автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Повышение эффективности токарной обработки с нагревом заготовки тепловым потоком и рациональным охлаждением режущего инструмента

На правах рукописи

ЗОТОВА Вера Александровна

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТОКАРНОЙ ОБРАБОТКИ С НАГРЕВОМ ЗАГОТОВКИ ТЕПЛОВЫМ ПОТОКОМ И РАЦИОНАЛЬНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА

Специальность: 05. 03. 01. - Технологии и оборудование механической и физико-технической обработки

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Нижний Новгород, 2006

Работа выполнена в Нижегородском государственном техническом университете

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Сорокин Виталий Матвеевич

Научный консультант: доктор технических наук, профессор

Рыкунов Александр Николаевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Полетаев Владимир Алексеевич кандидат технических наук, профессор Можин Николай Афанасьевич

Ведущее предприятие: ОАО НАЗ «Сокол» , г. Нижний Новгород

Защита состоится «17» февраля 2006 г. в 16 часов на заседании диссертационного Совета Д 212.062.03 при Ивановском государственном университете по адресу: 153025, г. Иваново, ул. Ермака, д.39, ауд. 459

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ивановского государственного университета

Автореферат разослан " /у 2006г.

Ученый секретарь ^ Наумов А.Г.

диссертационного совета

аообй

Общая характеристика работы

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. Лезвийная обработка конструкционных материалов (углеродистых, легированных и др. сталей) и, в частности, процесс точения занимает значительное место в практике машиностроительного производства. Поэтому повышение его производительности, стойкости инструмента при заданных параметрах точности и качества поверхности на стадйях как черновой, так и чистовой обработки является актуальной задачей.

Проблема усугубляется еще и постоянным ростом дефицита и стоимости тугоплавких составляющих материала режущего инструмента, его изготовления или приобретения за рубежом. По этим причинам задача повышения стойкости инструмента за счет снижения усилия резания при заданной производительности приобретает большое значение.

Применяемые, с этой целью, в промышленности различные способы интенсификации процесса резания, в том числе и, с предварительным нагревом поверхностного слоя заготовки не всегда достаточно эффективны особенно в современных условиях создания и развития малых предприятий, а также ремонтных баз. Поэтому весьма важными остаются поиск и внедрение в практику новых более перспективных способов улучшения условий резания, позволяющих значительно повысить производительность обработки, стойкость и надежность работы инструмента, качество обработанной поверхности.

Настоящая работа выполнялась в соответствии с госбюджетной тематикой кафедр «Технология машиностроения» НГТУ и «Надежность и ремонт машин» НГСХА и договорам по сотрудничеству с ремонтными предприятиями Горьковской железной дороги.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Повышение производительности и стойкости резцов при точении на основе разработки новых схем и устройств для совмещенной обработки валов с предварительным нагревом поверхностного слоя металла и назначения рациональных технологических режимов с учетом тепловой напряженности процесса резания.

Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи.

1. Выполнить комплекс теоретико-экспериментальных исследований по проблеме обрабатываемости металлов резанием с нагревом верхнего слоя заготовки различными способами и на этой основе предложить более эффективные схемы обработки.

2. Разработать работоспособные рациональные конструкции режущего инструмента и устройства для нагрева обрабатываемой поверхности заготовки, обеспечивающие высокую эффективность процесса обработки, в частности, производительность, стойкость инструмента и качество.

3. Теоретически и экспериментально обосновать основные технологические возможности и параметры новых конструкций инструмента и устройства для нагрева обрабатываемой поверхности.

4. Исследовать основные закономерности процесса точения валов из труднообрабатываемых сталей с нагревом, влияние режимов нагрева, резания нагретого металла на производительность п] " умента и по-

казатели качества обработанной поверхности, и на этой основе определить оптимальные условия обработки.

5. Разработать рекомендации по внедрению результатов исследований на производстве и на этой основе разработать технологию обработки нежестких валов из труднообрабатываемых сталей.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИИ. Изучение процесса резания при точении валов и осей с нагревом их поверхностей осуществлялось путем проведения критического анализа литературных данных, теоретических и экспериментальных исследований. 1

Теоретические исследования базировались на классической теории источников тепла и совместном рассмотрении тепловых и механических явлений при резании металлов, методах математического и физического моделирования, основах технологии машиностроения.

Экспериментальные исследования проводились с применением стандартных и оригинальных методик, предусматривающих измерение комплекса параметров резания и изнашивания инструмента, параметров качества обработки.

Обработка результатов экспериментов осуществлялась с использованием методов математической статистики.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ

1. Выполнены комплексные теоретикотэкспериментальные исследования и получены результаты (патенты РФ № 2188747, № 24131) в области разработки прогрессивной технологии изготовления валов из труднообрабатываемых материалов с предварительным нагревом их поверхностей и рациональным охлаждением инструмента.

2. Дано теоретическое обоснование повышению эффективности совмещенной обработки резанием с одновременным нагревом поверхностного слоя (СОР с НПС), (качество, производительность и др.) за счет создания и использования новых совмещенных, конструктивных схем и конструкций инструментов, устройств, обеспечивающих улучшение условий теплоотвода из зоны резания и отличающихся простотой, дешевизной и безопасностью в процессе обработки.

3. Исследовано влияние температур нагрева поверхности обрабатываемой заготовки на стойкость инструмента и показатели ее качества и на этой основе определены оптимальные условия обработки.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ

Практическая ценность работы состоит в том, что на основе исследований точения валов с нагревом их поверхностей до температур ниже точки рекристаллизации и одновременного улучшения теплоотвода из зоны резания достигнуто: '

- увеличение стойкости режущей кромки инструмента;

- повышение производительности обработки;

- улучшение показателей качества обрабатываемых поверхностей.

Полученное в работе результаты позволяют разработать технологический

прёцесс обрабопш поверхностей различных по габаритам и конструктивной

форме валов, обеспечивающий необходимые требования к деталям на стадии как черновой, так и получистовой механической обработки резанием.

Разработаны и реализованы на практике конструктивные схемы устройства и инструмента, позволяющие вести высокопроизводительную обработку с заданным качеством поверхностей деталей из труднообрабатываемых материалов на токарном оборудовании.

РЕАЛИЗАЦИЯ РАБОТЫ. Отдельные положения работы приняты к внедрению. Результаты теоретико-экспериментальных исследований использованы при разработке опытно-промышленной технологии изготовления нежестких валов из труднообрабатываемых материалов и переданы для апробации и внедрения на ряд промышленных предприятий. Использование их на ремонтных предприятиях Горьковской железной дороги позволило получить годовой экономический эффект 10 тыс. рублей на единицу оборудования.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные результаты работы докладывались на:

- ежегодных научных конференциях и семинарах Нижегородского государственного технического университета в 1998 - 2003 г.г;

- заседаниях кафедр «Технология машиностроения» НГТУ и «Автомобильный транспорт» ВГИПА в 2002-2005 г.г;

- Всероссийских научно-технических конференциях «Наука производству: современные задачи управления, экономики и технологии в машино- и приборостроении». - Нижний Новгород - Арзамас, 1998;

- Российской научно-технической конференции "Проблемы определения технологических условий обработки по заданным показателям качества изделий". -Рыбинск, 2003;

- Всероссийской научно- технической конференции "Современные проблемы машиностроения и транспорта ". - Ульяновск, 2003;

- Международной научно- технической конференции "Проблемы машиностроения и технологии материалов на рубеже веков". - Пенза, 2003;

- Международной научно- технической конференции "Состояние и перспективы развития Электротехнологии". - Иваново, 2003;

- Международной юбилейной технической конференции "Наука о резании материалов в современных условиях". - Тула, 2005;

- Научно-методической конференции "Совершенствование обработки валов в условиях авторемонтного предприятия" ВГАВТ. - Н.Новгород, 2005;

- Триботехническом семинаре Ивановского государственного университета, 2005.

ПУБЛИКАЦИИ. По материалам диссертационной работы опубликовано 18 печатных работ, в том числе получен один Патент РФ и одно свидетельство на полезную модель.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, библиографического списка из 95 наименований и приложений. Содержит 145 страниц машинописного текста, 28 рисунков и таблиц.

Основное содержание работы

ВО ВВЕДЕНИИ обоснована актуальность работы. Приводится общая характеристика результатов исследований, полученных в диссертации, представлены основные положения, выносимые на защиту.

В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ приводится обзор современного состояния в области формообразования поверхностей валов при обработке точением, анализ различных аспектов решения задач повышения производительности и качества обработки валов, дается обоснование применения для этих целей нагрева от внешних источников поверхностей изделий, изготавливаемых из труднообрабатываемых материалов.

Показан большой в клад отечественных ученых A.A. Авакова , A.M. Да-ниеляна, Д.Г. Евсеева, H.H. Зорева, А.И. Исаева, Б.А. Кравченко, В.А. Криво-ухова, Т.Н. Лоладзе, А.Д. Макарова, П.Г. Петрухи, A.B. Подзея, В.Н. Подурае-ва, H.H. Резникова, H.H. Рыкалина, Н.С. Рыкунова, С.С. Силина, А.Н. Строшкова, Н.В. Талантова, Я.Г. Усачева, М.А. Шатерина, A.B. Якимова, П.И. Ящерицина и др. в развитие теоретических основ теплофизики процессов резания и нагрева металлов. Ряд работ зарубежных ученых Е. Терберта, X. Такеяма, К. Триггера, Е. Усуи и др. дополняют проведенные исследования.

В результате анализа литературных источников показано, что применение нагрева является эффективным направлением интенсификации процессов лезвийной обработки. Отмечается, что одним из важнейших факторов, ограничивающих производительность и качество обработки являются характер деформации и износа инструмента. Наряду с разработкой конструктивных решений, обеспечивающих снижение износа инструмента, необходимо назначать также режимы обработки с учетом многообразия явлений, сопровождающих процесс резания, в частности тепловой напряженности в зоне обработки. Выявлено, что эффективность процесса резания труднообрабатываемых материалов с предварительным их нагревом тем или иным способом связана с возникновением неравномерной тепловой напряженности в зоне обработки и зависит от установления эффективных путей и средств устранения или минимизации разности температур при резании за счет отвода тепла от режущей кромки.

Несмотря на разнообразие способов нагрева заготовки и охлаждения инструмента в зоне резания за счет теплоотвода, материалы исследований практически не дублируют друг друга, а имеют собственную область применения, определяемую условиями обработки. Имеющийся опыт исследования тепловых процессов при резании показывает всю сложность возникающих явлений, которые приводят к неоднозначной зависимости между температурным полем и параметрами обработки.

В современных условиях с большой сетью малых промышленных предприятий и ремонтных организаций весьма эффективно может использоваться газопламенный нагрев обрабатываемых резанием заготовок, отличающийся простотой, дешевизной и безопасностью работ.

На основании результатов проведенного анализа сформулированы цель и задачи исследования.

ВО ВТОРОЙ ГЛАВЕ представлены результаты теоретико- экспериментального исследования и разработки процесса совмещенной обработки резанием с одновременным нагревом поверхностного слоя (СОР с НПС) заготовки; описания и теоретического обоснования его конструктивно-технологических параметров и технологических возможностей.

Известно, что эффективность такой обработки в значительной степени зависит от правильного выбора параметров нагрева и процесса резания. Сочетание этих параметров должно быть таким, чтобы с одной стороны, срезаемый слой нагревался до температуры при которой в достаточной мере снижаются твердость и предел прочности обрабатываемого материала, а с другой стороны суммарная температура (от внешнего источника и работы резания) в зоне обрабатываемой поверхности и режущей кромки инструмента не должна превышать значений, которые нарушали бы структуру обработанной поверхности заготовки и не привели бы к катастрофическому износу инструмента. Для обеспечения этих условий обработки был разработан процесс СОР с НПС заготовки (патент

Сущность процесса СОР с НПС состоит в том, что перед съемом припуска с поверхности заготовки (например, вала)производят нагрев его поверхностного слоя газопламенной горелкой на глубину 1 -4 мм в зависимости от назначенного режима. Нагрев поверхности осуществляется с регулированием потока пламени так, чтобы факел пламени в точках касания с поверхностью заготовки имел температуру 800-1000°С, а расстояние Ь от центра пятна нагрева до начала резания металла выдерживалось с учетом достижения в срезаемом слое температуры разупрочнения 1ГСр = 500-600°С, при этом горелку располагают под углом к поверхности нагреваемой детали. Резание производится резцом из

твердого сплава, снабженным каналами (камерой), куда подается охлажденная эмульсия (вода) для улучшения теплоотвода из зоны резания.

Устройство включает в себя стандартную газопламенную горелку 1, блок контроля 2 за нагревом поверхности заготовки и пульт управления 3, которые монтируются на поперечном суппорте 4 токарного станка. Блок контроля 2 за температурой нагрева заготовки 5 представляет собой подпружиненный биметаллический элемент 15 и 16 (пружина), соединенный с осью индукционного датчика 17 и связанный проводником через усилитель 18 с блоком управления 19 смесительной камерой газопламенной горелки и пультом управления 3 устройства. Пульт управления 3 устройством содержит три пары переключателей, которые управляют перемещениями суппорта 4 и резцедержателя 8. При этом одна пара переключателей 20 и 21 служит соответственно для замыкания и разрыва цепи питания двигателя 14 привода(через редуктор 13)продольного перемещения суппорта по винту 12. Два других переключателя 22 и 23 - соответственно для управления (через блок управления 19) мощностью горелки и скоростью перемещения поперечного суппорта 8. Третья пара переключателей 24 и 25 предназначена для включения и выключения цепи поперечной подачи резцедержателя (электродвигатель 11, редуктор 10, винт 9).

Основой эффективности процесса СОР с НПС является определение оптимальных параметров суммарного температурного поля, создаваемого в зоне резания заготовки. Характер температурного поля зависит от конструктивно-технологических параметров источника нагрева (диаметра сопла - с!, состава пламя образующих газов и их расхода С, мощности пламени угла его наклона -у к обрабатываемой поверхности и расстояний - Ь от сопла до обрабатываемой поверхности и Ь - от центра полосы нагрева до вершины резца), а также параметров режима резания: скорости и, подачи Б, глубины I.

Суммарную температуру в зоне резания нагретого металла Тр+ в общем виде можно представить выражением

т;=тн+дг, (1)

где Т„ - температура нагрева заготовки от внешнего источника тепла; ДТ+ - повышение температуры за счет работы собственно резания нагретого металла.

Оптимальное значение Тр+ соответствует наиболее благоприятным условиям резания, трения и изнашивания инструмента, которые, как установлено, определяются различными комбинациями Т„ заготовки и параметрами (и, г) режима резания, обеспечивающих наименьшую интенсивность износа инструмента и наибольшую его размерную стойкость.

При различных значениях параметров режима резания оказывающих влияние на качество и производительность обработки, величина ДТ* будет изменяться и для обеспечения постоянства оптимального значения Тр+, следует управлять процессом, изменяя температуру Тн.

Для установления необходимых величин Тн схематизируем процесс воздействия тепловым потоком на заготовку в виде суммы бесконечно большого числа процессов от точечного нормально-сферического источника, что вполне допустимо. Затем, решая задачу о температурном поле в полупространстве, ограниченном плоскостью ХОУ системы координат, перемещающейся вместе с

источником нагрева, находящимся в начале координат, при этом ось ОХ направлена по движению пятна нагрева, ось ОУ - в глубь тела, а тепловые потоки в направлении параллельном оси ОХ незначительны, процесс распространения тепла можно описать уравнением

х'+у'

где Ьш - соответственно, коэффициенты тепло- и температуропроводности в кал/см.с.град. и см2/с.; т - время, отсчитываемое с момента пересечения источником тепла плоскости ХОУ, перпендикулярной оси движения источника через рассматриваемую точку (вершину резца).

Отсюда температуру на поверхности заготовки можно определить по выражению.

ТН =--Л' <3>

л-е-ъ-с у-\х +у ) Тогда, задавая значение температуры в любой точке тела, например, на расстоянии I.2 = у2 + х! от источника тепла Т„|_, получим

(4)

V пе»суТ/а

где су - объемная теплоемкость в кал/см3.град.

Значение интенсивности q определяется, исходя из мощности горелки, используя уравнение Н.Н. Рыкалина

'(5)

тт

где W - мощность пламени газовой горелки, вт; К0 - коэффициент, характеризующий сосредоточенность потока тепла, в 1/см2; т] - коэффициент полезного действия горелки.

Данные коэффициенты определяются экспериментально калориметриро-ванием. В зависимости от условий эксперимента с!, Ь) их величины следуя методике А.Н. Резникова, можно оценить выражениями

П^ОООЗЛ, (6)

ГУ '

По литературным данным и результатами проведенных экспериментов подтверждено, что приращение температуры резания ДТ* приближается к величине, равной разности температуры плавления Тпл обрабатываемого материала и температуры его нагрева горелкой Т,„ следовательно, для данного способа обработки справедлива будет зависимость

А!Г = (Тпл е'0")-КуК3, (7)

где с - постоянная обрабатываемого материала, определяемая по формуле:

420

С=<? ав (1+235) , (8)

8 - относительное удлинение ; Кт и К5 - коэффициенты, учитывающие влияние переднего угла резца и подачи, соответственно.

По приведенным зависимостям, задаваясь оптимальной Тр+ (например, ТР+=950'С), установлены рациональные конструктивно-технологические параметры установки: IV = 10-15 кВт, с1 = 6 мм, Ь = 10-12 мм, = 45', Ь < 60 мм, которые обеспечивают необходимую Тн в зоне пятна контакта факела горелки >1000"С и зоне резания при Ь = 50 мм - 500-600'С.

Поскольку при резании с нагревом заготовки режущий клин инструмента нагревается до высоких температур, то его необходимо охлаждать, при этом следует избегать больших градиентов температур, иначе могут появиться нежелательные напряжения и трещины в материале режущей части инструмента (твердосплавных пластин). В связи с этим был предложен резец с водяным охлаждением (а. с. на полезн. модель №24131 от 27.07.02г.).

С привлечением теории теплопроводности проанализирована тепловая напряженность его рабочих элементов. Количество теплоты, поступающей в единицу времени в режущий инструмент составит (<3Р+ + <3Ш.,), где 0Р+ - количество теплоты, поступающей из зоны резания при нагреве заготовки; С2тл - теплота, попадающая на рабочие части инструмента в виде излучения пламени горелки, её можно определить по формуле

=0,15-^-^-3-, (9)

71 Ь

где Ь- ширина режущей кромки; I - вылет инструмента.

Часть этой теплоты (<3Р+ + 0ИЗЛ) необходимо отвести через канал диаметром бэкв (эквивалентный) и активной длиной (к, в котором с расходом

в (см3/с)

циркулирует вода. Обозначая через То - температуру на поверхности стенок канала, а а (Вт/см2 °С)-коэффициент теплоотдачи, будем иметь

тф;+ди„)

Значение О « Б08 / Ь13'®6 - определяется через критерии Прандтля Нуссельта и Рейнольдса, То - рассчитывается в соответствии с формулами теплофизики.

Тогда, после преобразований имеем соотношение

Ж9

Г . ->ос V1-25

225а>„т

1п- р

щлу- е]

(И)

где расстояние от кромки резца до стенки канала (канал располагается параллельно режущей грани твердосплавной пластины). Данная формула позволяет рассчитать расход воды для охлаждения или, при заданном в - диаметр теплоотводящих каналов. Выполненные расчеты позволили установить: с1экв= 8,2 мм; в = 4,8 см3/с = 0,3 л/мин при 0,8Ь; Хр= 0,385, шр= 0,145; е,= 12 мм; = 0,5; т = 720с.

При таком охлаждении, как будет показано ниже, происходит повышение стойкости резца по сравнению с обработкой без охлаждения в 1,5-2 раза.

В ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ излагается методика экспериментальных исследований процесса СОР с НПС при черновой и получистовой обработках цилинд-

рических поверхностей. Описывается оборудование и инструмент. Обосновывается выбор измеряемых параметров, их диапазон, шаг изменения и выбор измерительной аппаратуры заданной точности. Раскрывается методика планирования и постановки эксперимента, а также методика статистической обработки результатов измерений, проводимая на различных этапах исследования.

Исследования включали в себя проведение контрольных экспериментов: по установлению характера распределения температурного поля; определению температур нагрева и резания заготовки; определению сил резания; определению относительного линейного износа (стойкости) инструмента; определению показателей качества обработки длинномерных деталей (точности, шероховатости, наклепа).

Для проведения экспериментальных исследований была спроектирована и изготовлена специальная установка, позволяющая варьировать температуру нагрева и режимы резания, которая устанавливалась на суппорте токарно-винторезного станка (рис.1) мод. 16К20 или 1К62.

В качестве обрабатываемых материалов приняты различные конструкционные легированные стали 40Х, 30X13, 15ХМ, Х12Ф1, отличающиеся друг от друга химическим составом, механическими и теплофизическими свойствами. Образцами для исследований приняты заготовки в виде вала диаметрами 20-60 мм, длиной 300 мм. Обработка производилась резцами с припаянными пластинами из твердого сплава Т15К6, Т5К10, с геометрическими параметрами а = 6-8°, <р = 45°, у = 10°,/ = 0,5 мм, уф =--7°, г= 1,5 мм.

По результатам предварительных исследований установлены следующие пределы режимов нагрева и резания заготовок ТН=300-700°С, г) = 10-100м/мин, 8=0,2-1,5мм/об, 1=0,5-4мм.

Для измерения сил резания использовался универсальный динамометр УДМ-600 конструкции ВНИИ с усилителем ТА-5 и осциллографом Н-117. Измерение температур нагрева заготовки Т„, в зоне резания (на расстоянии Ь=55-60 мм от центра пятна нагрева) производилось специальной хромель-алюмелевой термопарой, ввернутой в образцы, с помощью тарированного милливольтметра. Температура резания измерялась методом естественной термопары.

Оценку шероховатости обработанной поверхности производили на профи-лографе-профилометре модели 201 завода "Калибр". Измерения микротвердости и наклена поверхностного слоя проведены по изготовленным образцам микрошлифов на приборе ПМТ-3 с нагрузкой на индентор 50г, с использованием оптического микроскопа ММР-2Р и окуляр микроскопа типа МОВ-1-15.

Точность обработанной поверхности контролировали по наружному диаметру индикатором типа СИ (ГОСТ 11098-75) завода «КРИН» с точностью до 0,01 мм. Измерение размерного износа или стойкость инструмента осуществлялось в специальном приспособлении с индикатором часового типа с ценой деления 0,001 мм. В качестве критерия износа принята ширина фаски износа 0,6 мм при черновой и 0,3 мм при получистовой обработках, так как с дальнейшим увеличением износа повышалась шероховатость поверхности образцов, а режущие кромки инструментов разрушались.

ЧЕТВЁРТАЯ ГЛАВА посвящена анализу результатов экспериментальных исследований процесса СОР с НЛС на этапах черновой и получистовой обработки.

По результатам модельных испытаний (по методике А.Н. Строшкова) построено температурное поле для различных скоростей перемещения газопламенной горелки и её мощности . В качестве примера приведены следующие результаты: при скорости и = 10-20 м/мин, что соответствует скорости черновой обработки при нагреве пламенем мощностью 10 кВт на глубине залегания термопары 1,6мм зарегистрирована температура « 500°С; в аналогичных условиях при W = 13 кВт Т„ составила уже 850°С. с увеличением мощности горелки возрастает ширина участка, нагреваемого пламенем горелки. Например для изотермы =150°С при W = 10 кВт ширина участка, нагретого выше 150°С составляет = 25 мм, а для = 13 кВт =36 мм.

Приводятся результаты измерения температур в зависимости от режимов обработки. Для принятых условий (и, в, 1) испытаний пар Т15К6 - сталь 30X13,15ХМ установлено, что с уменьшением и в интервале 10-100 м/мин и 8=0,21-1,1 мм/об как при черновой, так и при получистой (и =-40-100 м/мин, 8=0,21-0,3 мм/об) обработках интенсивность и температуры нагрева возрастают это можно объяснить снижением динамического фактора контакта пары резец-заготовка и уменьшением прерывистости контакта (при меньших в). С изменением и в интервале 40-100 м/мин, 8= 0,21-0,6 мм/об при 1 = 0,5-1 мм величины температур оптимального нагрева пламенем горелки составляют 350-600°С, причем с ростом V при меньших 8 (0,21-0,3 мм/об) величины Т„ снижаются до 350-400°С и их снижение происходит интенсивнее, чем для других подач. Это связано с разупрочнением контактных слоев в непосредственной близости к режущей кромке за счет роста температур собственно резйния (ДТ*). Указанное подтверждает, что с увеличением параметров режима резания (для повышения производительности) необходимо снижать (регулировать) температуру нагрева (Т„). Это вызвано необходимостью обеспечения постоянства температуры на контактирующих поверхностях инструмента, так как в процессе обработки происходит повышение температуры собственно работы резания ДТР+ и, следовательно, её доля в Тр+ возрастает. Например, в условиях нашего эксперимента только при повышении подачи с 0,2 до 1,0 мм/об при и = 50 м/мин и I = 0,5 мм доля Д'Г'в Т* возросла с 23% до 54%, что соответственно потребовало снижения Т„ в 2,4 раза.

Оптимальные температуры в зоне резания (Тр+) и нагрева заготовки (Тн) для исследуемых материалов и условий обработки, полученные в результате стойкостных испытаний инструментов, составляют Тр+= 950-1050°С (без охлаждения резца), Тр+ = 780-870°С (охлаждаемый резец), Т„= 400-500°С (рис.2.).

Между стойкостью инструмента (Ст) и Т„ - зависимость экстремальная, поскольку при постоянных значениях параметров режима резания путь и Ст пропорционален периоду стойкости инструмента, а Т„ однозначно связана с мощностью горелки Так как оптимальное значение Тн зависит от свойств обрабатываемого и инструментального материалов, а также от режима резания, то единых значений Т„ рекомендуемых для обеспечения наибольшей Сх инст-

румента, не может быть; они должны определяться (оптимизироваться) в каждом конкретном случае для тех или иных условий СОР с НПС.

охлаждаемого резца от температуры нагрева Тн заготовки и скорости резания и при постоянных значениях Б =0,25 мм/об, 1=0,5 мм.

В результате статистической обработки результатов измерений износа инструментов в исследуемом диапазоне режимов резания и нагрева предложена эмпирическая формула периода стойкости инструмента (для критерия затупления И3 = 0,6мм)

Особенностью изнашивания резцов при СОР с НПС является практически отсутствие времени приработки инструмента и линейная зависимость величины фаски износа по задней поверхности инструмента от времени. Это свидетельствует об адгезионном характере изнашивания контактной поверхности твердосплавного резца.

Исследования составляющих сил резания ?7 и Ру точении с нагревом'' (Т„=450°С) и без него показали, что происходящее в результате нагрева разупрочнение верхнего слоя металла приводит к снижению сил резания, практически для всех режимов обработки в 1,3-2 раза. Такое снижение нагрузки на инструмент является существенным резервом повышения, во-первых, точности размеров на 1-2 квалитета при обработке нежестких валов и во-вторых- подачи и глубины резания, а значит - производительности обработки в 5-8 раз, особенно на черновых операциях.

Сравнительные результаты измерений шероховатости обработанных поверхностей способом СОР с НПС показали, что её величина при черновом точении находится в пределах К.а= 8,5-3,8 мкм, при получистовом Я.а = 2,3-1,22 мкм. Эти значения параметра Яа в 2-2,5 раза ниже, чем при точении без нагрева заготовки. В результате статистической обработки результатов измерений получена математическая зависимость шероховатости от параметров режима резания и нагрева заготовки

рл0,02+1п V _ гт0,08+1п5+ р0,024 .0,004+1п/ .0,001 ^0,427

п ___. ____»

а г^О,35 т-0,04+1п Ти

' н

В ПЯТОЙ ГЛАВЕ на основании анализа результатов проведенных теоретических и экспериментальных исследований рассмотрены вопросы реализации и расчет экономического эффекта от их использования. Приведены практические рекомендации по выбору рациональных значений конструктивно-технических параметров режимов и условий, обеспечивающих эффективность процесса СОР с НПС деталей типа длинномерных валов. Определена область практического применения исследуемого процесса на операциях черновой и получистовой обработках. Разработаны технологические процессы изготовления и ремонта с использованием СОР и НПС. Величина годового экономического эффекта составила 10 тыс. руб. для ремонтных предприятий Горьковской железной дороги. Использование полученных результатов исследования подтверждены актом внедрения.

Общие выводы и результаты исследований

1. Выполнен анализ проблемы повышения производительности процесса точения и качества обработки деталей из труднообрабатываемых материалов с применением предварительного нагрева обрабатываемых поверхностей заготовок, который показал эффективность использования такой обработки, в частности, в условиях малых промышленных предприятий и ремонтных баз при нагреве поверхностей газопламенной горелкой.

2. На основе теории источников тепла и теплопроводности обоснован и математически описан процесс нагрева и распространения тепла от пламени горелки в зоне ее действия и обработки резанием. Получены математические зависимости для определения температур в зоне резания и выявления технологических параметров (в частности расположения горелки относительно резца).

3. На Основе выполненных теоретике - экспериментальных исследований:

а) разработаны конструктивные схемы и конструкции устройства к токарному станку, охлаждаемый резец, защищенные патентом№2188747 и свидетельством на полезную модель №24131'для обеспечения и управления процессом нагрева и возникающими температурами в зоне обработки резанием с учетом снижения теплонапряженности на режущей кромке резца;

б) определены рациональные конструктивно - технологические параметры разработанных устройства <1, Ь и др.) и охлажденного резца (с!экв., - канала, расход воды в и др.).

4. Экспериментально установлено, что при черновом и получерновом точении заготовок из труднообрабатываемых материалов методом СОР с НПС сставляющие силы резания снижаются в 1,3-2 раза, температура резания в среднем на 25%, что является существенным резервом повышения точности размеров на 1-2 квалитета при обработке нежестких валов, а также подачи и глубины резания и, следовательно, - производительности в 3-5 раз, особенно на черновых операциях.

5. Определена стойкость охлаждаемого резца в зависимости от температуры нагрева заготовки и режимов резания. За критерий затупления при обработке исследуемых материалов (30X13, 15ХМ и др.) приняты фаски на задней поверхности 0,6 мм для чернового и 0,3 мм для получистового точения. Установлено, что максимальная стойкость Ст=60-100 мин соответствует Тн=450-550°С; У=40-60м/мин; S=0,21-0,7mm/o6; t=0,5-lMM.

При обработке на указанных режимах достигается снижение шероховатости в 2-2,5 раза (с Ra=16,5-14,8MKM; Ra=8,5-3,7MKM) по сравнению с обработкой без нагрева. Существенных изменений физико - механических и структурных характеристик качества поверхностного слоя практически не происходит.

6. Получены математические зависимости в виде полиноминальных моделей, отражающие влияние режимов нагрева и точения труднообрабатываемых материалов на качество (Ra) обработанной поверхности и стойкость инструмента. Оптимизация полученных зависимостей позволяет определить рациональные технологические параметры обработки, обеспечивающие получение заданного качества поверхностного слоя, формы поверхности и производительности труда.

7. На базе полученных в работе результатов разработан и внедрен в производство технологический процесс изготовления длинномерных валов с нагревом поверхности, обеспечивающий возможность повышения производительности при обработке конкретных длинномерных деталей более чем в 3 раза при установленных (требуемых) параметрах качества поверхностного слоя и макроотклонений формы поверхности. При этом годовой экономический эффект на единицу оборудования в условиях Вагонного депо «Горький - Сортировочный» составил 10 тыс. рублей.

Результаты работы отражены в следующих публикациях:

1. Пат. 2188747 Р.Ф. МПК В Способ механической обработки конструкционных сталей резанием / В.М. Сорокин , В.И. Котельников , В.А. Зотова, Г.Н. Гаври-лов, С.Б. Бобрынин ; №2001108777; заявл. 02.04.2001. ' ' Опубл. 10.09.2002. Бюл. № 25. С. 8.

2. А. с. 24131 Р.Ф. МПК В Охлаждаемый резец / В.М. Сорокин , В.И. Котельников, В.А. Зотова, A.A. Ларин, С.С. Танчук , A.B. Кораблёва; № 2002100398; заявл. 08.01.2002. Опубл. 27.07.2002. Бюл. № 21.

3. Зотова В.А., Котельников В.И. Исследование тепломеханической обработки металлов резанием // Наука производству: современные задачи управления, экономики и технологии в машино- и приборостроении: Матер. Всеросс. н/т конф. - Арзамас: НГТУ, 1998. С. 8-10.

4. Зотова В.А., Котельников В.И., Сорокин В.М. Измерения параметров резания при нагреве детали до температур разупрочнения // Аэрокосмическая техника и высокие технологии. Сб. тез. докл. н/т конф. - Пермь: Ш ТУ, 2001. С. 2,64. ,

5. Зотова В.А., Котельников В.И. Особенности резания металла с предварительным нагревом срезаемого слоя // Современные технологии в машиностроении -2003. VI Всеросс. н/практ. конф. сб. стат. - Пенза: ПГТУ, 2003. С. 335-339.

6. Зотова В.А., Котельников В.И. Математическая модель формирования регулярной шероховатости в зависимости от режимов резания и температуры нагрева обрабатываемой детали // Современные аспекты компьютерной интеграции машиностроительного производства. Матер. Всеросс. н/практ. конф. -Оренбург. ОГУ, 2003. С.85-87.

7. Зотова В.А., Котельников В.И. Повышение качества поверхности обработанной механическим резанием с нагревом детали // Проблемы машиностроения и технологии материалов на рубеже веков. VIII Междунар. н/т конф. Сб. стат. ч. I. -Пенза: ПГУ, 2003. С. 281-283.

8. Зотова B.Ä., Котельников В.И. Ознакомление студентов с прогрессивными методами резаний при нагреве заготовки на практических вне лекционных занятиях // Педагогический менеджмент и прогрессивные технологии в образовании. X Междунар. н/метод. конф. Сб. стат. - Пенза: ПГУ, 2003. С. 222-223.

9. Зотова В.А., Котельников В.И. Влияние предварительного нагрева заготовки в* печи на качество поверхности, физико-механические свойства и структуру обработки металла резанием // Состояние и перспективы развития электромех-Н0Л0ГИИ. Тез. докум. Междунар. н/т конф,- XI Бенардосовские чтения, т. II. -Иваново: ИГЭУ, 2003. С.152.

10. Зотова В.А., Котельников В.И. Стойкость режущего инструмента при токарной обработке заготовок с нагревом снимаемого слоя металла факелом пламени // Проблемы определения технологических условий обработки по заданным показателям качества изделий. Матер. Росс, н/т конф. - Рыбинск: РГАТА, 2003. С.115-118.

11. Зотова В.А., Котельников В.И. Обеспечение износостойкости режущего инструмента при резании металла с нагревом // Современные проблемы машиностроения и транспорта. Матер. Всеросс. н/т конф. - Ульяновск: УГТУ, 2003. £.115-118.

12. Зотова В.А., Котельников В.И. Технологические особенности резания металлов с нагревом снимаемого слоя // Современные проблемы машиностроения. Сб. стат. - Н.Новгород: НГТУ, 2003.С.151-153.

13. Зотова В.А., Сорокин В.М. Разработка и исследование эффективного способа обработки металлов резанием в автомобилестроении // Инновации в области автомобилей и автом-го хоз-ва. Тез. докл. I межвуз. н/практ. конф. -Н.Новгород: ВГИПА, 2004. С. 19-20.

14. Зотова В.А., Котельников В.И. Обработка конструкционных сталей резанием с нагревом снимаемого слоя металла // Прогрессивные технологии в маши-но- и приборостроении. Межвуз. сб. по матер. Всеросс. н/т конф. «ПТ - 2004» -

"Арзамас: НГТУ, 2004. С. 23-26.

15. Зотова В.А., Сорокин В.М. Способ повышения эффективности точения валов предварительным нагревом поверхности // Серия Инструментальные и метрологические системы. Труды международной юбилейной н/т конф. - «Наука о резани материалов в современных условиях» - Тула: ТГУ, 2005. С. 76-78.

16. Зотова В.А. Эффективность обработки деталей с нагревом в условиях авторемонтного предприятия // Инновации в области автомобилей и автомобильного хозяйства. II Межвуз. н/практ. конф. Сб. стат. - Н.Новгород: ВГИПА, 2005. С.35.

17. Зотова В.А. Совершенствование обработки валов в условиях авторемонтного предприятия // Научно - методическая конференция профессорско - преподавательского состава, аспирантов и специалистов. Сб. матер. - Н.Новгород: ВГАВТ, 2005. С. 65.

18. Зотова В.А. Качество поверхности, обработанной резанием с нагревом // Прогрессивные технологии в Машино - и приборостроении. Матер. Всеросс. н/т конф. - Арзамас: НГТУ, 2006. С. 94-98.

Подписано в печать 11.01.2006. Формат 60x84 '/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 16.

Нижегородский государственный технический университет. Типография НГТУ. 603600, Нижний Новгород, ул. Минина, 24.

P- 1538

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. Состояние вопроса и постановка задач исследований.

1.1. Особенности обработки резанием труднообрабатываемых материалов

1.1.1. Обрабатываемость резанием труднообрабатываемых материалов

1.1.2. Особенности процесса обработки резанием.

1.2. Методы интенсификации процессов резания труднообрабатываемых материалов.

1.3. Особенности обработки металлов с предварительным нагревом поверхностей заготовок.

1.3.1. Влияние температуры нагрева на механические характеристики обрабатываемых и инструментальных материалов 1.3.2. Влияние нагрева на некоторые физические характеристики материала инструмента и заготовки. 1.3.3. Влияние температуры нагрева на характер и интенсивность износа режущего инструмента.

1.4. Анализ способов нагрева и выбор рационального способа в условиях развития малых и ремонтных предприятий.

1.5. Выводы и постановка задач исследований.

ГЛАВА 2. Разработка процесса совмещенной обработки резанием с предварительным нагревом поверхностного слоя заготовки (СОР с НПС) и его ф теоретическое обоснование.

2.1. Сущность процесса совмещенной обработки резанием с предварительным нагревом поверхностного слоя заготовки

2.2. Моделирование температурного поля при нагреве вращающейся заготовки газовой горелкой.

2.3. Определение рациональных параметров СОР с НПС заготовки теоретико-экспериментальным методом. ф 2.3.1. Определение тепловых характеристик горелки.

2.3.2. Выбор и определение параметров режущего инструмента.

ГЛАВА 3. Методика исследований.

3.1. Обоснование выбора материала, оборудования и режимов обработки

Ф 3.2. Методика исследования тепловых процессов и температур при

СОР с НПС.

3.2.1. Методика тарирования термопар.

3.2.2. Методика определения интенсивности теплового потока и температурного поля при нагреве газовой горелкой образцов.

3.2.3. Методика исследования температур при резании с нагревом

3.3. Методика исследования сил резания при СОР с НПС.

3.4. Методика исследования износа и стойкости резцов.

3.5. Методика исследования параметров качества поверхностного слоя 98 3.5.1. Методика исследования шероховатости и точности обработки 3.5.2. Методика исследования наклепа и структуры поверхностного слоя.

ГЛАВА 4. Теоретико-экспериментальное исследование эффективности процесса СОР с НПС.

4.1. Математическое моделирование параметров СОР с НПС.

4.2. Исследование тепловых процессов и температур.

4.3. Исследование температур резания при СОР с НПС.

4.4. Исследование износа и стойкости инструмента.

4.5. Результаты исследования сил резания.

4.6. Результаты исследований шероховатости и точности обработкиф 4.7. Результаты исследований шероховатости и точности обработки.

4.8. Результаты исследования наклепа и структуры поверхностного слоя.

ГЛАВА 5. Разработка технологии обработки деталей резанием с нагревом поверхностного слоя металла.

5.1. Основные ограничения и рекомендации по реализации процесса. 133 5.2 Определение основных производственных параметров обработки ф детали.

5.3. Анализ заводской технологии обработки вала.

5.3.1. Технологичность обработки поверхностей.

5.3.2. Анализ правильности выполнения чертежа.

5.3.3 Анализ выполняемых поверхностей при обработке вала.

5.4. Технологический маршрут обработки цилиндрических поверхностей вала с нагревом поверхностного слоя.

5.5. Назначение режимов резания наружных цилиндрических поверхностей с нагревом снимаемого слоя.

5.6. Определение экономической эффективности резания с нагревом

5.7. Апробация разработанной технологии.

На современном этапе научно-технического прогресса прочность, вязкость и другие характеристики конструкционных материалов возрастают столь быстро, что инструментальные материалы, которыми располагает производство, в целом ряде случаев не позволяют осуществлять высокопроизводительную обработку заготовок. К тому же резание часто приходится вести в экстремальных условиях - по корке, по высокопрочным наплавкам, при больших сечениях среза и т. д., что усугубляет технологические трудности. В связи с этими особенностями современного производства в металлообработке наряду с другими методами интенсификации технологических операций развивается направление по повышению эффективности процесса резания путем временного снижения прочности обрабатываемого материала и изменения механизмов контактных процессов, протекающих на рабочих поверхностях инструмента. Такое влияние на обрабатываемый материал и контактные явления достигается комбинированием механической энергии процесса резания с одной или несколькими другими видами энергии - тепловой, электрической, химической, ультразвуковой, электромагнитной и т. д. - облегчающими проведение процесса резания и обеспечивающими повышение стойкости инструмента.

Обработка резанием с нагревом представляет собой комбинированный процесс, при котором механическая энергия и энергия низкотемпературного пламени газовой горелки совместно используются для повышения эффективности процесса резания при изготовлении деталей машин из современных труднообрабатываемых материалов.

Обработка резанием с предварительным нагревом заготовки, при котором факел (дуга) пламени нагрева в основном разогревает и лишь частично на самой поверхности расплавляет припуск, реализуется с помощью различных схем и имеет сравнительно небольшое распространение в промышленности. Кроме того, весьма ограничены сведения о совмещении данных процессов обработки и явлениях, возникающих при этом в зоне резания, а также параметрах режима резания и нагрева и управления ими в процессе обработки. В связи с этим весьма важными остаются поиск и внедрение в практику более перспективных и эффективных совмещенных методов обработки, особенно в современных условиях развития малых предприятий и ремонтных баз, направленных на повышение производительности, качества изготовления и ремонта деталей.

В диссертации рассматривается новый способ совмещенной обработки резанием с нагревом поверхностного слоя (СОР с НПС) нежестких деталей (валов).

Целью работы является повышение производительности и стойкости резцов при точении на основе разработки новых схем и устройств для совмещенной обработки валов с предварительным нагревом поверхностного слоя металла и назначения рациональных технологических режимов с учетом тепловой напряженности процесса резания.

Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи.

1. Выполнить комплекс теоретико-экспериментальных исследований по проблеме обрабатываемости металлов резанием с нагревом верхнего слоя заготовки различными способами и на этой основе предложить более эффективные схемы обработки.

2. Разработать рациональные конструкции инструмента и устройства для нагрева обрабатываемой поверхности заготовки, обеспечивающих высокую эффективность процесса обработки, в частности, производительность, стойкость инструмента и качество.

3. Теоретически и экспериментально обосновать основные технологические возможности и параметры новых конструкций инструмента и устройства для нагрева обрабатываемой поверхности.

4. Исследовать основные закономерности процесса точения валов из труднообрабатываемых сталей с нагревом, влияние режимов нагрева, резания нагретого металла на производительность процесса, стойкость инструмента и показатели качества обработанной поверхности и на этой основе определить оптимальные условия обработки.

5. Разработать рекомендации по внедрению результатов исследований на производстве и на этой основе разработать технологию обработки нежестких валов из труднообрабатываемых сталей.

Методологической основой работы является изучение процесса резания при точении валов и осей с нагревом их поверхностей, что осуществлялось путем проведения критического анализа литературных данных теоретических и экспериментальных исследований.

Теоретические исследования базировались на классической теории источников тепла и совместном рассмотрении тепловых и механических явлений при резании металлов, методах математического и физического моделирования, основах технологии машиностроения. Экспериментальные исследования проводились с применением стандартных и оригинальных методик предусматривающих измерение комплекса параметров резания и изнашивания инструмента, параметров качества обработки.

Обработка результатов экспериментов осуществлялась с использованием метолов математической статистики.

Научная новизна работы заключается в следующем.

1. Выполнены комплексные теоретико-экспериментальные исследования и получены новые результаты (патенты РФ № 2188747, № 24131) в области разработки прогрессивной технологии изготовления валов из труднообрабатываемых материалов с предварительным нагревом обрабатываемой поверхности.

2. Дано теоретическое обоснование повышению эффективности совмещенной обработки резанием с одновременным нагревом поверхностного слоя (СОР с НПС) (качество, производительность и др.) за счет создания и использования новых совмещенных конструктивных схем и конструкций инструментов, устройств, обеспечивающих улучшение условий теплоотвода из зоны резания и отличающихся простотой, дешевизной и безопасностью в процессе обработки.

3. Исследовано влияние температур нагрева поверхности обрабатываемой заготовки на стойкость инструмента и показатели ее качества и на этой основе определены оптимальные условия обработки.

Практическая ценность работы состоит в том, что на основе исследований точения валов с нагревом их поверхностей до температур ниже точки рекристаллизации и одновременного улучшения теплоотвода из зоны резания достигнуто:

- увеличение стойкости режущей кромки инструмента;

- повышение производительности обработки;

- улучшение показателей качества обрабатываемых поверхностей.

Полученные в работе результаты позволяют разработать технологический процесс обработки поверхностей различных по габаритам и конструктивной форме валов, обеспечивающий необходимые требования к деталям на стадии как черновой, так и получистовой механической обработки резанием.

Разработаны и реализованы на практике конструктивные схемы устройства и инструмента, позволяющие вести высокопроизводительную обработку с заданным качеством поверхностей деталей из трудно обрабатываемых материалов на токарном оборудовании.

Работа выполнялась на основе госбюджетных тематик ПИР кафедр «Технология машиностроения» НГТУ и «Надежность и ремонт машин» НГСХА и договорам по сотрудничеству с ремонтными предприятиями Горьковской железной дороги. Отдельные положения работы приняты к внедрению. Результаты теоретико-экспериментальных исследований использованы при разработке опытно-промышленной технологии изготовления нежестких валов из труднообрабатываемых материалов и переданы для апробации и внедрения на ряд промышленных предприятий. Использование их на ремонтных предприятиях Горьковской железной дороги позволило получить годовой экономический эффект 10 тыс. рублей на единицу оборудования. Материалы теоретических и экспериментальных исследований используются в учебном процессе при чтении лекций проведении практических и лабораторных занятий со студентами по дисциплинам «Технология машиностроения» (НГТУ) «Технология ремонта машин» (НГСХА) и др.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

1. Выполнен анализ проблемы повышения производительности процесса точения и качества обработки деталей из труднообрабатываемых материалов с применением предварительного нагрева обрабатываемых поверхностей заготовок, который показал эффективность использования такой обработки, в частности, в условиях малых промышленных предприятий и ремонтных баз при нагреве поверхностей газопламенной горелкой.

2. На основе теории источников тепла и теплопроводности обоснован и математически описан процесс нагрева и распространения тепла от пламени горелки в зоне ее действия и обработки резанием. Получены математические зависимости для определения температур в зоне резания и выявления технологических параметров (в частности расположения горелки относительно резца).

3. На основе выполненных теоретико - экспериментальных исследований: а) разработаны конструктивные схемы и конструкции устройства к токарному станку, охлаждаемый резец, защищенные патентом№2188747 и свидетельством на полезную модель №24131 для обеспечения и управления процессом нагрева и возникающими температурами в зоне обработки резанием с учетом снижения теплонапряженности на режущей кромке резца; б) определены рациональные конструктивно - технологические параметры разработанных устройства (W, d, h и др.) и охлажденного резца (d3KB., - канала, расход воды G и др.).

4. Экспериментально установлено, что при черновом и получерновом точении заготовок из труднообрабатываемых материалов методом СОР с НПС сставляющие силы резания снижаются в 1,3-2 раза, температура резания в среднем на 25%, что является существенным резервом повышения точности размеров на 1-2 квалитета при обработке нежестких валов, а также подачи и глубины резания и, следовательно, - производительности в 3-5 раз, особенно на черновых операциях.

5. Определена стойкость охлаждаемого резца в зависимости от температуры нагрева заготовки и режимов резания. За критерий затупления при обработке исследуемых материалов (30X13, 15ХМ и др.) приняты фаски на задней поверхности 0,6 мм для чернового и 0,3 мм для получистового точения. Установлено, что максимальная стойкость Ст=60-100 мин соответствует Тн=450-550°С; V=40-бОм/мин; S=0,21-0,7mm/o6; t=0,5-lmm.

При обработке на указанных режимах достигается снижение шероховатости в 2-2,5 раза (с Ra=16,5-14,8mkm; Ra=8,5-3,7mkm) по сравнению с обработкой без нагрева. Существенных изменений физико - механических и структурных характеристик качества поверхностного слоя практически не происходит.

6. Получены математические зависимости в виде полиноминальных моделей, отражающие влияние режимов нагрева и точения труднообрабатываемых материалов на качество (Ra) обработанной поверхности и стойкость инструмента. Оптимизация полученных зависимостей позволяет определить рациональные технологические параметры обработки, обеспечивающие получение заданного качества поверхностного слоя, формы поверхности и производительности труда.

7. На базе полученных в работе результатов разработан и внедрен в производство технологический процесс изготовления длинномерных валов с нагревом поверхности, обеспечивающий возможность повышения производительности при обработке конкретных длинномерных деталей более чем в 3 раза при установленных (требуемых) параметрах качества поверхностного слоя и макроотклонений формы поверхности. При этом годовой экономический эффект на единицу оборудования в условиях Вагонного депо «Горький - Сортировочный» составил 10 тыс. рублей.

1. Зорев, Н.Н., Обработка резанием тугоплавких сплавов / Н.Н.Зорев, З.М Фетисова.- М.: Машиностроение, 1965. ф 2. Резникова, Н.И. Обрабатываемость жаропрочных и титановых сплавов /

2. Н.И.Резникова // Труды Всесоюзной межвузовской конференции / под ред. проф. Н.И Резникова Куйбышев: Куйбышевское книжное издательство, 1962.

3. Кривоухов, В.А. Обрабатываемость резанием жаропрочных и титановых сплавов / В.А.Кривоухов, С.В.Егоров, Б.М.Брунштейн и др.- М.: Машгиз, 1961.

4. Подураев, В.Н. Резание труднообрабатываемых материалов /

5. B.Н.Подураев.- М.: Высшая школа, 1974.

6. Малкин, А .Я. Обработка резанием высокопрочных и жаропрочных материалов / А.Я.Малкин, С.В. Егоров,- М.: НТОмашпром, 1961.

7. Лоладзе, Т.Н. Износ режущего инструмента / Т.Н.Лоладзе.- М.: Машгиз,• 1958.

8. Шифрин, А.Ш. Высокопроизводительная холодная обработка металлов /

9. A.Ш.Шифрин, Б.Г Левин, И.И Лифшиц и др.- М.: Машгиз, 1958.

10. Талантов, Н.В. О целесообразности механической обработки металла в нагретом состоянии / Н.В. Талантов // Изв. МВО СССР. Сер. Машиностроение. 1958.-№7-8.

11. Козырев, С.П. Гидроабразивный износ металлов при кавитации /

12. C.П.Козырев.- М.: Машиностроение, 1964.

13. Туманов, В.И. Свойства сплавов системы карбид вольфрама карбид титана - карбид тантала - карбид ниобия - кобальт / В.И.Туманов.- М.:1. Металлургия, 1973.

14. И. Кривоухов, В. А. Обработка резанием титановых сплавов /

15. B.А.Кривоухов, А.Д. Чубаров.- М.: Машиностроение, 1970.

16. Строшков, А.Н. Обработка резаним труднообрабатываемых материалов с нагревом / А.Н.Строшков и др.- М.: Машиностроение, 1977.

17. Ташлицкий, Н.И. Приближенный расчет скоростей точения сталей и хромоникелевых сплавов по их химическому составу / Н.И.Ташлицкий //

18. Ф Вестник машиностроения.- 1963. №4.

19. Лоладзе, Т.Н. Температура резания при цилиндрическомтермофрезеровании / Т.Н.Лоладзе и др. // Теплофизика технологических процессов / ВНИИнеруд . Тольятти, 1972. - С. 84 - 87.

20. Созинов, А.И. Фрезерование титановых сплавов с нагревом / А.И.Созинов, П.И Бобрик, Н.Л. Годин // Станки и инструмент. 1969. - №7.

21. Пряхин, О.М. Особенности износа режущего инструмента при резании высокопрочного сплава с нагревом / О.М.Пряхин // Обработка резанием новых конструкционных и неметаллических материалов / ВНИИ.- М., 1973.

22. Резников, Н.А. Обработка металлов резанием с плазменным нагревом / Н.А.Резников, М.А. Шатерин, B.C. Кунин и др.- М.: Машиностроение, 1986.

23. Котельников, В.И. Исследование тепломеханической обработки металлов резанием / В.И.Котельников, В.А. Зотова // Материалы Всероссийской научно-технической конференции "Наука производству".-Арзамас, 1998. -С.8-10.

24. Пат. № 2188747 РФ, МПК В. Способ механической обработки конструкционных сталей резанием / В.М. Сорокин, В.И. Котельников, В.А. Зотова, Г.Н. Гаврилов, С.Б. Бобрынин. № 2001108777; заявл. 02.04.2001; опубл. 10.09.2002, Бюл. № 25. - С. 8.

25. А. с. 24131 РФ, МПК В. Охлаждаемый резец / В.М. Сорокин, В.И Котельников, В.А. Зотова, А.А. Ларин, С.С. Танчук, А.В. Кораблёва. -№ 2002100398; заявл. 08.01.2002; опубл. 27.07.2002, Бюл. № 21.

26. Котельников, В.И. Технологические особенности резания металлов с нагревом снимаемого слоя / В.И.Котельников, В.А. Зотова // Современные проблемы машиностроения: сборник статей / НГТУ.- Н.Новгород, 2003. С. 151-153.

27. Шифрин, А.Ш. Обработка резанием коррозионностойких, жаропрочных и титановых сталей и сплавов / А.Ш.Шифрин, Л.М.Резницкий. М.: Машиностроение, 1964.

28. Макаров, А.Д. Износ и стойкость режущих инструментов / А.Д.Макаров. М.: Машиностроение, 1966.

29. Потапов, В.А. Высокоскоростная обработка / ВЛ.Потапов, Г.И. Айзеншток.-М.: Машиностроение, 1986.- 135 с.

30. Волков, О.И. экономика предприятия / О.И.Волков.- М.: ИНФРА-М, 1997.-416 с.

31. Пелих, А.С. Экономика предприятия и отрасли машиностроения /

32. A.С.Пелих. Ростов-на-Дону: Феникс. 1999. - 608 с.

33. Олейникова, И.И. Прогрессивные методы обработки резанием / И.И.Олейникова, М.А. Шатерина // Сб. материалов семинара / ЛДНТП. -Л., 1981.-С.94.

34. Котельников, В.И. Стойкость режущего инструмента при токарной обработке заготовок с нагревом снимаемого слоя металла факелом пламени /

35. B.И.Котельников, В.А. Зотова // Проблемы определения технологических условий обработки по заданным показателям качества изделий: материалы Российской научно-технической конференции / РГАТА. Рыбинск, 2003. - С. 115-118.

36. Барановский, А.В. Режимы резания металлов / А.В.Барановский.- М.: Машиностроение, 1972.-407 с.

37. Резников, А.Н. Резцы с автономной системой охлаждения / А.Н.Резников, Н.И. Живоглядов // Станки и инструмент.- 1987.- №2.- С.18.

38. Вейко, В.П. Лазерная обработка // В.П.Вейко, М.И. Айбенсон.- Л.: Лениздат, 1973.-С.192.

39. Резников, А.Н. Температура при резании и охлаждении инструментов / А.Н.Резников. М.: Машгиз, 1963. -200 с.

40. Резников, А.Н. Теплофизика процессов механической обработки материалов / А.Н.Резников.- М.: Машиностроение, 1981. 271с.

41. Резников, А.Н.,. Усилия резания при плазменно-механической обработке материалов / А.Н. Резников, JI.A. Резников // Станки и инструмент.- 1981.- №7.-С.32-33.

42. Резников, Н.И. Производительная обработка нержавеющих и жаропрочных материалов / Н.И.Резников, И.Г.Жарков, В.М.Зайцев и др.- М.: Машгиз, 1960.

43. Резание труднообрабатываемых материалов: сб.- М.: МДНТП, 1969.

44. Есинберлин, Р.Е. Восстановление автомобильных деталей сваркой, наплавкой и пайкой / Р.Е.Есинберлин.- М.: Транспорт 1994. 426с.

45. Макаров, В.Н. Тепловые процессы в технологических системах: методическое пособие / В.Н.Макаров.- Рыбинск: РГАТА, 2003.

46. Козлов, В.А. Дис. доктора, техн. наук. Рыбинск: РГАТА, 1999.

47. Фельдштейн, Э.И. Обрабатываемость сталей в связи с условиями термической обработки и микроструктурой / Э.И. Фельдштейн.- М.: Машгиз 1953.-482с.

48. Воеводин, Г.А. Влияние структурного состояния обрабатываемых сталей на физические характеристики процесса резания и износ инструмента / Г.А.Воеводин // Теория трения смазки и обрабатываемость металлов: межвузовский сборник. Чебоксары, 1983. -С. 51-56.

49. Расчеты экономической эффективности новой техники / под ред. К.М. Великанова.- Д.: Машиностроение, 1975.-432с.

50. Справочник технолога-машиностроителя. Т.2. / под ред. А.Т. Косиловой, Р.К. Мещерякова. М.: Машиностроение, 1986. - 496с.

51. Никифоров, В.М. Краткий курс технологии металлов: учебное пособие / В.М. Никифоров. М.: Машгиз, 1962. - 368с.

52. Акименко, А.Д. Тепловой расчет установок непрерывной разливки стали / А.Д.Акименко.- Горький: Волго-Вятское кн. изд-во, 1965. 59с.

53. Вульф, A.M. Резание металлов / А.М.Вульф.- Л.: Машиностроение, 1973. -496с.

54. Григорьянц, А.Г. Основы лазерной обработки материалов / А.Г. Григорьянц.- М.: Машиностроение, 1989. 236с.

55. Даниелян, A.M. Теплота и износ инструментов в процессе резания металлов / A.M. Даниелян. М.: Машгиз, 1954. - 276с.

56. Кунин, B.C. Опыт внедрения плазменно-механческой обработки /B.C. Кунин. Л.: ЛДНТП, 1982. -28с.

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

58. Обработка металлов резанием: справочник технолога / А.А.Панов ,

59. B.В.Аникин, Н.Г.Бойм и др.; под общей редакцией А.А.Панова.- М.: Машиностроение, 1988.-736с.

60. Общемашиностроительные нормативы режимов резания для технического нормирования работ на металлорежущих станках. Ч.1.- М.: Машиностроение, 1974. 416с.

61. Силин, С.С. Метод подобия при резании металлов /С.С.Силин.- М.: Машиностроение, 1979. 152с.

62. Бобров, В.Ф. Основы теории резания металла / В.Ф.Бобров. -М.: Машиностроение, 1975. 349с.

63. Горбацевич, А.Ф. Курсовое проектирование по технологии машиностроения: учебное пособие для ВТУЗов / А.Ф. Горбацевич, Б.А. Шкред. Минск: Высшая школа, 1983. -256с.

64. Гуляев, А.П. Металловедение / А.П.Гуляев.- М.: Металлургия, 1966. -480с.

65. Резников, А.Н. Резание с плазменным подогревом обрабатываемого материала / А.Н.Резников, М.Л.Урицкий, С.С.Кравченко // Вестник машиностроения. 1981.- №7.- С.35-37.

66. Рыкалин, Н.И. Лазерная обработка металлов / Н.И.Рыкалин.- Л.: Машиностроение, 1975. 432с.

67. Анисимов, С.И. Действие излучения большой мощности на металлы /

68. C.И.Анисимов, Я.М. Имас и др.- М.: Наука, 1970. -272с.

69. Караим, И.П. Точность измерения контактной температуры электродом при шлифовании / И.П.Караим // Вестник машиностроения. 1970. - №5. - С.69-70.

70. Като, М. Измерение распределения температур нагрева режущих инструментов с применением мелкозернистых порошков с установленной температурой плавления и обсуждение полученных результатов. Перевод с яп. /

71. М.Като, К.Ямагути, Е.Ватакабе // Нихон кинай лаккай рамбунсю. 1975.- т.41, №341. - С.350-434. Центр переводов, № А -1985-77.

72. Коваленко, B.C. Лазерное и электроэрозионное упрочнение материалов / В.С.Коваленко.- М.: Машиностроение, 1983. 164с.

73. Гаврюшенко, Б.Е. Лазерно-механическое резание металлов / Б.Е.Гаврюшенко, Л.В. Окороков, Н.И. Рыкалин и др. // Физика и химия обработки металлов. 1985.- №2.

74. Лошак, М.Г. Прочность и долговечность твердых сплавов / М.Г.Лошак.-Киев: Наукова думка, 1984. 328с.

75. Безъязычный, В.Ф. Оптимизация технологических условий механической обработки деталей авиационных двигателей / В.Ф. Безъязычный, Т.Д. Кожина, А.В. Константинов и др.- М.: Изд. МАИ, 1993.- 184с.

76. Осафьев, В.А. Расчет нестационарных температурных полей при обработке металла резанием / В.А.Осафьев, А.А Черняховская.- М.:Изд. ЦНИИТЭ строймаш, 1970. 6с.

77. Осафьев, В.А. Расчет динамической прочности режущего инструмента / В.А.Осафьев.- М.: Машиностроение, 1979.- 168с.

78. Полухин, П.И. Сопротивление практической деформации металлов и сплавов / П.ИПолухин, Г.Я.Гунн, A.M. Галкин. М.: Металлургия, 1976. - 488с.

79. Попилов, Л.Я. Справочник по электрическим и ультразвуковым методам обработки материалов / Л.Я.Попилов.- Л.: Машиностроение, 1971. 544с.

80. Талантов, Н.В. Определение температуры контактных поверхностей инструментов с учетом объемности тепловыделения / Н.В.Талантов, Т.В.Шитова // Сб. трудов КПТ. Теплофизика технологических процессов. -СГУ, 1970.-С.16-22.

81. Фролов, В.В. Теория сварочных процессов / В.В.Фролов.- М.: Высшая школа, 1988.-482с.

82. Владимиров, Е.В. Типовые математические модели и алгоритмы расчета оптимальных режимов одноинструментальной обработки материалов резанием: методические рекомендации Мр 119-85 / Е.В.Владимиров, Т.М.Левин, А.И. Петровский и др.- М., 1985. 64с.

83. Третьяков, А.В. Механические свойства металлов и сплавов при обработке давлением / А.В.Третьяков, В.И.Зюзин,- М.: Металлургия, 1973. 224с.

84. Шатерин, М.А. Специальный пирометр для измерения температуры поверхности заготовки / М.А.Шатерин, B.C. Медков, Н.И. Рождественский // Станки и инструмент. 1982. - № 8. - С.34-35.

85. Шатерин, М.А. Особенности работы резцов в условиях непрерывного и прерывистого плазменно-механического точения / М.А.Шатерин, Н.И.Шефер // Электрофизические и электрохимические методы обработки / НИИМАШ. М., 1983.-№6.-С.4-6.

86. Ящерицин, П.И. Теория резания. Физические и тепловые процессы в технологических системах / П.И.Ящерицин, M.JI. Еременко, Е.Э. Фельдгитейн.-Минск: Высшая школа, 1990. 510с.

87. Зайков, М.А. Режимы деформации и усилия при горячей прокатке / М.А.Зайков,- Свердловск: Металлургиздат, 1960. 426с.

88. Зорев, Н.Н. Обработка резанием тугоплавких сплавов / Н.Н.Зорев, З.М. Фетисова. М.: Машиностроение, 1966. -226с.

89. Хикс, Ч. Основные принципы планирования эксперимента / Ч.Хикс. -М.: Наука, 1968.-112с.

90. Цохадзе, В.В. Производительная обработка предварительно нагретых жаропрочных сплавов / В.В.Цохадзе // Высокопроизводительное резание в машиностроении.- М., 1966. С.71-76.

91. Грановский, Г.И. Резание металлов / Г.И.Грановский, П.П.Грудов, В.А. Кривоухов и др. М.: Машгиз, 1964.

92. Зорев, Н.Н. Вопросы механики процесса резания металлов / Н.Н.Зорев.-М.: Машгиз, 1956.

93. Исаев, А.И. Исследования в области технологии обработки металлов резанием: сб. трудов ЦНИИТмаша / А.И.Исаев.- М.: Машгиз, 1958.

94. Сборник «Развитие науки в резании металлов» / под ред. Н.Н.Зорева , Г.И.Грановского, М.Н.Ларина, И.П.Третьякова.- М.Машиностроение, 1967.

95. Клушин, М.И. Резание металлов / М.И.Клушин.- М.: Машгиз, 1958.