн Е.Э. Моделирование процесса резания при адиабатических условиях// 18 Miecizynarodove simposium. naukowe. Т. I. Mechanika. - Zielona Gora, 1995. -S. 72-75.

44. Ящерицын П.П., Фельдштейн Е.Э. Моделирование условий резания порошковых материачов на основе их химического состава и свойств// Новые материалы и технологии: Тез.докл.конф. - Мн.,

1996. - С. 135-136.

45. Фельдштейн Е.Э., Куцер В.М. Математическая модель процесса стружкообразоЕания при резании// Весц! АН ВССР. Сер. ф1з. -тзхн. навук. - 1996. - N 1. - С. 36-40.

- 33 -РЗЗШЕ

Фельдштэйн Яугенш Эману1лав1ч АПРАЦОУВАЕМАСЦЬ НЕКАШ1АКТШК ЫАТЭРЫЯЛА* НА ШАЛЕЗНАЙ АСНОВЕ 3 ЗАБЕСЛЯЧЭ1ШЕЫ ТЭХНАЛАГ1ЧНАЙ СПАДЧМШАСЦ1 ЗКСПЛУАТАЦЫЙНЫХ УЛАСЦ1ВАСЦЕЙ

Ключавыя слови: некамлактныя матэрыялы, прзцэо рээання, лра-цаздольнасць пютрументау, дакладнасць. якасць паверхн1, тзхнала-гччная спадчыннасць, рашм апрацоукА.

Аб'ектам дааледаваняя а'яуляецца алрацоуваемасць некалпактш матзрыялау на жалеэнай аснове.

Мзта працы заключаецца у вырашэнн1 навукова-тзхн1чн^й праб-лемы высшсахуткаснай апрацоук! лекампактных матэрыяла^ на жааез-най аснове шляхам прагназ1равання апрацоуваемасц1 1 к!равання ею з ул1кам тзхналаПчнай спадчыннасц1 эксплуатацыйных уласпдвасцей.

У працы выкарыстаны тэоры! цеплаправоднасц!, тэрмадыналшй, трываласц1, 1мавернасц1 1 матэматычнай статыстык1, планавання зксперыментау, метады крынщ, канечных элементау, а таксама экспериментальный метады даследаваннп а дапамогай аптычнай. 1 электроннай мшраскалП, рзнтгенаструктурнага анаИзу, машын трэ-ння, дынамаметрау, спецыяльных установак для ф1э!чнага мадэл!ра-вання працэса рэзання 1 1шп.

Раскрыты асабл!васц1 працякання працэсау у эоне рэзання, зношвання 1 разбурэння рэжучЫх 1нструментау, заканамернасЩ фар-м!равання апрацаванай паверхш, яе дакладнасц! 1 тзхналаПчнай спадчыннасц1 эксплуатацыйных уласц1васцяу пры тачэнн!, св1драван-н1, разгортванн!, нарэзванн1 рэзьбау, круглым 1 плоек!м пил фа-ванн! дэталяу э не!сампактных мр.тзрыяла?, распрацаваны нарматывы рэжымаУ рээання.

ВынШ працы могуць быць выкарыстаны у розных гал1нах маты- ' на- 1 прыборабудавання 1 рамонгных витворчасцях для апрацоук! дэталяу машын з некампактных матзрыялау 1 пакрыццяу.

РЕЗШЕ

Фельдштейн Евгений Эммануилович ОБРАБАТЫВАЕМОСТЬ НЕКОМПАКТНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ЖЕЛЕЗНОЙ ОСНОВЕ С ОБЕСПЕЧЕНИЕМ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО НАСЛЕДОВАНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ

Ключевые слова: некомпактные материалы, процесс резания, работоспособность инструментов, точность, качество поверхности, технологическая наследственность, режимы обработки.

Объектом исследования является обрабатываемость некомпактных • материалов на железной основе.

Цель работы заключается в решении научно-технической проблемы высокопроизводительной обработки некомпактных материалов на железной основе путем прогнозирования обрабатываемости и управления ею с учетом технологического наследования эксплуатационных свойств деталей.

В работе использованы теории теплопроводности, термодинамики, прочности, вероятности и математической статистики, планирования эксперимента, метод источников, метод конечных элементов, а также экспериментальные методы исследования с помощью оптической и электронной микроскопии, рентгеноструктурного и рентгеноспект-рального анализа, машин трения, динамометров, специальных установок для физического моделирования процесса резания и др.

Раскрыты особенности протекания процессов в зоне резания, изнашивания и разрушения режущих инструментов, закономерности формирования обработанной поверхности, ее точности и качества, а также технологического наследования эксплуатационных свойств при точении, сверлении, развертывании, нарезании резгбы, круглом и плоском шлифовании деталей из некомпактных материалов, разработаны нормативы режимов резания.

Результаты работы могут быть использованы в различных отраслях машино- и приборостроения и. ремонтном производстве для обработки деталей . машин из некомпактных материалов и упрочненных износостойкими покрытиями.

SUMMARY

Feldshtein Eugene Ernanuilovich THE MALIUMTNQ OF UHSOLID FERRO-BASED MATERIALS WITH EXPLOIT PROPERTIES TECHNOLOGICAL HEREDITY

The kiy words: unsolid materials, process of cutting1, instruments capacity, precision, quality cf surface, technological heredity, working conditions.

The subject of research is the machining of unsolid ferrc-based materials.

The purpose cf the work is the solving of scientific-technical problem of unsolid ferro-based materials highly productive working by means of its machining prognosis arid control with exploit properties of parts technological heredity.

Theories of heat conducting, thermodynamics, strength, probability, finite elements method, source method are used in the work as well as mathematical nodelling and planning of experiments, experimental methods of cutting arid surface recearches by means of optical and scanning' microscopes, X-ray structure analysis, friction machine, dynamometers and so on.

Peculiarities of cutting processes, wear and destruction of instruments, forming of surface, its precision, technological heredity of exploit properties by turning, drilling', reaming, threading, round and flat grinding are opened and cutting conditions standard is worked.

Results of the work can be used in different branches of machine and instrument produce and repair manufactures for working parts from unsclid materials and facings.