автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Повышение эффективности процесса торцового фрезерования закаленных чугунов сверхтвердыми материалами

Введение.

Глава I СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ФРЕЗЕРОВАНИЯ ДЕТАЛЕЙ

ЛЕЗВИЙНЫМИ ИНСТРУМЕНТАМИ ИЗ

КОМПОЗИТОВ.

1.1. Классификация, режущие свойства и конструкции инструментов из композитов.

1.2. Сравнение работоспособности инструментов из композитов и других инструментальных материалов при прерывистом резании.

1.3. Конструктивные особенности торцовых фрез, оснащённых СТМ.

1.4. Напряженно-деформированное состояние режущего инструмента из СТМ и поверхностного слоя обрабатываемой детали.

1.5. Влияние режимов резания на стойкость инструмента из СТМ.

1.6. Напряженно-деформированное состояние поверхностного слоя и остаточные напряжения в детали при фрезеровании СТМ

1.7. Многолезвийные инструменты, оснащенные СТМ; классификация торцовых фрез.

1.8. Обоснование решаемой научной проблемы, цель и задачи исследования

Глава II АНАЛИЗ НАПРЯЖЕННО - ДЕФОРМИРОВАННОГО

СОСТОЯНИЯ РЕЖУЩИХ ПЛАСТИН ИЗ СТМ.

2.1. Исследование напряженно-деформированного состояния режущего лезвия пластины методом конечных элементов.

2.1.1. Особенности анализа прочности пластин из СТМ.

2.1.2. Влияние глубины фрезерования на распределение напряжений в режущей пластине.

2.2. Силы резания при фрезеровании закаленного чугуна

2.3. Исследование накопления плотности дислокаций и дефектов упаковки в режущих пластинах из композита при эксплуатации инструмента

Глава III ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРНОГО СОСТОЯНИЯ

ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ЗАКАЛЕННОГО ЧУГУНА

3.1 Особенности экспериментальных исследований.

3.2. Определение элементов субструктуры.

3.3. Исследование влияния режимов фрезерования на субструктуру поверхностного слоя.

3.4. Микроструктура упрочненного слоя.

Выводы.

Глава IV ИССЛЕДОВАНИЯ ШЕРОХОВАТОСТИ

ОБРАБОТАННОЙ ПОВЕРХНОСТИ ЗАКАЛЕННОГО

ЧУГУНА.

4.1. Методика проведения исследований.

4.2. Исследование шероховатости поверхностей режущих пластин

Повышение качества выпускаемой продукции машиностроительного и станкостроительного производства при интенсификации производственных процессов на современном этапе может быть достигнуто только на основе системного подхода к комплексным исследованиям процесса механообработки, режущего инструмента и металлорежущего оборудования.

Значительное повышение производительности при чистовой и финишной обработке достигается благодаря использованию режущих инструментов, оснащенных поликристаллами сверхтвердых материалов (СТМ) на основе кубического нитрида бора. Композиты практически инертны к черным металлам, поэтому их применяют главным образом для обработки чугунов и сталей.

Инструменты из СТМ получили распространение в промышленности, прежде всего в станкостроении, в целях предварительной и окончательной обработки заготовок из чугунов, закаленных сталей взамен традиционных твердосплавных инструментов, а также шлифования.

Внедрение инструментов из СТМ позволяет реализовать принцип концентрации операций, усовершенствовать или полностью перестроить технологию обработки, уменьшить в несколько раз основное время обработки, улучшить качество обработанной поверхности (отсутствие микротрещин и прижогов).

Статистические данные по условиям эксплуатации инструментов из композитов показывают, что фрезерование деталей из чугуна, в том числе - закаленных, фрезами с СТМ большого диаметра не нашло должного применения. По-видимому, недостаточная эффективность этих фрез связана с их относительно невысокой точностью базирования режущих пластин в осевом и радиальном направлениях. Этот недостаток проявляется, прежде всего, при чистовом фрезеровании в низкой шероховатости обработанной поверхности, которая связана с подачей на оборот фрезы. Поэтому необходимо уделить особое внимание проектированию высокоточной торцовой фрезы.

Применение фрезерования СТМ взамен шлифования при обработке базовых деталей из закаленного (токами высокой частоты) чугуна в настоящее время не нашло должного применения вследствие недостаточного исследования влияния процесса механической обработки на структуру поверхностного упрочненного слоя и его шероховатость.

В связи с усложнением форм режущих пластин, их геометрических параметров возникает необходимость углубленного изучения напряженно-деформированного состояния рабочей части инструмента с учетом особенностей параметров режимов обработки при получистовых и чистовых операциях.

Цель работы: повышение эффективности процесса торцового фрезерования закаленных чугунов СТМ путем создания конструкции торцовой фрезы и разработки рациональных режимов резания для получения заданных параметров состояния поверхностного слоя деталей.

Объект исследования: торцовые фрезы повышенной точности с механическим креплением режущих пластин, процесс формирования поверхностного слоя закаленного чугуна при фрезеровании СТМ. Научная новизна работы состоит:

- в разработке комплексной методики исследования прочности режущей части пластин из композитов, с определением влияния режимов резания на напряженно-деформированное состояние инструмента методом конечных элементов;

- в установлении ренгенографическим методом влияния силовых параметров процесса фрезерования на напряженно-деформированное состояние режущего лезвия;

- в установлении влияния условий торцового чистового фрезерования СТМ на структуру, напряженное состояние и шероховатость обработанной поверхности деталей из закаленного чугуна ТВЧ.

Автор защищает:

1. Комплексную методику исследования прочности режущей части пластин из композитов, основанную на исследовании силовых параметров процесса фрезерования, результаты иследования влияния режимов резания на напряженно-деформированное состояние инструмента методом конечных элементов и рентгенографическим методом.

2. Результаты комплексных исследований влияния режимов фрезерования СТМ на структуру й напряженное состояние обработанной поверхности деталей из закаленного ТВЧ чугуна.

3. Результаты исследования влияния параметров фрезерования на шероховатость обработанной поверхности.

Работа выполнена на кафедре технологии машиностроения, металлорежущих станков и инструментов инженерного факультета Российского университета дружбы народов.

ВЫВОДЫ

1. Для условий чистового фрезерования закаленного чугуна с использованием метода конечных объемных элементов высших порядков установлены зависимости, позволяющие объяснить причины зарождения трещин и выкрашивания кромок режущих пластин из СТМ: с увеличением глубины фрезерования от 0,1 мм до 1,0 мм сжимающие тангенциальные напряжения увеличиваются с 400 МПа до 800 Мпа, при этом существенно уменьшается расстояние между зонами с максимальными сжимающими и растягивающими напряжениями на передней поверхности пластины, что значительно повышает вероятность ее разрушения.

2. При увеличении глубины фрезерования значительно возрастают растягивающие нормальные напряжения сту с 30 до 220 МПа , что предположительно является причиной появления выкрашивания на режущей кромке со стороны передней поверхности; на вспомогательной режущей кромке возникают растягивающие напряжения(до 50 МПа), что может служить причиной появления выкрашивания на вспомогательной режущей кромке.

3. Установлено, что наибольшее влияние на силы резания при фрезеровании закаленного чугуна пластинами круглой формы оказывает глубина фрезерования. Осевая составляющая Ру возрастает более интенсивно, чем радиальная составляющая Рх . При этом составляющая силы резания Рх зависит от соотношения t/s; за счет увеличения глубины фрезерования происходит отклонение вектора равнодействующей в сторону обработанной поверхности.

4. Влияние подачи на силу резания меньше влияния глубины фрезерования, так как силы на передней поверхности инструмента возрастают не прямо пропорционально толщине среза, а в результате уменьшения степени охрупчивания срезаемого слоя.

124

5. Существуют две достаточно чувствительные рентгеновские характеристики структурно-кристаллических изменений на режущей поверхности пластины из композита: ширина дифракционных линий (для определения плотности дислокаций) и смещение дифракционных линий (для определения пластически-деформированного упрочнения).

6. Разработана конструкция сборной торцовой фрезы с режущими пластинами из СТМ круглой формы, отличающаяся повышенной точностью базирования пластин и технологичностью.

1. Аршинов В.А., Алексеев Г.А. Резание металлов и режущий инструмент. Машиностроение, 1967.- 500 с.

2. Багаряцкий Ю.Д. Рентгенография в физическом металловедении. -М. -.Металлургиздат, 1961.-277 с.

3. Бате К., Вилсон Е. Численные методы анализа и метод конечных элементов: Пер. с англ. М., 1982.

4. Башков В.М., Кацев П.Г. Испытания режущего инструмента на стойкость. М. Машиностроение, 1985.- 130 с.

5. Бетанели А.И. Прочность и надежность режущего инструмента. -Тбилиси: Сабчота Сакартвело, 1973.- 302 с.

6. Бобров В.Г., Грановский Г.И., Зорев Н.Н. Развитие науки о резании металлов М.: Машиностроение, 1967.- 416 с.

7. Бобров В.Ф. Основы теории резания металлов. М.: Машиностроение, 1975,-344 с.

8. Бирюков Б.Н., Кудряшов Е.А. Чистовое растачивание чугуна инструментом из эльбора-Р и исмита //Киев: Наукова Думка, Синтетические алмазы, 1977, N 1.-С. 23-24.

9. Боровский Г.В. Направления развития режущего инструмента из синтетических сверхтвердых материалов.// Станки и инструмент. 1986.-№.-с. 15-17.

10. Боровский Г.В. Металлорежущий инструмент из синтетических сверхтвердых материалов. // Технология, оборудование, организация.-М.: ВНИИТЭМР, 1986.-48 с.

11. Боровский Г.В. Высокопроизводительный лезвийный инструмент из сверхтвердых материалов и его применение (зарубежный опыт).- М.: ВНИИТЭМР, 1988,- 56 с.

12. Боровский Г.В., Молодых С.У. Современные технологические процессы обработки деталей режущими инструментами из сверхтвердых материалов. М.: НИИМАШ, 1984. -с. 210.

13. Боровский Г.В. Лезвийный инструмент из композита.-М.:НИИМАШ, 1979,- 52 с.

14. Боровский Г.В. Высокопроизводительный лезвийный инструмент из сверхтвердых материалов и его применение (зарубежный опыт) // : Обзор. / ВНИИТЭМР М., 1988. - 56 с. - (Вып. 2).

15. Бхатия С.М. Температурное разрушение твердосплавных инструментов при прерывистом резании. // Режущие инструменты. М.,-1979.- N 14.-с. 11-12.

16. ВереЩака А.С., Волин Э.М., Вахид X. Режущие инструменты с композиционными покрытиями для обработки различных конструкционных материалов//® естник машиностроения, М.:1984, №8.- с.32-35.

17. Верещака А.С. Работоспособность режущего инструмента с износостойкими покрытиями. М.: Машиностроение, 1993. - 336 с.

18. Гинзбург Б.И. , Ховах Н.И., Селезнев JI.H. Точение сталей и чугунов резцами из амборита.// Сверхтвердые материалы. Киев: ИСМ, 1981, N5,- С.27.

19. Горелик С.С., Расторгуев J1.H., Скаков Ю.Д. Рентгенографический и электроннооптический анализ. М.: Металлургиздат, 1970.-329 с.

20. Грановский Г.И., Грановский В.Г. Резание металлов. М.: Высшая школа, 1985.-304 72. Гречишников В.А., Щербаков В.Н. Подсистема автоматизированного проектирования режущих инструментов // Станки и инструмент. - 1987.-№1.-С. 17-18.

21. Гринев В.Б., Филиппов А.П. Оптимизация элементов конструкций по механическим характеристикам. Киев: Наукова думка, 1975.- 178с.

22. Гузенко B.C., Зиновьев Н.И., Миранцов C.JL. Особенности расчета прочности режущих элементов сложной пространственной конфигурации. //Резание и инструмент в технологических системах. Харьков: ХГПУ, 1999-с.31-34.

23. Двухслойные сменные многогранные пластины Томал-10 качественно новая группа инструментальных материалов: Рекламный материал // Вестник машиностроения. 1990. - №1. - С. 80.

24. Дерегин Jl.Г. Фрезерование закаленной стали и чугуна торцовыми фрезами из компоэита-01 // Высокопроизводительный инструмент из СТМ и области его применения М.: 1976.

25. Дручинин А.Н. Особенности обработки высокоточных отверстий корпусных деталей резцами из синтетических сверхтвердых материалов. //Алмазы и сверхтвердые материалы. М.: 1979,- №11,- с. 16-19.

26. Ермаков Ю.М. Эффективность механической обработки упругодемп-фированными инструментами. // Технология, оборудование, организация. М.: ВНИИТЭМР, 1987.- 46 с.

27. Жарков И.Г. Вибрации при обработке лезвийным инструментом. -JI.Машиностроение, 1986.- 180 с.

28. Жедь В.П., Боровский Г.В., Музыкант Я.А. и др. Режущие инструменты, оснащенные сверхтвердыми и керамическими материалами, и их применение. М: Машиностроение, 1987.- 320 с.

29. Зазаренко И.П. Эффективность обработки инструментов сверхтвердыми материалами. М.: Машиностроение , 1982 - 223 с.

30. Зенкевич О.В. Метод конечных элементов в технике: Пер. с англ. М., 1975:

31. Ищенко И.И., Нижник С.Б., Погребняк А.Д. и др. Влияние обработки из гексанита-Р на структурное состояние поверхности и сопротивление ус-талостности низкоотпущенных углеродистых сталей. Киев.: Сверхтвердые материалы, 1980.- N6.- с. 46-51.

32. Кабалдин Ю.Г. Исследование прочности сцепления стружки с инструментом при прерывистом резании. // Станки и инструмент. М., 1973.-N 4.-с. 36-37.

33. Каменкович А.С., Ипполитов Г.М., Музыкант Я.Д. Лезвийный инструмент из эльбора-Р и его применение. М.: НИИМАШ, 1974.- 56 с.

34. Карюк Г.Г., Бочко А.В. и др. Высокопроизводительные инструменты из гексанита Р.- Киев.: Наукова думка, 1986.- 136 с.

35. Кацев П.Г. Статистические методы исследования режущего инструмента М.: Машиностроение, 1974.- 240 с.

36. Клушин М.И. Резание металлов.- Машгиз, 1958.- 454 с.

37. Клушин М.И. Системный подход при решении вопросов конструирования и эксплуатации режущего инструмента. // Вопросы обработки металлов резанием. Иваново.- НЭИ, 1978.- с. 3-10.

38. Колев К.С., Горчаков J1.M. Точность обработки и режимы резания. -М.: Машиностроение, 1976.- 144 с.

39. Конструкции и эксплуатация резцов, оснащенных СТМ на основе нитрида бора.: Методические рекомендации. -М. : ВНИИТЭМР, 19877- 71 с.

40. Кравченко Б.А. Силы, остаточные напряжения и трение при резании металлов,- Куйбышев: Куйбышевское книжное издательство, 1968.- 180 с.

41. Кравченко Б.А. О влиянии параметров обработки на силы, действующие по задней поверхности инструмента. // Вестник машиностроения.-М., 1989.-N6,-с. 41-43.

42. Кудряшов Е.А. Лезвийные сверхтвердые материалы (обработка прерывистых поверхностей деталей из черных металлов).- Иркутск: Изд-во ИГУ, 1987,- 72 с.

43. Кудряшов Е.А., Гапонов Ю.Н. Исследование поверхностного слоя деталей, обработанных прерывистым резанием. // Станки и инструмент. -М.- 1980.-№.- с. 28-29.

44. Кудряшов Е.А., Бабешко В.Н. К вопросу оптимизации процессов обработки черных металлов композитами. // Вестник машиностроения, М.: 1993, № 12 с. 27-29.

45. Кудряшов Е.А. Влияние ударной нагрузки на качество обработки деталей резцами из гексанита-Р //М.: Станки и инструмент, 1984, N 4.-С.25-26.

46. Лашнев С.И., Юликов И.И. Проектирование режущей части инструмента с применением ЭВМ. М.: Машиностроение, 1980. - 208 с.

47. Локтев А.Д., Эдельсон А.З. Рациональное использование режущего инструмента. М.:ВНИИТЭМР, Серия 2. Выпуск 1, 1986,- 56 с.

48. Лоладзе Т.Н. Прочность и износостойкость режущего инструмента. -М. : Машиностроение, 1982.- 320 с.

49. Лысанов В. С., Букин В. А., Глаговский Б. А. и др. Эльбор в машиностроении. -Л.: Машиностроение, 1978.-280 с.

50. Макаров А.Д. Оптимизация процесса резания. М.: Машиностроение, 1976.-278 с.

51. Малкин А .Я. Вопросы качества режущих инструментов. // Известия вузов. Машиностроение. Изд. МВТУ им. Н.Э. Баумана. 1979. №11. - с. 95- 104.

52. Маталин А.А. Технология машиностроения. J1.: Машиностроение, 1985.-496 с.

53. Маталин А.А. Технологические методы повышения долговечности деталей машин. Киев.: Техника, 1971,- 142 с.

54. Медведев Д.Д. Автоматизированное управление процессом обработки резанием. М.: Машиностроение, 1980.- 144 с.

55. Методические положения по лабораторным испытаниям инструмента, оснащенного синтетическими сверхтвердыми материалами и режущей керамикой. М.: НИИТАВТОПРОМ, 1987. - 32 с.

56. Мосталыгин Т.П., Толмачевский Н.Н. Технология машиностроения. -М.: Машиностроение, 1990.-288 с.

57. Номенклатура режущего инструмента из минералокерамики и сверхтвердых материалов на основе нитрида бора, выпускаемого заводами Минстанкопрома. М.:НИИМАШ, 1984,- 44 с. - 259

58. Ординарцев И.А., Филиппов Г.В., Шевченко А.Н. и др. Справочник инструментальщика. Л.: Машиностроение, 1987 - 846 с.

59. Папшев Д. Д. Отдел очно-упрочняющая обработка поверхностным пластическим деформированием.- М.Машиностроение, 1978.- 312 с.

60. Петрушин С.И. Определение напряжений в зоне стружкообразования методом линий скольжения с учетом контактных нагрузок // Изв. вузов. Машиностроение, 1987. - №3. - С. 117-120.

61. Петрушин С.И. Проектирование режущей части инструментов из композиционных материалов // СТИН. 1997. - № 2. - С. 26-29.

62. Петрушин С.И. Оптимизация формы режущего клина лезвийных инструментов // Вестник машиностроения. 1995. - №2. - С. 25-28.

63. Подураев В.Н. Резание труднообрабатываемых материалов. М.: Высшая школа, 1974,- 587 с.

64. Прагер В. Основы теории оптимального проектирования конструкций. -М.: Мир, 1977.- 111 с.

65. Пупин А.П. Обработка резцами из эльбора-Р среднеуглеродистых сталей, серых чугунов и высококремнистых алюминиевых сплавов. // Абразивы. М.,-1974.- N 4.- С. 12-14.

66. Резников А.Н. Теплофизика резания.-М.Машиностроение, 1969.- 288 с.

67. Родин ПР., Равская Н.С., Лапин Д.В. Проектирование резцов с механическим креплением многогранных неперетачиваемых пластин // Резание и инструмент: Сб. статей (Харьков). 1988.- №39. -С. 3-7.

68. Розенберг A.M., Еремин А.Н. Элементы теории процесса резания металлов,- М.: Машгиз, 1956.-319 с.

69. Сахаров Г.Н., Арбузов О.Б., Боровой Ю.Л. и др. Металлорежущие инструменты. М.: Машиностроение, 1989.- 328 с.

70. Силы резания и методы их определения: Учеб. пособие / Под ред. Ю.А. Розенберга. Курган. : Изд-во КМИ, 1995. - 129 с.

71. Слетков В.А. и др. Использование эльбора-Р при ремонте базовых деталей металлорежущих станков // Химическое и нефтяное машиностроение,-1984.-№ 12.

72. Соломенцев Ю.М. Проектирование технологии.- М.: Машиностроение, 1990.-416 с.

73. Соломенцев Ю.М., Митрофанов В.Г., Протопопов С.П. и др. Адаптивное управление технологическими процессами, 1980.- 536 с.

74. Спиридонов А.А. Планирование эксперимента при исследовании технологических процессов.-М. Машиностроение, 1981.- 182 с.

75. Спиридонов А.А., Васильев Н.Г. Планирование эксперимента. -Свердловск.: Изд-во УПИ, 19757- 207 с.

76. Старков В.К. Дислокационные представления о резании металлов. М.: Машиностроение, 1979. -160 с.

77. Старков В.К. Технологические методы повышения надежности обработки на станках с ЧПУ. М.: Машиностроение, 1984.- 118 с.

78. Сулима A.M., Евстигнеев М.И. Качество поверхностного слоя и усталостная прочность деталей из жаропрочных и титановых сплавов. М.: Машиностроение, 1974,- 244 с.

79. Талантов Н.В. Физические основы процесса резания, изнашивания и разрушения инструмента. М.: Машиностроение, 1991. -240 с.

80. Типовые технологические процессы обработки деталей лезвийным инструментом из композита: Методические рекомендации. -М.:НИИМАШ, М.:ВНИИТЭМР, 1986.- 207 с.1980,-180 с.

81. Трент Е.М. Резание металлов.- М.: Машиностроение, 1980. -263 с.

82. Уманский Я.С. Рентгенография металлов. М.: Металлургиздат, 1967.188 с.

83. Хает Г.Л. Прочность режущего инструмента. М.: Машиностроение, 1975,- 168 с.

84. Эффективное применение режущего инструмента, оснащенного синтетическими сверхтвердыми материалами и керамикой в машиностроении: Методические рекомендации,- М.ВНИИТЭМР, 1986.-207 с.

85. Юликов М.И., Горбунов Б.И., Колесов Н.В. Проектирование и производство режущего инструмента. М.: Машиностроение, 1987.-296 с.

86. Якимов А.В., Слободяник П.Т. Теплофизика механической обработки.-Киев-Одесса: Лыбидь, 1991.-240 с.

87. Ящерицын П.И. Основы резания металлов и режущий инструмент. -Минск.: Высшая школа, 1975.- 599 с.

88. Ящерицын П.И., Еременко М.Л., Фельдштейн Е.Э. Теория резания. Физические и тепловые процессы в технологических системах.- Мн.: Высшая школа, 1990.- 512 с.

89. Advanced ceramic materials for metal cuttun. / T.B. Troczynski, D. Ghoch, S.Dos. Custa, J.K. Jarobs // Proc. Int. Sump. Adv. Struct. Mater., Montreol. Aug. 28-31, 1988 -New York etc., 1989 P. 157-168.

90. A.X. Xiaoh., H.S. Jong. Effect of rohisker opientution on toughening benariour and cutting performance of SiSw-A1203 composite // Mater. Sci. and Technol. 1992. - V. 9, №2. - P.21-25.

91. Die Fertigung von Wenderschneidplatten und Sonderwerkzengen mit CAD/CAM Sistem / Bispung R. // Werstottstechnik. - 1991. - Bd 81. №4. -S.203-207.

92. Coromant Turning Tools 93/94: Catalogue.- Sandvikcn: AB Sandvik Coromant, 1993.- 576 p.301

93. Coromant Rotating Tools 94/95: Catalogue. Sandviken: AB Sandvik Coromant, 1994.- 584 p.1. Рекомендациипо выбору режимов чистового фрезерования закаленных чугунов фрезами, оснащенными режущими элементами из композита 05.

94. В случае, если фрезерование предшествует окончательному шлифованию, при выборе режимов фрезерования следует пользоваться приведенной ниже таблицей.

95. Припуск под шлифование, мм Подача s, мм/зуб. Глубина резания t, мм Толщина упроченного слоя, мкм0,2-5-0,4 0,08*0,1 0,8*1,0 8500,1*0,2 0,06*0,08 0,6*0,8 5000,1 0,01*0,02 0,1*0,2 250

96. При указанных значениях подачи s и глубины фрезерования t после шлифования в подповерхностном слое сохраняются остаточные напряжения сжатия и деформационно-упроченные слои материала.

97. При этом скорость резания, как и в предыдущем случае, следует выбирать по характеристикам станка и стойкости инструмента.