автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Повышение долговечности деталей машин чистовым точением резцом с отрицательным передним углом

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. Анализ процесса точения как способа изменения состояния поверхностного слоя деталей машин (обзор проведенных исследований)

1.1. Влияние геометрии инструмента на состояние поверхностного слоя.

1.2.Изменение состояния поверхностного слоя в процессе точения Л

1.3. Влияние переднего угла резца на состояние поверхностного слоя.

2. Влияние состояния поверхностного слоя на эксплуатационные свойства

2.1. Сопротивление динамическим нагрузкам.

2.2. Сопротивление изнашиванию. 27 Выводы по главе 30 ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

Глава 2. Общая методика проведения исследований (выбор материалов, оборудования, инструмента)

Глава 3. Аналитические и экспериментальные исследования теплового состояния поверхностного слоя при упрочняющем точении

Глава 4. Исследования силовых факторов в процессе упрочняющего точения ' 50 4.1. Динамометрические исследования сил резания при статических нагрузках 51 4.2 Исследования сил резания в процессе упрочняющего точения

4.2.1. Исследование составляющих силы резания при точении стали

4.2.2. Исследование составляющих силы резания при точении стали 16ХГ

Глава 5. Лабораторные исследования состояния поверхностного слоя после упрочняющего точения легированных сталей

5 .1 Исследование микроструктуры

5.2 Исследование шероховатости поверхности

5.3 Исследование микротвердости поверхностного упрочненного слоя

5.4 Исследования остаточных напряжений 94 Выводы

Глава 6. Исследования антифрикционных свойств поверхностного слоя после упрочняющего точения

6.1 Методика проведения исследований

6.2 Трибологические исследования упрочненных образцов 113 ВЫВОДЫ

В технологии машиностроения при изготовлении деталей машин обработка резанием является основным средством формирования геометрических характеристик точности (размеров, формы, относительного положения поверхностей) а также шероховатости поверхности.

Токарная обработка среди других способов является наиболее распространенной. С точки зрения энергетических затрат точение требует наименьшей удельной затраты энергии при максимальном сечении снимаемой стружки [9,32 ].

Основное назначение обработки резанием, в том числе и процесса точения, является достижение таких требуемых геометрических характеристик точности, которые соответствуют требованиям условий эксплуатации деталей машин, и способствуют наибольшему сопротивлению их поверхностей воздействию эксплуатационных нагрузок. Это достигается в результате выбора и использования геометрических параметров резца, а также изменением элементов режима резания (глубины, продольной подачи и скорости резания).

В зависимости от условий нагружений деталей машин в процессе их эксплуатации к обработанным резанием поверхностям, особенно на окончательных этапах обработки, предъявляются требования не только по геометрическим характеристикам точности, но и к состоянию поверхностного слоя обработанной поверхности - её качеству. От этого состояния зависит степень сопротивления поверхностей детали воздействию эксплуатационных нагрузок и её долговечность.

Качество поверхности определяется физико-химическими и механическими свойствами и характеристиками поверхностного слоя деталей машин (химический состав, микроструктура, микротвердость, остаточные напряжения и многие другие) [25]. Это качество достигается на операциях окончательной, как правило, абразивной обработки деталей -шлифованием полированием суперфинишированием и другими. Большинство из этих способов позволяют управлять только шероховатостью поверхности в процессе обработки и не могут создавать благоприятные для условий эксплуатации другие свойства и характеристики поверхностного слоя. Кроме того, абразивная обработка в значительной степени отрицательно влияет на окружающую среду, загрязняя ее продуктами отходов процесса резания.

При обработке точением, как чистовой, так и черновой многочисленными исследованиями выявлен характер влияния геометрии инструмента на точностные характеристики поверхностей изготавливаемых деталей в зависимости от обрабатываемого материала и условий обработки. Это позволяет, при современном уровне развития науки и техники, использовать оптимальные режимы резания, при принятой геометрии инструмента, для осуществления высокопроизводительного процесса с минимальными энергозатратами для достижения поставленной цели - формирования точностных характеристик деталей машин. Цель эта, главным образом, достигается на операциях окончательной обработки. Так при точении используются резцы, у которых углы резания выбираются из условий максимальной производительности, стойкости, жесткости, а также возможности получения оптимальной шероховатости поверхности. Углы эти изменяются незначительно в зависимости от условий обработки.

В процессе окончательной обработки происходит также изменение состояния поверхностного слоя. Следует заметить, что возможности варьирования (изменения) геометрией инструмента (резца) при точении и элементами режима резания не позволяют получить одновременно требуемые точностные характеристики и оптимальные, с точки зрения эксплуатации, свойства и характеристики поверхностного слоя остаточные сжимающие напряжения, необходимую глубину и степень наклепа и др.). Изменения последних происходят в большей степени попутно, нежели управляемо. Для их достижения необходимо, как правило, применять дополнительные технологические методы обработки, которые способны упрочнять поверхностный слой.

Как отмечается в проведенных ранее исследованиях [10,15,18,28], управлять изменением состояния поверхностного слоя можно путем соответственного изменения некоторых углов резца, в частности, переднего угла у и использования его в области отрицательных значений до - 45° . - 60°. Однако сведений о результатах исследований недостаточно для того, чтобы широко применять процесс точения резцами с большими отрицательными передними углами и целенаправленно изменять состояние поверхностного слоя обрабатываемых материалов одновременно с достижением требуемых геометрических характеристик точности обрабатываемой детали.

Настоящая работа посвящена оптимизации процесса чистового точения резцом с большим отрицательным передним углом некоторых наиболее распространенных углеродистых и легированных сталей с целью получения в поверхностном слое обработанного материала требуемых, условиями эксплуатации, характеристик качества поверхностного слоя с проверкой возможности замены процесса шлифования.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

На основании проведенного анализа литературных данных по результатам исследований процесса точения как окончательного метода обработки деталей машин, изготовленных из легированных сталей и стали 45, следует, что процесс точения имеет скрытые возможности, используя которые можно управлять не только изменением шероховатости поверхности, но и другими характеристиками поверхностного слоя обрабатываемой поверхности. Главным фактором, реализующим указанные возможности, является передний угол, величина которого может быть использована в пределах от -15 до -45°. Поэтому в приведенной работе было исследовано точение легированных закаленных сталей резцами с большими отрицательными передними углами с целью применения его в качестве окончательного метода обработки, целенаправленно формирующего состояние поверхностного слоя в зависимости от условий эксплуатационных нагрузок деталей машин. На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы.

I. Традиционное точение различных материалов и сплавов, применяемое для черновой и чистовой обработки, осуществляется резцами в широком диапазоне изменения элементов режима резания (скорость, подача и глубина резания). Геометрия резца выбирается в зависимости о его назначения с учетом обеспечения высокой износостойкости инструмента и требуемой шероховатости поверхности при чистовом точении. Из геометрических параметров резца, в наибольшей степени влияющих на качество обработанной поверхности, следует отметить передний угол у, который традиционно выбирается в пределах от 15 до -15°. Однако по имеющимся некоторым литературным данным увеличение этого угла до -60° может способствовать значительному изменению состояния поверхностного обработанного слоя.

2. Как известно, формирование свойств и характеристик поверхностного слоя детали в процессе точения конкретного материала зависит от суммарного воздействия силового и теплового факторов, сопровождающих этот процесс. Преобладающее влияние одного из них может значительно изменять состояние поверхностного слоя в зависимости от структуры и химического состава обрабатываемого материала.

В работе были проведены аналитические исследования и расчеты тепловых процессов, протекающих в поверхностном слое легированных закаленных сталей при точении их резцами с большими отрицательными передними углами, которые показали, что мгновенная температура в обрабатываемом поверхностном слое на глубине до 10 мкм может достигать значений плавления металла. В зависимости от условий охлаждения от таких температур в поверхностном слое сталей различной исходной структуры могут образовываться либо вторичные структуры закалки, либо отпускные структуры.

3. Экспериментальные исследования сил резания в процессе точения резцом с отрицательным передним углом показали, что эти силы могут достигать значительных величин и оказывать большое влияние на упрочнение поверхностного обработанного слоя. Степень этого влияния зависит, главным образом, от скорости резания. С увеличением скорости резания происходит перераспределение доминирующего влияния силового и теплового факторов на формирование свойств и характеристик поверхностного слоя в зависимости от химического состава и структуры обрабатываемого материала.

4. Лабораторные исследования физико-химических свойств и характеристик поверхностного слоя после упрочняющего точения показали следующее.

- под влиянием силового и теплового факторов в поверхностном слое на глубине нескольких десятков микрометров могут образовываться различные структуры. При точении закаленных легированных сталей высокой твердости (до 60 НРС) на скоростях резания с преобладающим влиянием теплового фактора наблюдались высокотвердые образования так называемого бесструктурного мартенсита. При точении менее твердой легированной стали на скоростях резания, когда преобладал силовой фактор в поверхностном слое наблюдалась троосто-мартенситная структура с явно выраженными следами пластической деформации;

- выбранная к исследованиям геометрия поверхности резца (в основном радиус закругления вершины р) а также продольная подача (около 0,07 мм/об) позволили на различных скоростях резания получить шероховатость поверхности, соизмеримую с шероховатостью шлифованной поверхности в пределах 8-го класса шероховатости (Ra = 0,4. 1,0мкм);

- глубина и степень наклепа, оцениваемая по изменению микротвердости в глубину металла, изменялись в процессе упрочняющего точения в зависимости от степени совместного влияния силового и теплового факторов в процессе изменения, в основном, скорости резания. В том случае, когда доминировал тепловой фактор, образовывались структуры вторичной закалки, повышалась микротвердость в поверхностном слое на глубине, зависящей от химического состава обрабатываемого материала. В случае преобладания силового фактора и образования структуры с явными следами деформации наблюдалась также повышенная микротвердость в поверхностном слое соизмеримом с глубиной деформированного слоя. Если процесс резания сопровождался нагревом с отпускными явлениями, то в поверхностном слое наблюдалась пониженная микротвердость даже в сравнении с микротвердостью основного металла.

- остаточные тангенциальные напряжения в поверхностном слое легированных сталей формируются под влиянием скорости резания и продольной подачи. Изменение этих элементов в исследованных пределах способствует образованию сжимающих остаточных напряжений, эпюра которых зависит от совместного влияния силового и теплового факторов и связана с микроструктурными и фазовыми изменениями.

- результаты проведенных лабораторных исследований состояния поверхностного слоя легированных сталей в процессе упрочняющего точения резцом с большим отрицательным передним углом позволяют сделать вывод о возможности управления качеством поверхностного слоя на этапе окончательной обработки указанным чистовым точением деталей машин, изготавливаемых из легированной закаленной стали.

5. Проведенные исследования трибологических свойств и антифрикционных характеристик поверхностного упрочненного резцом слоя показали, что они не уступают таким же свойствам шлифованных поверхностей, а в некоторых случаях их превосходят. Это дает возможность утверждать о возможности повышения износостойкости деталей машин с помощью окончательной обработки упрочняющим точением.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

11роведенные исследования процесса точения легированных закаленных сталей резцом с большим отрицательным передним углом показали возможность применения такого упрочняющего точения в качестве окончательного способа обработки деталей машин с целью управления такими свойствами и характеристиками поверхностного слоя как шероховатость поверхности, микротвердость, глубина и степень наклепа, а также остаточные напряжения.

Основными факторами, позволяющими изменять указанное состояние, являются передний угол у, изменяемый в пределах -30°-.-45" и скорость резания, выбираемая в зависимости от химического состава обрабатываемого материала.

Целенаправленное управление состоянием поверхностного слоя позволяет получать такие свойства и характеристики качества поверхности, которые способствуют повышенному сопротивлению эксплуатационным нагрузкам - статическим или динамическими, тем самым увеличивать износостойкость или усталостную прочность деталей машин.

Упрочняющее точение может найти применение, в некоторых случаях, вместо шлифования как метод, оказывающий значительно меньшее отрицательное влияние на окружающую среду. Эффективным процессом может быть точение с небольшим отрицательным передним углом у > -30й.

1. Безьязычный Е.Ф., Кожина Т.Д., Чарковский Ю.К. Технологические методы обеспечения эксплуатационных свойств и повышения долговечности деталей. Ярославль, 1987. 87с.

2. Биргер.И.А. Остаточные напряжения. М.: Машиностроение, 1963. 232с.

3. Власов А.Д., Чекунов Е.Г. Слои Бейльби и причины их образования.//'Физика и химия обработки материалов. 1994. №1, с.83.88.

4. Давиденков Н.Н. Об измерении остаточных напряжений. Заводская лаборатория, №2. 1950

5. Дьяченко П.Е. Влияние технологических факторов на износ металла.// Повышение износостойкости и срока службы машин. Сб. Машгиз. 19539.3орев В.Н. Вопросы механики процесса резания металлов. М. Машгиз. 1956. 267с.

6. Ю.Кравченко Б.А. Теория формирования поверхностного слоя деталей машин при механической обработке. Куйбышев, 1981.-90с.

7. Кузнецов Н.Д., Цейтлин В.И.,Волков В.И. Технологические методы повышения надежности деталей машин.: Справочник. М.: Машиностроение, 1993.-304с.

8. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение: Учебник для вузов. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение. 1990. 528с.

9. Маталин А. А. Влияние механической обработки на износостойкость стальных деталей машин. Вестник машиностроения, №10, 1954

10. Маталин А. А. Точность механической обработки и проектирование технологических процессов. Л.: Машиностроение, 1970. 320с.

11. Маталин А. А. Технология машиностроения. Л.: Машиностроение, 1985. 496с.

12. Морозов И. А. Исследование температурного поля в обрабатываемом металле при резании. Сб. Исследование некоторых вопросов технологии машиностроения. Оборонгиз. 1956

13. Г1рейс Г. А. Исследование поверхностного слоя, образующегося при точении мягкой стали. //Повышение износостойкости и срока службы машин. Сб. Машгиз. J 954

14. Резникоа А.Н. Температура и охлаждение режущих инструментов. Куйбышев. 1959.

15. Розенберг A.M., Розенберг О.А. Механика пластического деформирования в процессах резания и деформирующего протягивания. Киев: Наукова думка. 1990. 320с.

16. Рыкалин Н.Н. Теория нагрева металла местными источниками теплоты. /Сб. Тепловые явления при обработке резанием. М.: Машиностроение 1959.

17. Сулима A.M., Шулов В.А., Ягодкин Ю.Д. Поверхностный слой и эксплуатационные свойства деталей машин. М.: Машиностроение, 1988. 240с.

18. Штейнберг И.С. Применение процесса резания для повышения усталостной прочности деталей машин. //Качество поверхности деталей машин. Сб.№4 АН СССР. 1959

19. Якобсон М.О. Шероховатость, наклеп и остаточные напряжения при механической обработке. М. Машгиз. 1956.

20. Bobrov V.F. Osnovy teorii rezanija metaliov. Moskwa, Masmostroenie 1975

21. Granowski G.I., Granowski V.G. Rezamje metaliov. Moskwa, Vyssaja skola, 1985

22. Grzesik W. Podstawy skrawama materiaiow metalowych. Warszawa 1998r. 23, 152ч- 1533Jemielniak K. Obrobka skrawaniem. Oficyna wydawmcza Politechmki Warszawskiej. OWPW Warszawa, 1998.

23. Gawlik J., Harasymowicz J. Wybrane zagadnienua z badan konstrukcyjnych i eksploatacyjnych narzedzi skrawajacych. Krakow. Wyd. Politechniki Krakowskiej 1990.

24. Junejc B.L., Sekhon G.S Fundamentals of metall cutting and machine tools. New Delhi. John Wiiej. & Sons 1987

25. Kaczmarek J. Podstawy orobki wiorowej, sciernej I erozyjnej. Warszawa, WNT, 1971.

26. Konig W. Fertigungsverfahren. Band 1. Dusseldorf, VD1 -Verlag 1984.

27. Корке G. Der Emfluss gedzehtez obezflochen auf die Wechgel und Zeitfestgkeit von Stahl, Metallwiztsehaft,47, 49, 50,1940r.

28. Kowalec M. Toczeme dokladnie zachartowanych stali. Mechamk, № 11, 1996, s.465-468

29. Miko E., Sekhon G.S., Skrzypmski A. Modelowanie chropowatosci powierzchni konstytuowanej w procesie toczema. Archiwum Technologn Budowy Maszyn, z.8, 1990, s.443-459.

30. Miller T. Mozliwosci metrologiczne prolilometrow 1 ksztaltografow 10S. Mechanik, 1999, Prace 10S Biuletyn, s. 395-397. Agenda Wydawmcza SIMP, 1999.

31. Murarka P.D., Barrow G., Hmduja S. Influence of the process variables on the temperature distribution m orthogonal machining using the finite element method. Int. J. Mech. Sci. vol. 21, № 9, 1979, s.445-456.

32. Murarka P.D., Hmduja S., Barrow G. Influence of strain, strain rate and temperature on the flow stress m the primary deformation zone m metal cutting. Int. J. Mach. Tool Des. Res., vol. 21, №3/4, 1981, s. 207-216

33. Prowans S. Metaloznawstwo. Warszawa, PWN, 1988.

34. Rezmkov A.N. Teplofizika processov mechamceskoj obrabotki matenalov. Moskwa, Masinostroenie 1981.

35. Rudnik S. Metaloznawstwo. Warszawa PWN, 1986.

36. Sadat A.B., Reddy M.Y., Wang B.P. Evaluation of guahty of machined surface region using experimental and finite element simulation. PFD. Vol.40, Computer Aided Design and Manufacture of Cutting and Forming Tools, FSME 1985, s. 9-17.

37. Tay A.A. A review of metals of calculating machining temperature. J.Mater. Proc. Technol., vol.36, 1993, s. 225-257.

38. Trent E.M. Metal cutting. London, Butterworths 1989.

39. Vajayes. Analytical study of surface roughness in turning. Wear, vol.70, 1981, s. 165-175