автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Повышение эффективности механической обработки изделий из сталей типа 38ХН3МФА с повышенными прочностными характеристиками

ДОНЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

г-Г 5 0 „

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ИЗДЕЛИЙ ИЗ СТАЛЕЙ ТИПА 38ХНЭМФА С ПОВЫШЕННЫМИ ПРОЧНОСТНЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ

Специальность 05.03.01. - Процессы механической обработки, станки и инструменты

автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Паршин Юрий Иванович

УДК 621.9.011-194

Донецк-2000

Диссертацией является рукопись.

Работа выполнена на кафедре технологии машиностроения Национальной металлургической академии Украины Министерства образования и науки Украины.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Проволощ Александр Евдокимович, Национальная металлургичеа академия Украины, профессор кафедры техпо.Ю! машиностроения

Официальные ошюненты: доктор тех1шческих наук, профессор Матюха П(

Григорьевич, Донецкий государственный техническ

Л и г.го аплтттйт ■лплтпплтчм «гчЛдпппи »птотпиомя!!!

станков и инструментов

кандидат технических наук, доцент Крепак Апекса! Сергеевич, Приазовский государственный техническ униБсрситст, доцент кафедри металлорежущих етанкот инструментов

Ведущее предприятие: Харьковский государственный политехничсск

университет, кафедра "Резание магериалов и режуи инструменты" Министерства образоЕШшя и на\ Украины, г. Харьков

Защита диссертации состоится -22 2000 г. в час. на

заседании специализированного ученого совета К 11.052.04 при Донецком государствешюм техническом университете по адресу: 83000, г. Донецк, ул. Артема 58, ДонГГУ, 6-й учебный корпус, ауд. 6202

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Донецкого государственного технического университета: 83000, г. Донецк, ул. Артема 58, ДонГТУ, 2-й учебный корпус Автореферат разослан 2000 г.

Ученый секретарь специализированного у/У/

ученого совета, к.т.н., доц ¿чУ^ Т.Г. Ивченко

Ш-1,2%0

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Современное машиностроение требует повышения эксплуатационных качеств базовых деталей машин и механизмов за счет изменения механических свойств конструкционных материалов. Эти задачи могут быть решены в результате применения высоколегированных дорогостоящих сталей и сплавов пли коренного изменения технологического процесса изготовления деталей, начиная с метода получения исходного металла в слитке, метода пласпгческого формообразования, различных видов термической обработки и в некоторой степени микролегированием сталей редкими и редкоземельными материалами с после,1тующей механообработкой.

С повышением механических свойств за счет приведенного комплекса мероприятий снижается эффективность механической обработки, в частности при точении, сверлении, рассверливании и др. Материалы с высокими эксплуатационными свойствами характеризуются низкой обрабатываемостью резанием, а процесс механообработки сопровождается высокой интенсивностью износа режущих инструментов.

Проведенный анализ назначения режимов механообработки показал, что при их выборе учитываются только физико-механические свойства (а,) обрабатываемого материала, а также состояния поверхности заготовки, что в ряде случаев является недостаточным.

Поэтому, повышение эффективности процессов механообработки легированных сталей с повышенными прочностными характеристиками на основе научно-обосновашгой методики определения оптимальных параметров резания с учетом особенностей обрабатываемости резанием, структурного состояния металла и его метода получения является актуальной задачей.

Сеязь работы с научным» планами, темами. Работы пополнялись в соответствии с планами НИР и ОКР Национальной металлургической академии Украины по договорам с ГНТЦ АСВ (№№ гос. регистрации 0195У008014; 0195У008012; 0195У008011 и АО "Днепротяжмаш" (№ гос. регистрации 0198У009020), входящих в Государственную программу Украины по разработке и освоению изделий ответственного назначения.

Целью диссертационной работы является повышение эффективности процессов механообработки деталей ответственного назначения па основе определения оптимальных условий обработки легированных сталей с повышенными прочностными характеристиками.

Для достижения цели в диссертационной работе были поставлены следующие задачи:

1.Создать модель оптимизации процесса механообработки крупногабаритных изделий ответственного назначения с повышенными прочностными характеристиками с учетом структурного состояния металла и метода получети исходной заготовки.

2.0прсдел1пъ технологические ограничения, налагаемые на режимы обработки крупногабаритных изделий точностью обработки, жесткостью системы СПИД (станок -приспособление - инструмент - деталь).

3.Установить регрессионные зависимости, описывающие изменение скорости резания от элементов режима и комплекса физико-механических свойств заготовки (предела прочности, относительного сужения, ударной вязкости и твердости), способа ее получения и вида термический обработки.

4.Разработать карты обрабатываемости деталей из хромоникелемолибденовых сталей, модель поиска и схему принятия решений при разработке процесса механообработки деталей ответственного назначения.

5.Внедрить в производство рекомендации но определению режимов при разработке процессов механообработки хромоникелемолибденовых сталей с повышенными прочностными характеристиками.

Методика исследований. Теорсшчсские и экспериментальные исследования выполнены на основе фундаментальных положений теории резании металлов, технологии машиностроения, включая и первичное формообразование заготовок, теории математического планирования экспериментов, методов оптимизации, методов статистической обработки данных и методов математического моделирования на ПЭВМ.

Экспериментальные исследования выполнены в производственных условиях акционерного объединения "Новокраматорский машиностроительный завод".

Выполнено математическое моделировшше процессов механообработки с использованием современных пакетов прикладных программ.

Достоверность научных положении, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, подтверждается воспроизводимостью исследований, адекватностью полученных математических моделей процессов механообработки легированных сталей, а также опытно-промышленной проверкой полученных результатов.

Научная новизна работы заключается в том. что на основе выдвинутого научного положения, в соответствии с которым скорость резания зависит от комплекса физико-механических свойств заготовки (предела прочности, относительного сужения, ударной

вязкости и твердости), определены оптимальные режимы механической обработки крупногабаритных изделий из стали типа 38ХНЭМФА.

При этом:

- уточнены зависимости, позволяющие определить скорость резания от элементов режима резания и комплекса физико-механических свойств с учетом метода получения исходной заготовки и вида термической обработки;

- выявлены закономерности влияния режимов резания на показатели качества обработанных поверхностей деталей ответственного назначения из сталей типа Э8ХНЗМФА с повышенными прочностными характеристиками и точности процесса м еханообработки;

разработана методика оптимизации процесса механообработки крупногабаритных изделий из хромоникелемолибденовых сталей;

- предложены сравнительные показатели обрабатываемости по износу и продолжительности резания до заданного критерия затупления режущих инструментов при механообработке труднообрабатываемых .материалов.

Предложенный комплекс технических решений позволил выявить возможность повышения производительности процесса механообработки без потери точности системы СПИД, таким образом создана основа для автоматического управления процессами резания труднообрабатываемых материалов.

Автор защищает: зависимости влияния на скорость резания комплекса физико-мсханических свойств (предела прочности, относительного сужения, ударной вязкости и твердости), методику оптимизации процесса механообработки крупногабаритных изделий из хромоникелемолибденовых сталей; методику определения сравнительных показателей обрабатываемости труднообрабатываемых материачов; алгоритмы моделирования точности процессов механообработки па ПЭВМ с учетом жесткости системы СПИД; разработанные конструкции рсжущмх инструментов, в частности ссерлз^льпсй голоп.си для глубокого сверления и конструкцию токарного проходного резца для чистовой и получистовой обработки; логическую схему принятия решений при разработке и освосшш процесса механообработки деталей из хромоникелемолибденовых сталей с повышенными прочностным» характеристиками.

Практическая ценность. Результаты исследований позволили:

- дать научно-обоснованные рекомендации по назначению режимов резания при обработке крупногабар!ггных изделий из сталей типа 3 8ХНЗ МФА с повышенными прочностными характеристиками;

- разработать карты обрабатываемости и методику прииятия решений при освоении процессов механообработкн из труднообрабатываемых материалов;

- предложить новые конструкции режущих инструментов: сверлильной головки для сверления глубоких отверстий и токарного проходного резца с изменяемой геометрией для чистовых и получнетовых операций.

Внедрения. В промышленность внедрены: технологические рекомендации по назначс1шю режимов механообработки и определения оптимальных марок инструментальных материалов при обработке сталей типа 38ХНЭМФА; инструмент&тьное обеспечение для токарных операций.

Результаты работы использовались в акционерном объединении "Новокраматорский машиностроительный завод", АО "Днепротяжмаш" и рекомендованы для включения в учебную нрофамму подготовки инженеров. Экономически)! эффект от внедрения указанных разработок составил 12 480 гри.

Личный вклад соискателя состоит в проведении экспериментальных и теоретических исследований, разработке методик, математических моделей, программ для моделирования процессов механообработки на ПЭВМ, и внедрении результатов работы в промышленность.

Апробация результатов. Основные положения и результаты работы докладывались, обсуждались и были одобрены на ряде научно-технических конференций и семинаров, в том числе: на 6-й международной научно-технической конференции "Надежность режущего инструмента и оптимизация технологических систем" (г.Краматорск, октябрь 1995 г.); научно-технической конференции "Проблемы техники, технологии к экономики машиностроительного производства" (г.Краматорск, май 1996 г.); научно-технической конференции "Ресурсо- и энергосберегающие технологии в промышленности" (г.Одесса, 4-6 сентября 1996 г.); международной научно-технической конференции "Современные проблемы машиностроения и технический процесс" (г.Ссвастоноль, 10-13 сентября 1996 г.); международной научно-технической конференции к 100-летию механико-машиностроительного и 50-летию сварочного факультета НТУУТ, 25-28 мая 1998 г. "Прогрссивна техшка 1 технолопя машинобудування, приладобудування 1 зварювалыюго виробництва" (г.Киев, НТУУТ, 2528 мая 1998 г.), на международной научно-технической конференции "Машиностроение и чехносфера на рсбеже XXI века" (г.Севастополь, 13-18 сентября 1999 г.), на научно-технических семинарах ДГМА и НМетАУ.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 13 машинописных работах, включая 6 статей в фаховых издательствах ВАК, 2 заявки на изобретения.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованной литературы и приложений. Работа изложена на 269 страницах машинописного текста, содержит 120 рисунков, 24 таблиц, список литературы из 146 наименований, 11 приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновала актуальность темы исследовании, изложены цель и задачи исследований, научная новизна, практическая ценность и апробация результатов диссертации, публикации материачов в печати и внедрение результатов работы.

Первая глава посвящена анализу существующих параметров оценки обрабатываемости материалов и методов оптимизации процессов механообработки сталей с высокими прочностными характеристиками.

Получить материал с заданными высокими прочностными характеристиками можно двумя путями - созданием нового материала и совершенствованием способа получения заготовки и ее термообработки. Второй пугь отличается мобильностью и может бьггь реализован в более короткие сроки. Вместе с тем, повышеш)е прочностных свойств материала всегда сопряжено с ухудшением его обрабатываемости и невозможностью использовать имеющиеся рекомендации по определению режимов механообработки, так как мы имеем дело практически с новым материалом. Па основании Л1Ггературного обзора для оценки обрабатываемости сталей типа 38Х113МФА с различными способами получения заготовки и термообработки были выбраны следующие параметры! скорость резания; точность обработки, характеризуемая в основном интенсивностью размерного износа режущего инструмента; возможность получения необходимых параметров шероховатое™ обработанной поверхности и др.

Оптимальные условия обработки решено определять по критерию минимальной себестоимости с использованием технических ограничений, палагаемых на режимы резания и определяемых экспериментальным путем, а также с помощью моделирования процессов на ПЭВМ.

В связи с этим, в работе поставлена цель и задачи, приведенные раннее.

Во второй глапе изложены методики экспериментальных исследований и моделирования процессов на ПЭВМ. Эксперименты проводились в производстве1шых

условиях на токарном станке 1Л680. В качестве образцов использовали реальные заготовки (диаметр 320 мм, длина 8000 мм) из стали 38ХШМФА, иолученные различными методами: прямого элсктрошлакового переплава и двойного переплава с микролегироваинем ниобием и бором.

В результате предложенной технологии получения заготовки, в разработке которой принимал участие и автор, был достигнут предел прочности а, = 1550 МПа, с сохранением высоких показателей ударной вязкости и относительного сужения, вследствии чего сталь перешла в группу высокопрочных и труднообрабатываемых. Методики исследований разрабатывались с учетом того, что эксперименты необходимо было проводить на реальных заготовках в промышленных условиях, что было обусловлено влиянием масштабного фактора на физико-механические свойства .

В связи с этим исследования влияния режимов обработки и физико-механических свойств, обусловленных различными способами получения заготовки и термообработки выполнялись экспериментально, а определение технологических ограничений по точности обработки - моделированием на ПЭВМ. Алгоритм определения оптимальных режимов резания стали 38ХНЗМФА приведен на рисунке 1.

Рис. 1. Алгоритм определения оптимальных режимов резания стали 38ХШМФА с повышенными прочностными характеристиками

Обработку проводили стандартными проходными резцами с материалами режущей части из двухкарбидных твердых сплавов - Т15К6 и Т5К10, с геометрическими параметрами: 7=10°; а=12°; (р=45°; ч>(=15°; ?.=0; г =0,3 мм и группы однокарбидных твердых сплавов ВКбОМ и ВКЮХОМ со следующими геометрическими параметрами:

7=8°; а=15°; ф=45°; ф1=15°; >.~0; г =0,3 мм. Точите проводили без охлажде1шя с глубиной 1=1,5 мм и подачей Б = 0,36 мм/об. В качестве критерия затупления резцов принят их износ по задней поверхности Ь3 = 1,2 мм. Параметры шероховатости На измеряли прибором профилографом-профилометром ТЛУЬСЖ-НОВ$0]\75ш1готс-3. Для обработки глубоких отверспш использовались базовые и предложенные конструкции сверлильных головок. Параметры шероховатости глубоких отверстий контролировались прибором профилографом-профилометром мод. 500, соосность отверстий измеряли прибором ОТО - 310.

Разработана методика определения сравнительных показателей обрабатываемости легированных сталей по параметрам износа режущих инструментов и продолжительности резания до заданного критерия затупления (рис.2).

Рис. 2 Методика исследования обрабатываемости с учетом метода получения исходного металла и вида термической обработки

Предложенная методика позволяет получить сравнительные оценки износа режущих инструментов при обработке сталей, получсш!ых различными технологическими методами с учетом термической обработки, и сделать сравнение диапазонов устойчивой работы режущего инструмента до заданного критерия затупления. Сравнительные показатели Кт позволяют также определить рациональное время работа режущего инструмента до его переточки.

Разработана методика моделирования обработки на ПЭВМ с целью определения погрешностей обработки нежестких валов и алгоритм решения задачи, что позволило

определить возможность повышения режимов резания без потери точности системы СПИД за счет использования в моделирующей программе формулы для расчета скорости резания с учетом физико-механических свойств обрабатываемых заготовок.

Разработаны методики исследования влияния твердости, предела прочности, ударной вязкости и относительного сужения, которые позволяют оценить степень влияния каждого из составляющих на коэффициент физико-механических свойств и скорость резаштя.

Разработаны методики статистического анализа результатов исследований процессов механообработки исследуемых сталей с использованием ПЭВМ.

В третьей главе представлены результаты исследований особенностей процесса резания стали 38ХНЗМФЛ с повышенными прочностными характеристиками.

Качество материма для получения изделий должно характеризоваться не только ст„ но и величинами относительного сужения ц/, ударной вязкостью х и твердостью НВ. В связи с этим было выдвинуто научное положение о влиянии этих факторов на скорость резания. Это влияние было предложено учитывать с помощью соответствующих коэффициентов, в предположении о прямопропорциопальном влиянии \|/ф и хф-

Для учета комплекса физико-механических свойств, предложено в формулу для расчета скорости резания ввести соответствующие коэффициенты предела прочности Ко, относительного сужения К,, и ударной вязкости К7:

к„ к =, (1)

свф ¥ф Хф

где: Овэг > Ч^эт, Хэг- предел прочности, относительное сужение и ударная вязкость

эталонного образца (за эталонный образец принята стать 38ХГОМФА с показателями физико-механических свойств по ГОСТ 4543-71);

Оп, . . хл - фактические значения предела прочности, относительного сужения

и ударной вязкости исследуемой стали.

После соответствующих преобразований получим:

У = -ПГ"7-ГхКнвхК0вхКИК1, (2)

Тш X х1Ху

где: Б. I - подача, мм/об и глубина резания, мм; С,- постоянный коэффициент; у,-, хч т - показатели степеней; Т - стойкость режущего инструмента, мин; Кнв - коэффициент, учитывающий твердость исследуемой стали.

Для удобства практического использования формулы (2), с целью теоретического определения скорости резашы, выполним преобразования с учетом стандартных значений физико-механических свойств стали 38ХЮМФА:

У = —_х_М^!_, (3)

Ттх8у'х(х' НВ"'ховфп'хуфхХф

где: НВ - твердость исследуемой стали; пу = 1 -1,5 - для незакалеипых сталей; Пу = 1,5 - 2 - для закаленных сталей.

Формула (3) позволяет выполнить расчет скорости резания при обработке стали 38ХЮМФА с учетом комплекса механических свойств: предела прочности, ударной вязкости, относительного сужения и твердости, и повысить производительность обработки на 15 - 20 %.

Коэффициенты и показатели степеней (табл. 1), входящие в формулу, получены при установлении скоростных зависимостей при проведении исследований по продолжительности резания до заданного критерия затупления при механообработке стали 38ХЮМФА в результате использования методики планирования экспериментов.

Таблица 1

Значения коэффициентов и показателей степеней в формуле скорости резания при механообработке стали 38ХНЗМФА

Метод получети исходного металла Э8ХНЗМФА Термическая обработка Коэффициенты и показатели степеней Су Ху Уу ш

Электрошлаковый переплав огжиг 189,705 0,189 0,173 0,347

Электрошлаковый переплав нормализация с отпуском 149,086 0,187 0,172 0,302

Двойной переплав отжиг 156,073 0,194 0,175 0,311

Двойной переплав нормализация с отпуском 132,804 0,176 0,163 0,278

Определены технологические ограничения, налагаемые на режимы резания процесса механической обработки, учитывающие заданные показатели качества и точности обрабатываемых поверхностей:

'VKP^V0I,T=VRa<Vx

' sra=so„T^SKp . (4)

1ТП =tonr - lKP

где: VT - скорость резания, сооветствующая допускаемому износу режущего инструмента по критерию точности механообработки, м/мин;

tTn - глубина резания, назначаемая по технологическому процессу с учетом этапа механической обработки, мм (в соответствии с разбивкой припуска на проходы);

V.P, S,^ 1|ф - максимально допускаемые величины скорости резания (м/мин), подачи (мм/об) и глубины резания (мм) по критерию точности механообработки;

Vom. S01IT t^n - оптимальные величины скорости резания (м/мин), подачи (мм/об) и глубины резания (мм);

VRa, Srj, tR) - величины скорости резашш (m/mioi), подачи (мм/об) и глубины резания (мм), ограниченные задшшнми параметрами шероховатости.

С помощью разработаного программного обеспечения получены регрессионные зависимости износа режущих инструментов различных марок при обработке стали З8ХНЗМФА с учетом структурного состояния металла в зависимости от метода получения исходного металла и вида термической обработки (табл. 2).

Результаты исследований показали, что более существенное влияние на обрабатываемость оказывает термическая обработка, чем метод получения исходного металла заготовки, т.к. сравнительные показатели по стойкости режущих инструментов Кт выше при исследовании влияния термической обработки, чем при исследовании метода получения исходного металла заготовки. Также установлено, что влияние термической обработки на обрабатываемость стали, полученной методом двойного переплава проявляется в большей степени, чем на обрабатываемость стали, полученной метолом элсктрошлакового переплава.

На базе роздали <шых карт обрабатываемости деталей из хромоникелемолибденовых сталей и модели поиска решений выполнена разработка логической схемы принятия решений, положенная в основу комплексной технологии изготовления ответственных деталей машиностроительного комплекса.

В четвертой главе на основе предложенного подхода к исследованию процесса резания хромоникелемолибденовых сталей раскрыты особенности процесса механообработки материалов с высокими физико-механическими свойствами и определена степень влияния технологических факторов на качественные показатели обработки сталей типа 38ХШМФА.

Таблица 2

Регрессионные зависимости износа режущего инструмента но задней поверхности Ь2 от

продолжительности резании Т. _Режимы обработки-. У=50 м/мии; 5=0,36 мм/об; ^1.5 мм_

Обрабатываемый материал с учетом термообработки Метод получения исходного металла Режущий инструмент Регрессиоштая зависимость

Сталь 38X113МФЛ 0=300мм, после нормализации с отпуском ЭШП БКбОМ Т15К6 ВКЮХОМ Т5К10 Ь/=0,24хТ",468хсхр"о'"шт Ьг=0.253хТ°'123хехро(,26Т 11г=0.045хТ°'869хехр_0,004Г Ь7=0,167хТ°'' 5хехр°'025Т

Стать 38ХЮМФЛ 0=300мм, после нормализации с отпуском Двойной переплав с мцкролегиро-ванием ВКбОМ Т15К6 ВКЮХОМ Т5К10 Ь7=0,386х-Г°'О18хехр"М1Т Ьг=0,212хТ°'г|2хсхр° 0257 Ь,=0.018хТ''218хехр'ОО13Г Ьг=0,307хТ'°125 хехо0,025Т

Стаи, ЗЯХНЗМФЛ 0=300мм, после отжига ЭШП Р9М4К8 ПК60М Т15К6 Т5К10 И,=0.361 х'[ч1,ю6хсхр0,1'3 п ь =о 3()9х'1"'0008хехр0'044Г Ьг=о'обЗ хТ° 726хехр"°'0!,зт Ь,=0,016хТ1,183хехр~°'0|5Т

Стать 38ХНЗМФА Б=300мм, после отжита Двойной переплав с микролегиро-ванием Р9М4К8 ВК60М Т15К6 Т5К10 Ь^ОДОгх^^'хехр0'0187 Ь,=ОД32хТ°432хехр0'02бт Ьг-0,099хТ<,'''69хсхр"о'°"!!Т Ь2Ч),061 хТ0'ь ""хсхр""00"''

Существенное влияние па процесс механообработки оказывают методы получения исходной заготовки и термической обработки. Сталь, полученная методом двойного переплава с микролегированием (по срапнешло со сталью, полученной методом ЭШП), характеризуется более мелкозернистой структурой и соответственно низкой обрабатываемостью резанием. Стать 38ХШМФА после отжига характеризуется лучшей обрабатываемостью, "с?.! сталь ЗЗХНЗМФЛ после нормализации. При этом, для стали 38ХШМФА. независимо от метола ее получения, более благоприятные условия для обработки, с точки зрения износа режущих инструментов, обеспечиваются при перлитной структуре. При структуре сорбитообразного перлита возрастает интенсивность износа режущих инструментов, однако более благоприяпш условия для достижения качества обрабатываемых поверхностей.

При обработке стати 38ХШМФЛ, находящейся в любом структурном состояшти, менее интепсиглшй характер износа имеют инструменты с материалом режущей части Т5К10 и Т!5К6 среди выбранного диапазона марок режущих инструментов наиболее широко используемых в производстве (рис. 3).

Показано, что инструменты с материалом режущей части из ВКЮХОМ при обработке стали 38ХШМФА после отжига характеризуются как наиболее износостойкие, однако инструмент этой марки весьма чувствителен к изменению структурного состояния металла обрабатываемых заготовок. Установлено, что инструмент с материалом режущей части Т5К10 более устойчив к структурному изменению металла обрабатываемых заготовок, в результате воздействия на них различных видов термической обработки.

На величину

1.2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0

Нг,п. г77

ВК601 Л___

Т15К6

1ЬК1СГ

Т, мин

5 10 15 20 25 30 35

Рис. 3. Влияние продолжительности резания на износ резцов при обработке стали 38ХЮМФА

параметров шероховатости обработанной поверхности существенное влияние оказывает структурное состояние исследуемой стали и марка режущего инструмента. У

отожженных образцов с перлитной структурой

наибольшие параметры шероховатости достигаются при скорости V = 50 м/мин (обработка пластинами Т15К6). После нормализации, при структуре сорбитообразного перлита, величина параметров шероховатости уменьшается, при этом наблюдается смещение критической скорости резания в сторону меньших величин. Наиболее оптимальной маркой инструментального материала, с точки зрения получеши более низких параметров шероховатости является инструмент с материалом режущей части

Т15К6 (рис. 4). У образцов

Яа е мкм

5 4

3 2 1

0

т* VI П

у

А . ВК ЮМ

у

Т|5 С« ---

V,] |/мин

Рис. 4. Влияние скорости резания на параметры шероховатости поверхности

ро структурой

сорбитообразного перлита наибольшая высота

неровностей достигается при более низких скоростях резания.

Экспериментально установлено, что с ростом подачи шероховатость поверхности возрастает, при

этом следует отметить существенное влияние марки инструментального материала на качество обработки (рис. 5). Наиболее оптимальными режущими инструментами с точки

зрения достижения минимальных параметров шероховатости, при резании на повышенных подачах являются инструменты с материалом режущей части ВКбОМ и Т15К6.

Исследовано влияние термической обработки на обрабатываемость резанием. Установлено, что большее влияние оказывает нормализация, меньшее - огжиг. Показано, что это связано с получением более мелкозернистой структуры металла в результате двойного переплава по сравнению с металлом, полученным методом электрошлакового переплава, и повышением физико-механических свойств стали после нормализации с отпуском.

Яа

И

Т5 СЮ !К60 А

/

» у Т151 :б

0.2

0,6

.Я , мм/об

Рис. 5. Влияние подачи на параметры шероховатости поверхности

Разработано

для модс.игровання на ПЭВМ конусообразности вала,

связанной с размерным износом и определения области допустимых подач в зависимости от затанного критерия точности конусообразности вала при токарной обработке с учетом определения пути резания и

общего срока работы токарных проходных резцов.

Анализ результатов моделирования конусообразности вала с учетом параметров шероховатости обработанной поверхности позволяют выбрать наиболее предпочтительный инструмент, гарантирующий получение требуемых показателей качества н точности о5работкм.

Показано, что обработка отверстий сверлильной головкой предложенной конструкции повышает точность оси отверстия в 2 раза по сравнению с заводской конструкцией. Отсутствие поперечной режущей кромки снижает осевую силу резания, что оказывает положительное влияние на стойкость режущих пластин.

Получены уравнения линий регрессий при сверлении отверстий диаметром 90 мм:

- зависимость шероховатости поверхности от подачи Яа = 0,2325 • Б + 6,3689;

- зависимость погрешности формы отверстия в продольном ссчснии от подачи Ъ, = 0,0011 - Б +0,0934;

- зависимость увода оси отверстия от подачи Д = 0,002 • Б + 0,4533;

- зависимость разбивки отверстия от подачи 5 = 0,004 • Б + 0,2084.

Предложенная конструкция токарного проходного резца обладает достаточной прочностью при выполнении получистовых и чистовых операций на различных режимах резания. Регулируемый передний угол позволяет применять предложенную конструкцию резца с самым широким спектром обрабатываемых материалов, что является существенным фактором, определяющим возможность его использования в производстве. На конструкции режущих инструментов Госпатентом Украины приняты решения о выдаче патентов на изобретения.

В пятой главе представлен анхтиз экономической эффективности внедрения результатов разработок на ЗАО "Новокраматорский машиностроительный завод" и АО "Дпепротяжмаш". Годовой экономический эффект от внедрения указанных разработок в условиях ЗАО НКМЗ и АО "Дпепротяжмаш " составляет 12 480 гривен.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

Разработан комплекс технологического обеспечения качества и производительности процессов резания на основе определения оптимальных условий обработки легированных сталей с повышенными прочностными характеристиками, позволяющий повысить эффективность изготовления деталей ответственного назначения.

В результате вьшолненных исследований установлено следующее:

1.Двойной перешив и прямой элекгрошлаковый переплав, с последующими многоступенчатыми термическими обработками, позволяют повысить прочность заготовок из хромоникелемолибденовых сталей на 25 -г 28 % (и,, = 1550 МПа, что соответствует высокопрочной стали) без изменения химического состава базовых элементов.

2.Комплексная методика исследований обрабатываемости и оптимизации процесса резания позволяет определить оптимальные режимы механообработки стали 38ХНЗМФА с учетом физико-механических свойств, метода получения исходной заготовки и вида термической обработки.

3.Скорость резания при обработке стали 38ХНЗМФА с учетом твердости, прочности, пластических характеристик, а также метода получения исходного металла заготовки и вида последующей термической обработки, может быть описана с помощью линейных уразиешш регрессии. Предло;ке:п1ЫЙ коэффициент физнко-мсхшшчсских свойств учитывает изменение пластических и прочностных характеристик исследуемой стали в формуле для расчета скорости резания.

4.Механообработка стали 38ХШМФА, полученной методом двойного переплава, характеризуется снижением износостойкости режущих инструментов на 7+12 % по сравнению со сталью, полученной методом электрошлакового переплава. Повышение физико-механических свойств стали после нормализации с отпуском приводит к снижению износостойкости режущих инструментов в 1,4 + 2,1 раза по сравнению со сталью после отжига.

5.Разработаны методики, алгоритмы и программные файлы для моделирования погрешностей обработки нежестких деталей типа ¡залов на ПЭВМ в среде современных пакетов прикладных программ, позволяющие выявить резерв повышения производительности обработки стали с учетом комплекса физико-механических свойств.

6. Разработаны конструкции режущих инс1р>менгов; снерлилыюй юловки, позволяющей снизить увод отверстия в 2 раза по сравнению с базовой конструкцией, и токарного проходного резца с регулируемым углом резания. Разработанный комплекс технологических решений обеспечивает экономию режущего инструмента при обработке резанием хромоникелсмолибдеповых сталей на 15 + 18 %, при этом улучшается качество обработанной поверхности по показателю шероховатости Яа и размерной точности на 10 + 15 % без введеш!я дополнительных операций механообработки.

7. Годовой экономический эффект от внедрения указанных разработок в условиях ЗЛО НКМЗ и АО "Дцепротяжмаш " составляет 12 480 гривен.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1.Паршин Ю.И. Моделирование процессов обеспечения точности токарной обработки с учетом допускаемых сил резания, характера закрепления детали и жесткости технологической системы // Вкл! Академп шженерних наук Укра'нш. - 1997. - №1. - С. 41-44.

2 Проволоцкий А.Н., Паршин Ю.И. Комплексные исследования обрабатываемости материалов // Пауков! пращ Нашоналыюго техшчного университету Укражи (КПИ) "Протресивна техшка 1 технолога машинобудування, приладобудування 1 зварювалыюго виробництва"- Том 1. - К.: НТУУ (КПИ). - 1998. - С. 309-312.

3.Проволоцкий А.Е., Паршина Е.А., Паршин Ю.И. Оптимизация технологических процессов резания труднообрабатываемых материалов /ЯМстт Академп' шженерних наук Украши. - 1998. - №2. - С. 11-28.

4.Проволоцкий А.Е., Паршина Е.А., Паршин Ю.И. Исследование сложноорганизованной системы процесса резания хромоникелемолибдсновых сталей //Bicri Академи шженерних пауте Украши. - 1999. - №3. - С. 9-18.

5.Паршнн Ю.И., Вишняков A.I1. Исследование процессов механообработки легированных сталей с высокой категорией прочности //Bicri Академи шженерних наук Украши. - 1999. - №4,- С. 39-49.

6. Проволоцкий А.Е., Паршин Ю.И. Перспективные технолог™ изготовления изделий из хромоникелемолибдсновых сталей // Труды IV Междунар. конф. "Машиностроение и техносфера на рубеже XXI века " - Донецк: ДонГТУ. - 1999. - С. 293 -296.

7.Паршина Е.А., Паршин Ю.И. Проблемы освоения технологии изготовления деталей из труднообрабатываемых материалов // Современные технологии в тяжелом и транспортном машиностроении. - Днепропетровск: ВПОГ1 "Днепро". - 1995. - С.206-213.

8.Проволоцкий А.Е., Паршина Е.А., Паршин Ю.И., Дудник М.И. Прогресивныс технологии изготовления деталей ответственного назначения // Новые разработки в машиностроительном производстве - Днепропетровск: AT "Днепротяжмаш". - 1996. - С. 26-34.

9. Паршина Е.А., Паршин Ю.И. Определение режимов резания с учетом динамических явлений в технологической системе и заданной точности обработки // Труды Междунар. конф. "Надежность режущего инструмента и оптимизация технологических систем" - Краматорск: ДГМА. - 1995. - С. 62 - 63.

10. Паршина Е.А., Паршин Ю.И. Моделирование процессов механообработки с учетом динамических явлений в технологической системе и заданной точности П Новые разработки в машиностроительном производстве. - Днепропетровск: AT "Днепротяжмаш". - 1996. - С. 34 - 38.

11. Проволоцкий А.Е., Паршина Е.А.. Паршин Ю.И., Оксамытный Н.С. Исследование обрабатываемости деталей из стали 38ХНЗМФА с учетом структурного состояния и метода получения исходного металла /7 Bien Академи шженерних наук Украши. - 1997. - №1. - С. 33-40.

12. Проволоцький О.С., Паршин ЮЛ., Паршина O.A., Оксамитний М.С. "Токарний pi3cub". Ршения Госпатенту Укра'иш вщ 17.09.99 р. про видачу патенту на винахщ за заявкою Лгк 99042276 вш 22.04.1999 р. МПК 6 В23. В27/00.

13. Проволоцький O.G., Паршин Ю.1., Паришна O.A.. Оксамитний М.С. "Свердлильна головка". Рштення Госпатенту Украйш вщ 01.11.99 р. про видачу натешу на винахщ за заявкою № 99042304 вщ 23.04.1999 р. МПК 6 В23. В41/00.

В работах соискателем выполнено следующее: [2] - разработана комплексная методика исследования обрабатываемости материалов с повышенными прочностными характеристиками; [3] - разработана методика оптимизации процесса резания, методика определения коэффициентов запаса точности и проведены экспериментальные исследования точности обработки на ПЭВМ; [4] - выполнены исследования обрабатываемости хромоникелсмолибденовых сталей и определена степень влияния технологических факторов па качественные показатели механообработки; [5] -предложено использовать сравнительные показатели обрабатываемости для оценки влияния метода по.'гучения исходного металла и вида термической обработки на явления обрабатываемости; [6] - обоснована перспектива расширения использования легированных сталей; [7] - разработаны карты обрабатываемости детатей из хромомолибденовых статей и модель поиска решений при освоении технологии изготовления деталей из труднообрабатываемых материалов; [8] - предложена методика производственных исследований и логическая схема принятия решений при разработке технологии изготовления особоотвстствснных детатей машиностроительного комплекса; [9] - обоснован выбор режимов резания с учетом динамических явлений; (10] -разработана методика определения оптимальных технологических условий обработки нежестких ватов с учетом погрешностей, возникающих вследствии деформации технологической системы; [11] - проведены экспериментальные исследования процессов механообработки изделий из стали 38ХШМФА; [12] - предложена компановка опорного режущего блока токарного резца; [13] - предложен способ крепления режущих пластин.

ДНОТЛЦ1Я

Паршин Юрш 1ванович. Пщвищення сфектнвносп мехашчно! обробки вироб1в Í3 ггалей типу ЗЯХНЗМФА з гпдчшпеними характеристиками мнгносп. - РукопиС.

Дисертащя на здобуття наукового ступени кандидата техшчних наук за ;пещальшспо 05.03.01 - процеси мехашчног обробки, верстати та шетрументи. -Цонецький державний техшчний утвсрситет, Донепьк, 2000.

У дисертацп викладет результат!! теоретичних та скспериментатьних дослйркень ipoueciB механообробки леговаш!х сталей з пшвищеними характеристиками мдщюетт Зивчет особливосп оброблюваносп з врахувашмм структурного стану початкового леталу, метолу його отримапня та виду наступноТ термтчно! обробки. Виявлеш ¡акономтоносп впливу основних факторов пронесу рпання на показники skoctí деталей

виповщальмого призначсння, що дозволило удосконалити процеси механообробки легованих сталей з пщвищеними характеристиками мщкосп.

Ключев1 слова: процес р1занш, оброблювашсть хромонжслсмол^бденових сталей, зносостшюсть р1жучих шструмештв, яюсть та точшсть пронесу мехаиообробки.

АННОТАЦИЯ

Паршин Юрий Иванович. Повышение эффективности механической обработки изделий из статей типа 38ХНЭМФА с повышенными прочностными характеристиками. -Рукопись,

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.01 - процессы механической обработки, станки и инструменты. -Донецкий государствеш1ый технический университет, Донецк, 2000.

В диссертации изложены результаты теоретических и экспериментатьных исследований процессов механообработки легированных статей с повышенными прочностными характеристиками. Изучены особенности обрабатываемости с учетом структурного состояния исходного металла, метода его получения и вида термической обработки. Выявлены закономерности влияния основных факторов процесса резания на показатели качества деталей ответственного назначения, что позволило усовершенствовать процессы механообработки легированных сталей с повышенными прочностными характеристиками.

Качество материала для получения изделий должно характеризоваться не только ns, но и величинами относительного сужения у, ударной вязкостью х и твердостью НВ. В связи с этим было выдвинуто научное положение о влиянии этих факторов на скорость резания. Это влияние было предложено учитывать с помощью соответствующих коэффициентов, в предположении о прямопрппорционачьном влиянии Vv и у^. Для учета комплекса физико-механических свойств, предложено в формулу для расчета скорости резания ввести соответствующие коэффициенты предела прочности К„, относительного сужения К, и ударной вязкости Kz. Скорость резания при обработке стали 38ХШМФА описывается с помощью линейных уравнений регрессии с учетом твердости, прочности, пластических характеристик, а также метода получения исходного металла заготовки и Biwa термической обработки. Определены технологические ограничения, налагаемые на режимы резания процесса механической обработки, учитысагааше заданные показатели качества и точности обрабатываемых поверхностей.

Разработана методика определения граничных областей изменения режимов механообработки хромоникелемолибденовых статей с учетом особенностей обрабатываемости резанием и допускаемых погрешностей обработки вследствие деформации системы СПИД. Условие оптимальности процесса механообработки учитывает особенности обрабатываемости резанием, заданные показатели качества и точности обрабатываемых деталей, изготовленных из хромоникелемолибденовых сталей с повышенными прочностными характеристиками.

Для анализа процесса механообработки изделий из сталей типа 38ХНЭМФА различными инструментальными материалами предложено использовать сравнительные показатели обрабатываемости но износу режущего инструмента и продолжительности резания до заданного критерия затупления, учитывающие метод получения исходного металла и вид термической обработки.

На основе предложенного подхода к исследованию процесса резания хромоникелемолибденовых сталей раскрыты особенности процесса механообработки материалов с высокими физико-механическими свойствами и определена степень влияния технологических факторов на качественные показатели обработки сталей типа З8ХНЗМФА. Установлено, что обрабатываемость стали ЗВХНЗМФА в значительной степени зависит от метода получения исходной заготовки, химического состава ¡1 термической обработки. Повышение содержания легирующих элементов, увеличение концентрации карбидов и неравномерность их распределения в металле ухудшает обрабатываемость резанием. Обрабатываемость стали, полученной методом двойного переплава характеризуется снижением износостойкости режущих инструментов на 7-12 % по сравнению со сталью, полученной метолом ЭШП. Повышение физнко-мсхашгческих свойств стали после нормализации с отпуском приводит к снижению износостойкости режущих инструментов в 1,4 - 2,1 раза по сравнению со сталью после отжига.

Разработано инструментальное обеспечение для токарных операций. Конструкция сверлильной головки для глубокого сверления позволяет повысить точность отверстий на 15 % по сравнению с заводской. Особенность конструкшга токарного проходного резца для чистовых и получистовых операций заключается в возможности регулирования переднего угла резания.

Основные результаты работы использованы в промышленности для изготовления изделий ответственного назначения.

Ключевые слова; процесс резания, обрабатываемость хромоникелемолибденовых сталей, износостойкость режущих инструментов, качество и точность процесса механообработки.

SUMMARY

Parshin Yuri Ivanovich. "The increase of efficiency while mechanical processing of steel articles З8ХНЗМФА having characteristics of high reliability." - a Manuscript.

Dissertation for a higher university degree of master, of Technology on the speciality 05.03.01 - Mechanical processing, machines and tools. - Donetsk State Technical University, 2000.

. The dissertation is concerning the results of theoretical and experimental investigations of mechanical processing of alloy steel articles with characteristics of high reliability.

The peculiarities of the proccssability have been under the control and the structural state of the initial metal taken into consideration as well as the method of its getting and the type of the following thermal processing.

The conformity of the influence of the main factors of cutting processing of the quality indices of some special details have been revealed that has led to the modemication of the mechanical processing of alloy steel articles having characteristics of high reliability.

Key words: cutting process, processability of alloy steels, wearability of cutting tools, quality and precision of mechanical processing.