автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Повышение работоспособности режущих инструментов поверхностным пластическим деформированием

Введение

1. Состояние вопроса и постановка задач исследования.

1.1. Существующие методы повышения работоспособности режущего инструмента.

1.2. Обзор методов упрочнения поверхностным пластическим деформированием.

1.3. Механизм упрочнения поверхностным пластическим деформированием.

1.4. Выводы, цели и постановка задач исследования.

2. Условия и методика проведения экспериментов.

2.1. Оборудование, приспособления и технология проведения поверхностного пластического деформирования.

2.2. Оборудование, режущий инструмент, приспособления и заготовки для проведения сравнительных стойкостных испытаний.

2.3. Оборудование и методика исследования микротвердости, шероховатости.

2.4. Методика исследования дислокационной структуры.

2.5. Оборудование и методика исследования сил резания.

2.6. Мртодика исследования коэффициента усадки стружки, угла сдвига и коэффициента трения при точении.

2.7. Математическая обработка результатов эксперимента.

2.8. Планирование эксперимента с преобразованием параметра оптимизации и факторов.

3. Модель процесса поверхностного пластического деформирования режущих инструментов.

3.1. Механическая модель процесса поверхностного пластического деформирования.

3.2. Физико-механическая модель процесса поверхностного пластического деформирования.

3.3. Выводы.

4. Экспериментальные исследования физико-механических характеристик поверхностных слоев режущих инструментов после поверхностного пластического деформирования.

4.1. Исследование микротвердости.

4.2. Исследование шероховатости.

4.3. Исследование дислокационной структуры.

4.4. Выводы.

5. Расчеты режимов упрочнения поверхностным пластическим деформированием.

5.1. Расчеты по механической модели.

5.2. Оценочные расчеты по физико-механической модели.

5.3. Выводы.

6. Экспериментальные исследования работоспособности режущего инструмента.

6.1. Измерения сил резания при точении.

6.2 Исследование коэффициента усадки стружки.

6.3. Исследование коэффициента трения.

6.4. Стойкостные испытания резцов.

6.5. Исследование шероховатости обработанных поверхностей.

6.6. Стойкостные испытания сверл.

6.7. Выводы.

Согласно ГОСТ 27.004 - 85 работоспособность режущего инструмента (РИ) - это его состояние, при котором он способен выполнять заданные функции с параметрами, установленными техническими требованиями. Основным критерием работоспособности РИ является его износостойкость, оцениваемая средней стойкостью. Наряду со стойкостью показателями работоспособности РИ являются усилия резания, температура, коэффициенты усадки стружки и трения, качество обработанных поверхностей и другие параметры.

В условиях современного машиностроения необходимо уделять серьезное внимание вопросу повышения работоспособности РИ, как самому ненадежному элементу системы станок - приспособление - инструмент -деталь (СПИД). Отказы по износу и поломкам РИ достигают 50% . всех отказов автоматизированного оборудования и гибких производственных систем. При решении вопроса повышения работоспособности РИ необходимо учитывать дефицит вольфрама и кобальта, а также экологическую чистоту и рентабельность применяемых методов.

Из большой гаммы методов повышения работоспособности РИ, в связи с выше сказанным, наиболее привлекательными являются методы поверхностного пластического деформирования (ППД). Повышению работоспособности РИ методами ППД посвящен ряд исследований, однако в них отсутствует стройное физико-механическое обоснование повышения параметров работоспособности РИ и методики по выбору оптимального режима упрочнения. Все существующие рекомендации по подбору оптимального режима упрочнения ППД РИ сводятся к получению некоторой глубины упрочнения и параметров режима, неразрушающих обрабатываемую поверхность, однако это может не обеспечивать максимальную износостойкость и, как следствие, работоспособность РИ. В связи с этим в настоящей работе предпринята попытка создания физико-механического обоснования выбора режима упрочнения ППД РИ, обеспечивающего его максимальную работоспособность.

Цель работы. Получение максимального повышения работоспособности лезвийных РИ (на примере токарных проходных резцов и спиральных сверл) методами упрочнения ППД.

Методы исследований. В работе использованы теоретические и экспериментальные методы исследований на основе теории резания и технологии машиностроения, физики металлов и металловедения, в том числе теории разрушения металлов и теории дислокаций. При проведении экспериментальной части исследования использовались методы линейного программирования и математической статистики. Работа - выполнялась в лабораториях Кубанского государственного технологического университета, Кубанского государственного университета, в центральной измерительной лаборатории Краснодарского завода «Седин».

Научная новизна работы.

1. Предложена методика определения упрочнения ППД РИ, обеспечивающих их максимальную износостойкость и работоспособность.

2. Получено физико-механическое обоснование выбора режима упрочнения ППД РИ, основанное на представлениях о дислокационной структуре инструментальных материалов.

3. Изготовлена установка для проведения ППД РИ.

Практическая ценность работы состоит в создании методики определения режимов упрочнения ППД РИ, обеспечивающих их максимальную работоспособность. Разработана установка, позволяющая производить упрочнение ППД на поверхностях малой кривизны и площади, рентабельная при различных типах производства РИ, обеспечивающая экологическую чистоту метода.

Реализация результатов работы. Предложенная методика определения режима упрочнения ППД РИ и разработанная установка проверенны при внедрении на Апшеронском заводе "Лессельмаш" (условно-годовой экономический эффект при упрочнении сверл из стали Р6М5 составил 668657 рублей и упрочнении токарных проходных резцов из стали Р6М5 составил 30097 рублей в ценах 1998 года) и Краснодарском приборном заводе "Каскад" (условно-годовой экономический эффект при упрочнении токарных проходных резцов из сплава Т15К6 составил 50150 рублей в ценах 1999 года).

Апробация работы. Основные научные положения диссертации и результаты исследований докладывались и обсуждались на международных, республиканских и краевых научно-технических конференциях и семинарах. Среди них:

- международная научно-техническая конференция "Молодая наука новому тысячелетию", Набережные Челны, 1996 год;

- межвузовская научная конференция "Интеллектуальный потенциал Сибири", Новосибирск, 1997 год;

- краевые научно-технические конференции, Краснодар, 1997 и 1998 годы;

- международная научно-техническая конференция "Современные технологии в сельхозмашиностроении", Ростов- н/Д, 1999 год.

- 3 Всероссийская научно-практическая конференция "Современные технологии в машиностроении", Пенза, 2000 год;

- международная научно-практическая конференция "Инженерно-техническое. обеспечение АПК и машинно-технологические станции в условиях реформирования", Орел, 2000 год.

7. ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ВНЕДРЕНИЯ

В настоящей диссертации предложен комплексный подход к процессам ППД РИ, позволяющий эффективно решать проблему повышения работоспособности РИ. На основании приведенного выше материала можно сделать следующие общие выводы:

1. Предложена механическая модель процесса упрочнения ППД РИ, позволяющая получить их максимальную износостойкость, и как следствие работоспособность, в случае преобладания усталостного характера износа.

2. Представлена физическая модель процесса упрочнения ППД РИ, описывающая технологические параметры ППД с помощью дефектных представлений о строении металлов.

3. Предложена конструкция установки для реализации ППД на поверхностях РИ.

4. Выявлены закономерности влияния упрочнения ППД на физико-механические характеристики инструментальных материалов и качество поверхностных слоев РИ, подтверждающие справедливость предложенных механической и физической моделей.

5. Получены экспериментальные результаты исследования показателей работоспособности РИ, подтверждающие справедливость предложенных теоретических выкладок об процесса упрочнения ППД и позволяют заключить, что метод повышает работоспособность РИ.

Результаты исследований и конструкция установки для проведения ППД на поверхностях РИ внедрены на Апшеронском заводе "Лессельмаш" и Краснодарском приборном заводе "Каскад" (в приложении представлены акты внедрения). Условно-годовой экономический эффект от внедрения составил при упрочнении сверл из стали Р6М5 668657 рублей и при

1.Е., Любалин П.Н., Белотелов И.Н. Портативное пневмодинамическое устройство в экспериментально-аналитических методах определения режимов упрочнения// Поверхностное пластическое деформирование. - М., 1974. -с. 155-161.

2. Бабичев А.П., Устинов В.П. Оптимальные режимы вибрационной отделочно-упрочняющей обработки в бункерах// Вестник машиностроения, № 8, 1975. -с. 64 66.

3. Барац Я.И. Опыт внедрения отделочно-упрочняющей обработки поверхностным пластическим деформированием// ГОСНТИ. Обзор по межотраслевой тематике. № 1/30 72, - М., 1972. - 26с.

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

5. Большев Л.Н., Смирнов Н.В. Таблицы математической статистики. М.: Наука, 1965. -474с.

6. Браславский В.М. Расчет глубины наклепа с учетом формы пластически деформируемой поверхности// Вестник машиностроения, №4, 1977. -с. 62 -66.

7. Бутенко В.И., Чистяков A.B. Измерение поверхностной плотности дислокаций при трении скольжения/ Новочерк. политехи, ин-т. -Новочеркасск, 1985. 6с. Деп. В ВНИИТЭМР 24.06.85. № 222 мш - 85.

8. Вайнштейн В.Г. Разработка методики выбора режима ППД при упрочнении деталей динамическими способами// Вестник машиностроения, №4, 1977. -с. 58 59.

9. Великанов K.M. Расчет экономической эффективности новой техники. Справочник. Изд. 2-е, перераб. доп. JL: Машиностроение, 1989. -445с.

10. П.Владимиров В.И. Физическая теория пластичности и прочности. Л.: ЛПИ, 1975.-Т 1,2. - 118с.,-152с.

11. Владимиров В.И. Физическая природа разрушения металлов. М.: Металлургия, 1984. - 280с.

12. Владимиров В.И., Романов А.Е. Дислокации в кристаллах. Л.: Наука, Ленинградское отд., 1986. - 222с.

13. Власов В.М. Работоспособность упрочненных трущихся поверхностей. М., Машиностроение, 1987. 307с.

14. Вульф А.М. Резание металлов. 2-е изд., перераб. и доп. - Л.: Машиностроение, 1973. - 496с.

15. Гореликс.С., Расторгуев Л.Н., Скаков Ю.А Рентгенографический и электроннооптический анализ. М.: Металлургия, 1970.

16. Горохов В.А., Фельдман Я.С. Об остаточной деформации при вибрационном обкатывании титана// Изв. Вузов СССР. Сер. Приборостроение, 1970. Т. 13, №8. -с. 32 - 37.

17. Горохов В.А. Пластическая деформация поверхности и эксплуатационные свойства деталей. Киев: Изд. УкрНИИНТИ, 1975. -60с.

18. Горохов В.А. Обработка деталей пластическим деформированием. -Киев: Техника, 1978.- 191с.

19. Горохов В.А. Улучшение эксплуатационных свойств деталей и инструмента методами виброобкатывания. М.: НИИмаш, 1983. - 64с.

20. Грановский Г.И. Обработка результатов экспериментальных исследований резания металлов. М.: Машиностроение, 1982. - 42с.

21. Дрозд М.С., Матлин М.М., Сидякин Ю.И. Инженерные расчеты упругопластической контактной деформации. М.: Машиностроение, 1986. - 240с.

22. Инженерные методы исследования ударных процессов/ Г.С. Батцев, Ю.В. Голубков, А.К. Ефремов, A.A. Федосов. М.: Машиностроение, 1977. -240с.

23. Инструментальные стали. Справочник/ А.П. Гуляев, К.А. Малинина,с.М. Саверина. Изд. 2-е, перераб. И доп. М.: Машиностроение, 1975. - 271с.

24. Исследование измерения фазового состава после поверхностной пластической деформации закаленной стали/ М.А. Балтер, З.В. Эдлина, A.A. Чернякова, Л.Я. Гольдштейн, Е.А. Куриц// Физико-химическая механика материалов. 1974. - №2. -с. 47 - 51.

25. Кацев П.Г. Статистические методы исследования режущего инструмента. Изд. 2-е, перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1974. - 239с.

26. Кильчевский H.A. Динамическое контактное сжатие твердых тел: Удар. -Киев: Наукова думка, 1976. 320с.

27. Коновалов Е.Г., Сидоренко В.А. Чистовая и упрочняющая ротационная обработка поверхностей. Минск: Высшая школа, 1968. - 364с.

28. Красовский А.Я. Физические основы прочности. Киев: Наукова думка, 1977. - 139с.

29. Кроха В.А. Кривые упрочнения металлов при холодной деформации. -М.: Машиностроение, 1968. 131с.

30. Кудрявцев И.В. Основы выбора режима упрочняющего поверхностного наклепа ударным способом (методом чеканки)// Повышение прочности и долговечности деталей машин методами поверхностного наклепа. Труды ' ЦНИИ ТМаш. М.: Машиностроение, 1965. -с. 6 - 34.

31. Кудрявцев И.В. Основы выбора режима упрочняющего поверхностного наклепа ударным способом. Тр. ЦНИИ технологии и машиностроения, 1965.-кн. 108.-с. 8-16.

32. Кудрявцев И.В., Петушков Г.Е. Влияние кривизны поверхности на глубину пластической деформации при упрочнении поверхностным наклепом// Вестник машиностроения. 1966. - №7. -с. 41 - 43.

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

34. Маклинток Ф., Аргон А. Деформация и разрушение материалов. М.: Мир, 1970.-443с.

35. Методы упрочнения режущих инструментов и рациональные области их применения/ Методические рекомендации. М.: ВНИИ инструмент, 1988. - 25с.

36. Миркин Л.И. Рентгеноструктурный анализ. Справочное руководство по получению и измерению рентгенограмм. М.: Физматгиз, 1976. - 327с.

37. Миркин Л.И. Рентгеноструктурный контроль машиностроительных материалов. М.: Машиностроение, 1979. - 280с.

38. Михайлова A.A., Игнатьев P.A. Упрочнение деталей методом пластической деформации. М.: Россельхоз издат, 1974. - 64с.

39. Мороз JI.C. Механика и физика деформации и разрушения материалов. -JL: Машиностроение, 1984. 224с.

40. Олейник Н.В., Кычин В.П., Луговской А.Л. Поверхностное динамическое упрочнение деталей машин. Киев: Техника, 1984,. - 151с.

41. Олемской А.И., Скляр И.А. Эволюция дефектной структуры твердого тела в процессе пластической деформации// Успехи физических наук. -1992. Т. 162. №6.-с. 29-79.

42. Павлов В.А. Физические основы холодной деформации ОЦК металлов. -М.: Наука, 1978. 207с.

43. Папшева Н.Д. Упрочнение протяжек различными методами ППД// Поверхностное упрочнение деталей машин и инструментов. Изд. Куйбышевского политехнического института. Куйбышев, 1975. -с. 94 96.

44. Папшев Д.Д. Отделочно-упрочняющая обработка поверхностным пластическим деформированием. М.: Машиностроение, 1977. - 152с.

45. Петросов В.В. Гидродробеструйное упрочнение деталей и инструмента. -М.: Машиностроение, 1977. 168с.

46. Папшев Д.Д., Дмитриев В.А. О зависимости нормальной силы от твердости при накатывании // Поверхностное упрочнение деталей машин и инструментов. Сб. науч. тр. КПИ, 1976. -с. 38 - 43.

47. Папшев Д.Д., Пронин A.M. Влияние соотношения технологических факторов на степень упрочнения при обкатке методами поверхностного пластического деформирования // Поверхностное упрочнение деталей машин и инструментов. Сб. науч. тр. КПИ, 1976. -с. 49 - 51.

48. Пронин A.M., Кургузов Ю.М. Определение глубины наклепа по размерам остаточного отпечатка // Поверхностное упрочнение деталей машин и инструментов. Сб. науч. тр. КПИ, 1976. -с. 55-61.

49. Полухин П.И., Гореликс.С., Воронцов В.К. Физические основы пластической деформации. М.: Металлургия, 1982. - 584с.

50. Расчет глубины пластической деформации при упрочнении деталей ППД/ М.С. Дрозд, Ю.И. Сидякин, А.П. Осипенко и др.// Вестник машиностроения, 1979. №1. -с. 19 -23.

51. Режимы резания труднообрабатываемых материалов: Справочник/ Я. JI. Гуревич, М.В. Горохов, В.И. Захаров и др. 2 е изд., перераб. И доп. - М.: Машиностроение, 1986. - 240с.

52. Рыковский Б.П., Смирнов В.А., Щетинин Г.М. Местное упрочнение деталей поверхностным наклепом. М.: Машиностроение, 1985. - 152с.

53. Скрытая энергия при наклепе/ Э.Л. Титченер, М.Б. Бевер//Успехи физики металлов, 1961. №4. -с. 290 - 395.

54. Смирнов-Аляев Г.А. Сопротивление металлов пластическому деформированию. М. - Л.: Машгиз, 1961.

55. Смирнов-Аляев Г.А. Механические основы пластической обработки металлов. Л.: Машиностроение, 1968. - 272с.

56. Солоненко В.Г., Прищип A.C. Повышение работоспособности металлорежущих инструментов в условиям автоматизированного производства. Краснодар, 1992. 48с.

57. Солоненко В.Г. Повышение работоспособности металлорежущих инструментов. КубГТУ, Сев.-Кав. отдел. АПК РФ. - Краснодар, Ростов н/Д, 1997.-223с.

58. Солоненко В.Г., Дейнега М.В., Двадненко И.В. Прогрессивные методы повышения стойкости режущих инструментов// Сборник научных работ студентов, отмеченных наградами и поощрениями на конкурсах. -Краснодар: КубГТУ, 1996. №1. -с. 68-69.

59. Солоненко В.Г., Двадненко И.В. К вопросу о рациональных методах повышения стойкости режущих инструментов// Тезисы докладов к краевой научно-технической конференции. Краснодар: Дом науки и техники РОСНИО, 1996. -с. 5.

60. Солоненко В.Г., Двадненко И.В. Перспективные методы повышения стойкости режущих инструментов// Материалы международной научно-технической конференции "Молодая наука новому тысячелетию". -Набережные Челны: КамПИ, 1996. -с. 117-118.

61. Солоненко В.Г., Двадненко И.В. Механическое упрочнение режущих инструментов// Сборник работ Новосибирской межвузовской научной студенческой конференции "Интеллектуальный потенциал Сибири". -Новосибирск, 1997. -с. 71-72.

62. Солоненко В.Г., Кочетилов B.C., Двадненко И.В. Поверхностное пластическое деформирование как средство повышения работоспособности режущих инструментов// Тезисы докладов к краевой научно-технической конференции. Краснодар, 1998.с. 10-11.

63. Солоненко В.Г., Лобусов A.B., Двадненко И.В. Степень деформации поверхностей трения// Тезисы докладов к краевой научно-технической конференции. Краснодар, 1998. -с. 11-13.

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

65. Третьяков И.П., Мелиховс.Г. Методика определения накопленной пластической деформации в зоне резания и распределение напряжений на поверхностях инструмента// Резание и инструмент, 1971. №4. -с. 27 - 31.

66. Упрочнение режущих инструментов методом чеканки/ Солоненко В.Г., Лобусов A.B., Зарецкий Г.А., Двадненко И.В.// Сборник научных трудов "Инструментальные и современные технологии в технике и медицине". -Ростов н/Д, 1997. -с.82 84.

67. Филоненкос.Н. Резание металлов. Киев: Техника, 1975. - 232с.

68. Финкель В.М. Физические основы торможения разрушения. М.: Металлургия, 1977. - 360с.

69. Фридель Ш. Дислокации. Перевод с англ. М.: Мир, 1967. - 644с.

70. Хает Л.Г., Гах В.М., Левин В.И. Упрочнение твердосплавного режущего инструмента поверхностным деформированием. Обзор. М.: НИИмаш, 1981. - 54с.

71. Хоникомб Р. Пластическая деформация металлов. М.: Мир, 1972. -408с.

72. Чепа П.А. Технологические основы упрочнения деталей поверхностным пластическим деформированием. Минск: Наука и техника, 1981. - 128с.

73. Чистовая обработка деталей пластическим деформированием/ Ю.Г. Проскуряков, А.И. Осколков, Б.Г. Шаповалов, И.К. Усиков. Барнаул: Алтайское кн. изд-во, 1969. - 110с.

74. Шашин М.Я., Капралов В.М. Оценка предполагаемой эффективности упрочнения ППД на основе обобщенных параметров// Вестник машиностроения, 1977. №4. -с. 53 - 55.

75. Шнейдер Ю.Г. Инструмент для чистовой обработки металлов давлением. М. - Л. : Машиностроение, 1971.- 248с.

76. Шнейдер Ю.Г. Вибрационное обкатывание. Л.: ЛДНТП, 1974. - 44с.

77. Якобори Т. Научные основы прочности и разрушения материалов. -Киев: Наукова думка, 1978. 354с.

78. Black IT. On the fundamental mechanism of Larger strein plastic deformation. Electron microscopy of metal cuttin chips. Paper. ASME, 1970.NWA/ Prod -2 ,22 p.

79. Dislocation in sjlids. У 1 6 / ed. F.R.N. Nabarro/ Amsterdam: North -Holland Publ., 1978, 1983.-200 p.

80. Mecking H., Katduck K.P., Cottstein G. In : Proc. Int. Conf. Textures of Materials, Acher: 1978. - p. 377 - 386.

81. Remalingan S., Black I.T. On the metal physical considerations in the machining of metals. Paper ASME, 1971,- NWA/ Prod 22,- p. 10.