автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.07, диссертация на тему:Разработка направлений повышения качества токарной обработки с применением тангенциального вибрационного резания

Солис Пинарготе Нестор Вашингтон

РАЗРАБОТКА НАПРАВЛЕНИЙ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ТОКАРНОЙ ОБРАБОТКИ С ПРИМЕНЕНИЕМ ТАНГЕНЦИАЛЬНОГО ВИБРАЦИОННОГО РЕЗАНИЯ

>

Специальность: 05.02.07 - Технологии и оборудование механической и физико-технической обработка

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 9 МАЙ 2011

Москва -2011

4847405

Работа выполнена на кафедре «Технология машиностроения, металлорежущие станки и инструмент» инженерного факультета Российского университета дружбы народов. Автор выражает благодарность за помощь в работе, оказанную сотрудниками «ИМАШ» РАН, ЗАО «ШГ», ОАО «ЭНИМС» и МГТУ «Станкин».

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор Козочкин М,П.

Официальные оппоненты: - доктор технических наук,

профессор Верещака A.C.

- кандидат технических наук, Ермолаев В. К.

Ведущая организация ОАО «ВНИИШСТРУМЕНТ»

Защита состоится " 31 " мая 2011 г. в " Я часов на заседании диссертационного совета Д 212.203.16 при Российском университете дружбы народов по адресу: 113090, Москва, Подольское'шоссе, дом 8/5, ауд.109.

10 <7

Российского

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ' университета дружбы народов по адресу; г. Москва, 117198, ул. Миклухо-Маклая, д.6.

Автореферат разослан

а

апреля 2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.203.16, кандидат технических наук, доцент

Соловьев В.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время во многих отраслях промышленности, используются современные материалы с новыми физико-механическими характеристиками, расширяющими их применение и создающими новые возможности, которые позволяют снизить себестоимость производства и повысить срок службы изготовленных деталей. С появлением таких материалов возникает необходимость создания новых методов и технологий для их обработки. Ультразвуковое (УЗ) резание является одним из таких перспективных методов обработки. В ряду особенностей, позволяющих считать метод УЗ резания перспективным, следуют: существенное снижение сил резания при обработке, устранение нароста, обеспечение доступа СОТС в зону резания, снижение высоты микронеровностей обработанной поверхности, снижение до минимума остаточных напряжений на обработанной поверхности после применения УЗ технологии.

УЗ технологии стали известны более 50 лет назад. Несмотря на проведение многочисленных исследований в этом направлении в промышленности встречается в основном только УЗ обработка свободным абразивом и вибронакатка поверхностей с УЗ воздействием. Лезвийная обработка с наложением УЗ колебаний широкого распространения так и не получила. Проблемы применения этих технологий связаны с громоздкостью соответствующих приспособлений, с потреблением большого количества энергии и выделением избыточного тепла, со сложностью их настройки на резонансный режим и поддержанием резонанса на разных режимах резания.

Продолжающиеся работы в этом направлении позволили в последние годы создать эффективные колебательные системы, работающие в авторезонансном режиме и поддерживающие настройку на резонанс в широком диапазоне вариации режимов резания («ИМАШ» РАН, ЗАО «НТГ»), Адаптационные возможности системы управления и применение пьезоэлементов дало возможность в десятки раз сократить потребление энергии и объем выделяемого тепла. Это позволило вплотную подойти к новому этапу лезвийной обработки с наложением тангенциальных вибраций.

Следующим этапом развития вибрационного резания необходимо становится проведение исследований особенностей поведения самих устройств, реализующих вибрационное резание, направленных на усовершенствование как самой технологии вибрационного резания, так и конструкции механической части приспособления. Это определяет актуальность и значимость настоящих исследований.

Цель работы - поиск направлений повышения качества токарной обработки в условиях применения тангенциального вибрационного резания.

Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:

1. Создание лабораторного стенда для изучения механизмов УЗ воздействия на процесс резания. Определение положительных и отрицательных факторов применения УЗ точения. Определение факторов, способных позитивно воздействовать на процесс УЗ точения;

2. Исследование влияния УЗ воздействия при точении на качество поверхности и поверхностного слоя, на формирование стружки;

3. Исследование динамических характеристик типовой УЗ установки и сравнение их с характеристиками типового инструмента;

4. Исследование влияния УЗ воздействия на стойкость режущего инструмента, изучение природы этого влияния, определение путей повышения стойкости инструмента при УЗ воздействии на процесс резания;

5. Исследование влияния СОТС на процесс УЗ точения, изучение природы влияния СОТС на качество УЗ точения;

6. Разработка рекомендаций по совершенствованию систем для вибрационного точения, определение областей эффективного применения систем с вибрационным воздействием на процесс резания.

Методы исследования. Исследования выполнены на базе основных положений теории резания, динамики станков, технологии машиностроения, теории планирования экспериментов. В экспериментах использовались комплекс для цифровой записи и обработки вибрационных сигналов, комплекс аппаратуры для анализа состояния поверхностей, комплекс аппаратуры для скоростной видеосъемки.

Научная новизна проведенной работы состоит в следующем:

1. Исследованы особенности разрушения твердосплавных пластин при УЗ воздействии и возможные в этих условиях методы повышения стойкости режущего инструмента;

2. Исследован механизм стружкообразования при УЗ воздействии в разрезе влияния на угол сдвига элементов стружки;

3. Установлено, что при вынужденном УЗ воздействии на отделяемый материал механизм сдвига элементов стружки может сохранять автоколебательный характер;

4. Выявлен основной недостаток конструкции УЗ установок с тангенциальным расположением волновода, заключающийся в их низкой динамической жесткости;

5. Показано, что под влиянием СОТС при УЗ резании может формироваться стружка с уникальными свойствами, заключающимися в формировании прирезцового слоя стружки с твердостью ниже исходной твердости обрабатываемого материала. Предложен механизм, объясняющий это явление и влияние СОТС на чистоту поверхности;

6. Поставлены задачи дальнейших исследований в области вибрационного резания, решение которых позволит повысить качество обработки и расширить диапазон скоростей резания с эффективным применением вынужденных колебаний.

7. Поставлены задачи дальнейших исследований в области вибрационного резания, решение которых позволит повысить качество обработки и расширить диапазон скоростей резания с эффективным применением вынужденных колебаний.

Практическая значимость работы:

- расширена область знаний о динамике процесса резания;

- установлены основные причины малого объема внедрения УЗ точения в промышленности;

- разработаны направления изменения конструкции устройства для вибрационного резания и методы применения СОТС для повышения качества обработки и увеличения диапазона допустимых скоростей резания.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на: II Всероссийской конференции молодых ученых и

4

специалистов «Будущее машиностроения в России» (2009 г.), XXI Международной Иновационно-ориентированной конференции молодых ученых и студентов по современным проблемам машиноведения (2009 г.), Международных научно-практическых конференциях «Инженерные системы - 2009, 2010». Автор стал обладателем почетного диплома за наиболее интересное научное сообщение в ИМАШ им. А.А.Благонравова РАН на XXI Международной конференции молодых ученых. Один патент получен и подана еще одна заявка на выдачу патента.

Реализация результатов работы. Полученные результаты и методики используются в научной работе кафедры «Технология машиностроения» РУДН в учебном процессе по курсам «Спецкурс теории резания» и «Спецкурс технологического оборудования и оснастки», в научно-исследовательской работе магистров.

Научные результаты и практические рекомендации работы переданы в ГОУ ВПО МГТУ «Станкин», где запланировано создание макетного образца в соответствии с рекомендациями работы и ведется патентование с участием автора. Один патент получен, подана еще одна заявка.

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 11 печатных трудах (из них один за рубежом), в том числе 4 работы опубликованы в изданиях, рекомендованных перечнем ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4-х глав, основных выводов, списка использованной литературы и приложений. Работа изложена на 144 страницах машинописного текста, содержит 81 рисунков, 10 таблиц, список использованных источников из 98 наименования, 3-х приложений. Общий объём работы 160 страниц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность диссертации и основные направления исследований. Приведена общая характеристика работы.

В первой главе выполнен обзор методов лезвийной обработки с применением УЗ колебаний, рассмотрены основные положения опубликованных в Советском Союзе, России и за рубежом теоретических и экспериментальных исследований, связанных с механикой процесса УЗ резания и его эффектами. Установлено, что исследованию процесса УЗ резания, его математическому моделированию и улучшению УЗ колебательных систем для применения обработки материалов посвящены работы А.И. Исаева, А.И. Маркова, В.Н. Подураева, М.С. Нерубая, Д. Кумабе, В.К. Асташева, В.Н. Баранова, В.А. Кривоухова, С.Г. Редько, Д.И. Рыжкова, JI.B. Эрлиха, A.A. Козлова, М.П. Козочкина, С.И. Агапова, Е. Shamoto, N. Negishi, Thomas Dow, Lee Overcash и др.

В главе рассмотрены взгляды многих ученых на положительные и отрицательные стороны УЗ технологий. Подчеркивается противоречивость взглядов на эффективность УЗ технологий. Отмечается, что в литературе нет ясной трактовки влияния СОТС на механику УЗ резания, на формирование стружки.

На основании критического анализа литературных данных была поставлена цель работы и сформулированы задачи исследования.

Во второй главе приводится описание особенностей вибрационного резания и дается объяснение эффектов, характерных для УЗ резания.

Проводится теоретический анализ конструкций преобразователей, применяемых для УЗ резания. Дается сравнение реальных конструкций преобразователей, используемых в разных работах по изучению УЗ резания. В результате установлено, что наилучшая конструкция УЗ преобразователя -конструкция с меньшим количеством консолей, причем лучше, когда радиальная составляющая силы резания совпадает с центром крепления приспособления и при этом отсутствует плечо, создающее изгибающий момент. Дается описание стенда, использованного в работе.

Проведены расчеты статической жесткости типовой установки. Исследовалась деформация при радиальной нагрузке. Получилось, что жесткость УЗ установки составляет 48 Н/мкм. Радиальная жесткость обычного токарного резца в десятки раз выше.

12т

- -Уз приспособление —"Обычный резец]

—ТТ"

ч я ш ! ? ; I» ? с.к. ¡¡»вичя^вг-^чияяав""^

— ■ ■ о о о о о о о — — — — ^ —

Часта ЦГц)

Рис. 1. Динамическая податливость УЗ приспособления и обычного резца.

В процессе исследований динамических характеристик приспособления были экспериментально с помощью динамометрического молотка построены АЧХ приспособления для УЗ резания в сравнении с АЧХ обычного резца (рис. 1). Получилось, что динамическая жесткость типовой УЗ установки на порядок ниже, что объясняется необходимостью консольного расположения волновода. Низкая динамическая жесткость будет влиять на чистоту поверхности особенно в условиях переменной нагрузки. В связи с этим была дана рекомендация о необходимости перехода к конструкции с горизонтальным расположением волновода изгибных колебаний.

Непосредственно померить УЗ вибрации на резце с помощью акселерометра нельзя, что связано с огромными ускорениями и влиянием дополнительных стыков на сами вибрации. Поэтому при исследованиях было уделено внимание измерению частоты и амплитуды УЗ колебаний.

Измерения проводилось на токарных станках: а - мод. 16Б16П повышенной точности; б - мод 16К25. Для определения частоты УЗ воздействия акселерометр устанавливался на заготовку (при измерениях УЗ колебаний без резания), на заднюю бабку и резцедержку токарного станка. При такой установке акселерометров контролировалась частота УЗ воздействия и амплитуда ускорения,

пропорциональная амплитуде на режущей кромке. Было установлено, что в процессе резания частота составляла 23,49 ± 0,04 кГц.

Для определения величины амплитуды колебаний на холостом ходу использовался микроскоп ПМТ-3, на основании которого закреплялась УЗ головка. Амплитуда УЗ колебаний определялась по размаху колебаний специальной метки, нанесенной на кромку инструмента. Отслеживание амплитуды при резании было проведено с помощью высокоскоростной видеосъемки. Компания СЕДАТЕК (ЗЕБАТЕС) предоставила возможность зафиксировать процесс УЗ резания с помощью высокоскоростной видеокамеры «РЬоИот Разйат 8А-4». Съемка проводилась со скоростью 30000 кадров в секунду. Заготовка из стали 40Х закреплялась на станке мод. 16К25. Режимы резания были: э = 0,052 мм/об, I = 0,25 мм, V = 25 м/ мин. Режущим инструментом служила многогранная пластина фирмы «ЗапсМк Соготаш» ССММ120408. Съемка установила амплитуду в 5 мкм.

С помощью полученных кадров при высокоскоростной видеосъемке наблюдались перемещения в зоне пластических деформаций. В частности было установлено, что угол сдвига элементов стружки при УЗ резании (50 - 53°) и при резании без УЗ колебаний (28 - 29°). Эти результаты подтверждают, выше сказанное, что при УЗ резании снижается сила резания. Значениям угла сдвига в пределах 28-29° соответствуют большие пластические деформации, которым соответствуют большие силы резания.

Исследования микрошлифов медной заготовки показали, что глубина деформационных слоев заготовки, обработанная без УЗ (рис. 2, а), равна 14,8 мкм, а глубина этих слоев при обработке с применением УЗ колебаний инструмента (рис. 2, б) составляет 6,5 мкм, т. е. в 2,3 раза меньше.

Глубина деформационного слоя I Глубина деформационного слоя

14,8 мкм У

а)

Рис. 2. Фотографии микрошлифов поверхностного слоя медной заготовки при обработке: а) без УЗ (Ь = 14,8 мкм), б) с УЗ (И = 6,5 мкм).

В третьей главе представлены результаты экспериментальных исследований УЗ резания с приспособлением, работающим на основе авторезонанса.

Приводятся результаты исследования влияния УЗ колебаний на качество получаемых поверхностей при обработке разных материалов.

Главное условие, определяющее границу эффективности УЗ обработки с тангенциальными колебаниями инструмента - неравенство:

Гжр ^ Умак., (1)

где, Утр - окружная скорость заготовки (скорость резания) [м/мин.]; Умак, -максимальное значение колебательной скорости режущего инструмента [м/мин.].

Максимальное значение колебательной скорости режущего инструмента можно рассчитать по формуле

Умак — 1,2 х 10~4 к А-£ (2)

где А — амплитуда колебаний инструмента [мкм]; / - частота колебаний инструмента [Гц], к - математическая константа.

Для используемого прибора в наших опытах (/ = 23,4 кГц, А = 5мкм) максимальное значение колебательной скорости равно 44,1 м/мин.

При воздействии ультразвуковых колебаний инструмента процесс резания проходит более устойчиво. Устойчивое резание - это резание с умеренными амплитудами. При появлении вибраций с большой амплитудой говорят о потере устойчивости. В этом случае на обработанной поверхности остаются следы относительных колебаний инструмента. Это говорит о присутствии интенсивных автоколебаний в упругой системе. Сливная стружка, в свете сказанного, соответствует более устойчивому резанию по отношению к сегментной. Причинами возникновения интенсивных автоколебаний при обычном резании могут быть различные физические явления, порой действующие одновременно. Однако координатная связь и дискретность процесса стружкообразования являются универсальным механизмом формирования автоколебаний при резании.

Проявление координатной связи заключается в том, что под действием силы резания вершина режущего инструмента смещается в общем случае не только по направлению действующей силы, но и в перпендикулярном направлении. Это происходит из-за анизотропии жесткости упругой системы на вершине инструмента, ведущая к тому, что главные оси жесткости не совпадают с координатными осями станка (рис. За). При резании вершина резца находится в условиях всестороннего сжатия, где любые перемещения кроме тангенциальных стеснены. Силы, препятствующие движению инструмента в ортогональных направлениях, определяются реакцией со стороны адгезионных мостиков, действующих в окрестности вершины инструмента, и силами реакции со стороны материала заготовки и со стороны образующейся стружки, сохраняющей упругие свойства. В момент сдвига элемента стружки разрушаются адгезионные мостики, падают реакции со стороны стружки и детали, и нарушается равновесие сил. Вершина инструмента устремляется к новому положению равновесия, но не по тангенциальному направлению, а по сложной траектории, имеющей смещение по нормали к поверхности резания (рис. 36). Количество потенциальной энергии, накопленной к моменту сдвига элемента стружки, зависит от условий резания, износа режущего инструмента, жесткости упругой системы и т. п. Чем больше накопленной энергии расходуется при сдвиге стружки, тем больше амплитуда колебаний.

Р

г

а) 6)

Рис. 3. Природа координатной связи и ее роль в формировании автоколебаний при резании.

Та часть потенциальной энергии, которая накопилась за счет деформаций упругой системы по нормали к поверхности резания, будет стремиться создать отклонение траектории вершины от тангенциального направления. Однако интенсивных автоколебаний может и не возникать, если, например, потенциальная энергия расходуется малыми порциями, но с высокой частотой. Именно так и происходит при образовании сливной стружки. Здесь при единичном сдвиге потенциальная энергия уменьшается не более чем на 30%, но сдвиги происходят с высокой частотой. Т.о., опасность возникновения автоколебаний с большой амплитудой заключается не столько в количестве накопленной энергии, сколько в ее релаксации большими порциями.

Похожий эффект наблюдается при применении вибрационного резания. Именно здесь реализуются описанные выше условия, когда накапливаемая в упругой системе потенциальная энергия имеет возможность расходоваться малыми порциями, но с высокой частотой, обеспечивая минимальное движение резца относительно поверхности детали в направлениях, несовпадающих со скоростью резания.

При УЗ резании на скоростях, выполняющих неравенство (1), между передней поверхностью резца и стружкой периодически образуется зазор, разрушающий адгезионные мостики, способствующие образованию нароста. В моменты разрыва связей режущий инструмент не совершает скачков. Вынужденные колебания с высокой частотой и с образованием зазора не позволяют резцу накапливать значительное количество потенциальной энергии, которая релаксирует в каждом цикле открытия зазора малыми порциями с частотой, превышающей частоту сдвигов в сливной стружке. Это позволяет минимизировать колебательные движения вершины резца в направлениях, отличных от тангенциального. В этом одно из важнейших преимуществ УЗ резания, которое резко уменьшается из-за малой динамической жесткости УЗ установок.

Далее приводятся результаты УЗ резания разных материалов (рис. 4). Опыты проводились на станке мод. 16Б16П. Скорость резания бралась в интервале 1,4...99 м/мин. Подача и глубина резания были одинаковая для всех опытов (б = 0,052 мм/об., I = 0,2 мм). В качестве инструмента использовалась режущая пластинка ТКММ200408 из сплава Т5К10.

16,85

8.7

щЬ; 2 1

2

I - («р. беч УЗ 2- 05р.7уТ1

23,8

■ ■

Эбонит Алюминий Д16 Мрамор Медь М1 Сталь Н9ХТ От.Х18Н9Т Рис. 4. Влияние УЗ воздействия на шероховатость поверхности. 9

Измерения шероховатости производились на профилографе-профилометре модели ПП-2. Фотографии поверхностей делались с помощью микроскопов ММУ-3, ПМТ-3 и цифровой камеры "Webbers" DCM-130M. Увеличение изображения тарировалось и отображалось на фото.

Фотографии обработанных поверхностей показывают, что скольжение в тангенциальном направлении может ухудшить их качество. Это связано с тем, что задняя грань резца может царапать получаемую поверхность, при этом частицы снимаемого материала могут шаржировать эту поверхность.

Резание без применения СОТС не позволило получить идеальную поверхность из-за сохранения ее фрикционного контакта с задней гранью инструмента. Это напрямую связано с низкой радиальной жесткостью УЗ установки, как следствия консольного волновода, на конце которого крепится режущий инструмент. Сравнительная динамическая жесткость конструкции уже рассматривалась (рис. 1).

Далее приводятся результаты влияний СОТС на шероховатость поверхности при ультразвуковом точении металлов. С помощью СОТС предполагалось устранить фрикционный контакт задней грани с обработанной поверхностью. В качестве СОТС применялись масло И-20А и 5-ти % раствор мыла в воде (рис. 5).

Значения скорости резания на станке мод. 16Б16П находились в интервале (8,6...27,6 м/мин). Подача и глубина резания были одинаковая для всех опытов (s = 0,052 мм/об., t = 0,5 мм). В качестве инструмента использовалась режущая пластинка TNMM200408 из сплава Т5К10.

Рис. 5 показывает результаты точения стали 18ХГТ с УЗ колебаниями инструмента и подачей масла И-20А в качестве СОТС поливом. После применения масла в качестве СОТС при УЗ точении шероховатость обработанной поверхности улучшилась по сравнению с поверхностями, обработанными без него.

12

10

В

i 6

О

8.6 17.3 27,5

Скорость |)ез,1Н1!я (М'Мнн]

Рис. 5. Влияние применения масла при ультразвуковом резании на шероховатость обработанной поверхности стали 18ХГТ.

Опыт применения масла в качестве СОТС дал интересный эффект. На профилограмме было отмечено, что инструмент при подаче масла совершает «всплытие» в радиальном направлении, вызывая увеличение диаметра обработанной поверхности на 60 мкм (рис. 6). Это перемещение инструмента

Обработка с маслом Обработка беи масла

■ ! ; : | ! ; 1 Н [ м и 1 ;!'!'! : 1 11 ШШя С» Ом к М| И ! ! м ; 1 ; ! ' . ['¡.¡ПИ тн-цп; ! 1;|; г; | ; ; ; : п | ; ; ; ; ¡.;.;...[..} И . ; ;.Г: ; ;! Г; ; (.- . < , ; ; г< ; ; ; ! ; с : .. ■ | ; . < ; ;

I И I 1 ; .'.; • М 1 : ) 1 ; ■ г : м .! |! I:! и ¡1 ММЧ!-!|!.Ч| ил 1.1.1, !,г! 1 НИМ 1 нпПмм НИН!!.!!:'гг;;П!Ч-П1!ТТН: ЩИ] И! И ! I ИГ;. ГК-: м ¡¡И

Рис. 6. Профилограмма участка поверхности медной детали, включающего момент подачи масла.

объясняется недостаточной жесткостью упругой системы в радиальном направлении. Видимо, при формировании зазора между передней поверхностью инструмента и прирезцовой частью стружки, жидкость всасывается в эту полость за счет образующегося вакуума. При обратном движении инструмента жидкость, находящаяся в зазоре, оказывается под большим давлением и просачивается во все имеющиеся зазоры. Этот процесс напоминает эффект насоса, закачивающего жидкость в зону резания. Т. к. сопротивление жидкости пропорционально квадрату скорости, и оно растет с увеличением вязкости среды (кинематическая вязкость И-20А сост. 25-35 мм2/с при 40°С), то при течении масла между поверхностью резания и задней поверхностью появляется сила, действующая в радиальном направлении, вызывая деформацию упругой системы. Радиальные перемещения инструмента будут сказываться на качестве поверхности.

Таблица 1 показывает, что применение вязкой СОТС, при УЗ обработке стали Х18Н9Т не всегда дает положительный эффект (задний угол инструмента а = 0 п = 31,5 об/мин; V = 4 м/мин, б = 0,052 мм/об; I = 0,05 мм). Применение раствора мыла оказывается более эффективным.

Для устранения данного эффекта, было принято использовать жидкость с малой кинематической вязкости в качестве СОТС. Использовался раствор мыла в воде (0,658 мм2/с). В результате применения 5% раствор мыла в воде при УЗ точении стали Х18Н9Т получали уменьшение Яг более чем в 2 раза.

Таблица 1

Вид СОТС Инструмент Шероховатотсть (мкм)

без СОТС СОТС

МАСЛО И-20А Е^Т160406 (Т15К6) 4,54 6,53

МАСЛО И-20А таММ220408 (Т5К10) 4,43 5,87

5-ти % раствор мыла ТОММ220408 (Т5К10) 5,26 2,46

Следующий этап заключался в изучении влияния СОТС на прохождение колебательной энергии через зону резания при УЗ точении. Эксперименты заключались в виброакустическом (ВА) контроле процесса УЗ точения без

применения и с применением масла и 5% раствора мыла в воде в качестве СОТС. С помощью акселерометров, установленных на задней бабке и резцедержке токарного станка мод. 16К25 записывались ВА сигналы, проходящие к ним от зоны резания. В результате изучения спектров ВА сигналов, прошедших через зону резания, было установлено, что при введении СОТС отдача УЗ энергии улучшается по сравнению с сухим резанием. Наибольшая амплитуда УЗ колебаний на задней бабке наблюдалась при применении водного раствора (табл. 2), а наименьшая при сухом резании.

Т. о., можно утверждать, что водный раствор лучше проникает во все микротрещины в зоне резания и лучше проводит УЗ энергию через зону резания. Получается, что эффективность резания повышается за счет увеличения количества УЗ энергии, проходящей через зону резания при наличии СОТС. Было также отмечено, что увеличение УЗ энергии, проходящей через зону резания, сопровождается ее снижением на резцедержке (табл. 2).

При анализе огибающих ВА сигнала было установлено, что наименьшая глубина модуляции УЗ сигнала возникает при обработке с водным раствором, наибольшая при работе с маслом. При сухом резании глубина модуляции носит промежуточный характер. Т. о., более плотная среда, в зазоре между поверхностью резания и задней гранью инструмента приводит к росту колебаний в радиальном направлении. Применение менее плотной СОТС облегчает отделение стружки и не вызывает заметного всплывания инструмента. Этот результат еще раз подчеркивает важность радиальной жесткости установки для резания с тангенциальными вибрациями.

таблица 2

Вид СОТС Инструмент Амплитуды спектра ВА сигнала (дк)

на задней бабке резцедержке

без СОТС ТЫММ220408 (Т5К10) 53,3 291,7

МАСЛО И-20А ТЫММ220408 (Т5К10) 125 154,2

5-ти % раствор мыла ТЫММ220408 (Т5К10) 251,7 189,2

В этом же разделе рассмотрено влияние УЗ на качество обработки хрупких материалов. Как известно, обработка хрупких материалов является сложной и дорогой операцией, поэтому здесь приходится прибегать к технологиям шлифования и полирования. Однако при обработке асферической оптики актуальность точения с каждым годом возрастает. В связи с актуальностью проблемы были сделаны пробные эксперименты по обработке стеклянных заготовок на токарном станке с использованием УЗ технологий с применением различных СОТС.

При строгании на стекле со скоростью 20,8 мм/мин и глубиной 0,2 мм, с помощью УЗ колебаний инструмента была получена канавка с гладким контуром. При обработке канавки без применения УЗ, происходило разрушение материала. На стекле оставались следы в виде сколов. При увеличении глубины резания до 0,5 мм при УЗ обработке, полученные контуры не изменяли свою форму, т.е. оставались гладкими. Гладкий контур обработанного стекла доказывает, что

энергия удара резца концентрируется в малом объеме срезаемого слоя в направлении, совпадающем с направлением скорости движения. Материал отделяется в виде дисперсного порошка локально при каждом ударе. Такой режим обеспечивает минимальные отклонения вершины от тангенциального направления. Подобные эффекты наблюдались при точении оптического стекла ГЛС1. Заготовка устанавливалась с эксцентриситетом 0,2мм для наблюдения за влиянием глубины резания на шероховатость. При УЗ точении с глубиной от 0 до 0,2 мм следы получались в виде гладких канавок, повторяющих форму инструмента.

При обработке обычного стекла полученные результаты, были иными. Заготовка устанавливалась с эксцентриситетом 0,6 мм. Обработка стекла без УЗ колебаний приводила к разрушению обработанной поверхности. Введение СОТС в виде 5% раствора позволяло получать гладкую поверхность только на начальном участке УЗ резания. Далее частички стекла попадали вместе с СОТС в периодически образующийся зазор, вызывая шаржирование поверхности. Т. о., принудительный обмен СОТС в зоне резания является необходимым компонентом вибрационного резания.

Приводятся результаты исследований особенностей износа режущих пластин в условиях УЗ резания. В таблице 3 приводятся данные по стойкости и форме износа разных твердосплавных пластин (ТСП) при обработке различных материалов. В таблице 3 обозначено: h - высота износа/разрушения по задней поверхности, b - ширина износа/разрушения по передней поверхности, / -глубина износа/разрушения по передней поверхности. Было установлено, что при УЗ резании большое значение имеет размер зерна ТСП и наличие на поверхности концентраторов напряжений, т. е. факторов существенно влияющих на сопротивление материала усталостному разрушению. Например, при работе ТСП из ВК8 и Т15К6 с крупнодисперсной структурой получалась нетрадиционная форма износа, имеющая форму кратера (рис. 7).

Рис. 7. Разрушение ТСП ВК8 при ультразвуковых колебаниях по: а) передней (56х); б) задней (56х) поверхностям.

Аналогичная форма износа получалась при нешлифованной поверхности ТСП. Концентраторы напряжений влияли на форму износа подобно крупным зернам. В ходе экспериментов была попытка использовать инструмент из кубического нитрида бора для обработки стекла, но инструмент в течение 5 секунд разрушался.

Применение ТСП из Т5К10 с мелкодисперсной структурой и покрытием ТПЧ меняет характер износа, приближая его к обычному абразивному по задней поверхности (см. табл. 3). Т. о., мелкодисперсная структура и покрытие,

залечивающее поверхностные дефекты, делают инструмент более устойчивым к усталостным нагрузкам.

_____Таблица 3

мат-ал заго-ки инструмент V м/мин s мм/об t мм т мин А мкм h мм ь мм / мм

Ст.45 ВК8* 6,28 од 0,5 2 5 0,35 0,95 0,61

Н9ХТ Т15К6** 1,7 0,052 0,2 7,7 5 1,06 1,74 0,72

Медь Т15К6** 4 0,052 0,2 7,5 5 1,55 1,73 0,66

Х18Н9Т Т15К6** 2,75 0,052 0,2 7,7 5 0,93 2,58 1.19

Д-16 Т15К6** 1,4 0,052 0,2 7,8 5 1 1,73 0,74

стекло КНБ 1,37 0,052 0,2 0,08 5 - 2,66 0,94

Медь Т5К10*** 4,4 0,052 0,1 6,9 5 0,11 - -

Х18Н9Т Т5К10*** 3,2 0,052 ОД 19,8 5 0,11 - -

18ХГТ Т5К10*** 10,6 0,052 ОД 24,2 5 0,61 - -

* - напайная пластинка; ** - ТСП ENMT160406 с покрытием TiC; *** -ТСП TNMM220408 с покрытием TiN-TiC/N-TiN.

В ходе эксперимента были использованы ТСП WNMM060508 из ВК8 с нешлифованными после штамповки кромками. В качестве меры устранения концентраторов напряжений ТСП дополнительно шлифовались алмазным кругом. В табл. 4 приведены результаты стойкостных испытаний ТСП того и другого вида на станке 16Б16П.

Таблица 4

V s t L V мм

м/м ж мм/об мм м Не шлифованных ТСП шлифованных ТСП

Без УЗ 14 0,052 ОД 195 0,3 0,32

СУЗ 14 0,052 од 195 0,89 0,33

СУЗ 68 0,052 ОД 195 0,31 0,11

Без УЗ 68 0,052 ОД 195 - 0,23

СУЗ** 14 0,052 0,2 260 - 0,23

Ь - пройденная длина резания; * - износ по задней поверхности инструмента; ** - применение 5-ти % раствор мыла в качестве СОТС.

Результаты говорят о том, что в условиях УЗ резания качество поверхности ТСП имеет особое значение. Доводка алмазным кругом дала повышение стойкости в 2,7 раза.

Для получения представления об общей картине износа с помощью метода планирования экспериментов была построена зависимость износа от глубины, скорости, подачи и наличия УЗ воздействия.

Повышение стойкости при УЗ точении может достигаться за счет использования мелкодисперсных сплавов, высокого качества поверхностей, применения современных износостойких покрытий и подачи СОТС.

Рис. 8. Износ по задней поверхности ТСП WNMM060508 из ВК8 при УЗ: а) с 5-ти 1 раствор мыла (h, = 0,23 мм); б) без СОТС (h3 = 1,18 мм). L = 260 м (V = 14 м/мин, s = 0,052 мм/об, t = 0,2 мм).

В четвертой главе приводятся результаты исследований особенностей стружкообразования при УЗ резании с применением СОТС.

Рисунок 9 показывает схему сил, действующих на элемент стружки со стороны передней грани резца при обычном резании. Равнодействующий вектор

силы Я образуется силой трения Р и нормального давления N.

Вектор II можно разложить на составляющие параллельную (Рсдв -сила сдвига) и перпендикулярную (Рсж- сила сжатия) линии сдвига. Рсдв создает еще и изгибающий момент М в сходящей стружке, который растет по мере удаления Я от режущей кромки. Сила Рсж препятствует растяжению прирезцового слоя стружки и раскрытию трещин, возникающих в процессе

пластической деформации. Силовые факторы, могут быть представлены в

Поверхм! резания

Рис. 9. Схема сил, действующих на элемент стружки

таком виде:

M(t) = Рсдв L = Рсдв V/41 sin(n - 5 - Ф) к,

Рсдв = R cos ( р + Ф - у ),

(3)

(4)

Рсж = R sin ( р + Ф - у), (5)

где L - плечо изгибающего момента; V — скорость резания; ^ - коэффициент усадки, t - время; S - угол резания, равный л/2-y; р - угол трения; у - передний угол; Ф - угол сдвига; к < 0.5 - коэффициент, учитывающий уменьшение скорости движения точки приложения равнодействующей R по сравнению со стружкой.

Преобразуя выражение (5), допуская, что у = 0 и tg (р) « 1 получим

Рсж = 0.7 N/cos (р/2). (6)

Выражение (6) указывает, что сжимающее усилие на плоскости сдвига не падает до нуля даже при полном устранении трения стружки о переднюю поверхность, а определяется долей от нормальной составляющей N.

Для тангенциального сечения (Ф=0) формула (5) при у = 0 сила Рсж стремится к 0 с уменьшением р

Рсж = sin ( р - у ) N/cos(p). (7)

При положительном у и малом р сила Рсж может оказаться отрицательной, оказывая растягивающее действие на трещины, возникающие в окрестностях плоскости резания. Перед режущей кромкой возникает концентрация дислокаций, и в результате под действием растягивающих сил развивается опережающая трещина. Ее поверхности остаются ювенильными из-за невозможности поступления в эту зону воздуха или СОТС и по этой причине возникающие микротрещины могут «залечиваться» под влиянием молекулярных сил, затрудняя развитие опережающей трещины. Появлению таких трещин препятствуют и вторичные деформации. При УЗ резании трение уменьшается, меняя ситуацию. При УЗ резании передняя поверхность циклически образует зазор со стружкой. При введении СОТС она устремляется в этот зазор под действием образуемого вакуума и капиллярного эффекта. Во время обратного движения происходит сжатие в районе вершины инструмента части жидкости, которая под воздействием давления стремится заполнить и расширить все трещины и микротрещины. В этих условиях жидкость начинает играть роль режущего клина, способного проникать в микротрещины, имеющие толщину нанометрического диапазона. Это нейтрализует процессы их «залечивания», облегчая отделение стружки, способствуя ее диспергированию. Жидкостной режущий клин увеличивает фактический передний угол и позволяет отделять стружку не столько за счет сдвига, сколько за счет отжима от поверхности резания. Диспергирование материала при УЗ резании с СОТС снижает усилия, действующие при резании, включая F и N (рис. 9). По формуле (7) снижение этих составляющих может сделать Рсж отрицательной, что способствует раскрытию микротрещин. В гл. 3 уже было дано экспериментальное подтверждение проникновения СОТС в микротрещины зоны резания. В этой главе стружка исследовалась непосредственно.

Из стружки, полученной при УЗ точении с СОТС и без СОТС, были приготовлены микрошлифы но нормали к прирезцовой поверхности стружки. Результаты замеров микротвердости показаны на рис. 10. Видно, что стружка, полученная с СОТС, обладает уникальными свойствами: твердость ее поверхностного слоя значительно ниже твердости исходного материала (166 НВ). На рис. 11 показаны фото микрошлифов стружки.

Стружка, полученная с СОТС, на расстоянии до 20 мкм от поверхности имеет твердость в среднем на 50 % ниже исходного материала, вместо зоны вторичных деформаций на стружке отмечаются следы разрушения, свидетельствующие о насыщении поверхности микротрещинами, профилограммы отмечают значительное повышение чистоты поверхности. На основании полученного эффекта было предложено новое устройство для вибрационного резания, где вибрации осуществляются за счет переменного давления жидкости, подаваемой через режущую пластину в зону резания. Преимуществом устройства является сохранение эффекта при высоких скоростях резания. На устройство подана заявка на выдачу патента.

Расстояние от лрнрещовой стороны стружки |икм]

Рис.10. Изменение микротвердости стружки из стали 18ХГТ в зависимости от расстояния от поверхности.

| - - -Микротвердость стружки без воды Микротвердость с водой |

Влияние вторичных деформации

Зона пониженной твердости

а) б)

Рис. 11 Фотографии фрагментов стружки при точении с тангенциальными УЗ вибрациями: а - без СОТС; б - с подачей поливом СОТС (5 % раствор мыла в воде).

Была рассмотрена альтернативная возможность объяснения явления диспергирования поверхности стружки при введении СОТС: УЗ капиллярный эффект, увеличивающий скорость и высоту подъема жидкости в микротрещинах, и возникающее расклинивающее давление. Согласно работам академика Дерягина Б. В. вследствие стремления к утолщению пленок жидкостей, проникающих в трещины нанометрического диапазона, расклинивающее давление может достигать 100 Н/мм2. Был поставлен эксперимент на УЗ прошивочном станке мод. MOI. Торец волновода прижимался к поверхностям разных материалов. УЗ воздействие при наличии СОТС производилось в течение 20 с. Заметного снижения твердости поверхностей выявить не удалось. Без резания эффект не возникал. Однако выяснение роли расклинивающего давления при УЗ резании является задачей дальнейших исследований. К задачам дальнейших исследований надо отнести и выяснение роли кавитационных процессов в зоне УЗ резания, возникающих с проникновением СОТС.

В работе был отмечен интересный факт, имеющий отношение к автоколебательной природе стружкообразования, изучаемой в работах проф. М. П. Козочкина. При УЗ строгании канавки на алюминиевой заготовке со скоростью 20.8 мм/мин и глубиной 0.3 мм на поверхности канавки под микроскопом были видны следы сдвига элементов стружки. Расчеты показали, что на один сдвиг приходится в среднем 675 УЗ циклов. Получается , что частота сдвигов равна 34 Гц. Эта частота определяется набором внутренних свойств системы (свойства материала, геометрия инструмента и т. п.). Механизм задания такта сдвигов состоит в осадке материала и подготовке за 675 циклов сетки микротрещин для реализации условий сдвига элемента. Получается, что под воздействием вынужденных колебаний процесс резания сохраняет автоколебательный характер, проявляющийся в периодической форме стружки.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ

В результате исследований были достигнуты поставленные задачи.

1. Установлено, что применение тангенциального УЗ резания в устройствах, работающих на основе авторезонансной поднастройки, положительно влияет на качество поверхностного слоя. Применение УЗ резания эффективно в случаях, когда качество поверхностного слоя является важнейшим фактором. Это труднообрабатываемые и хрупкие материалы, роль которых с каждым годом растет.

2. Выявлен основной недостаток конструкции УЗ установок с тангенциальным расположением волновода, заключающийся в их низкой статической и динамической жесткости, что сказывается на шероховатости обработанной поверхности и стойкости инструмента. Радиальная жесткость обычного токарного резца в десятки раз выше типовой конструкции УЗ установки. Это дало основания рекомендовать к использованию в УЗ устройствах изгибные колебания инструмента с тангенциальными вибрациями вершины.

3. Исследованы особенности разрушения твердосплавных пластин при УЗ резании и возможные в этих условиях методы повышения стойкости режущего инструмента. Проведенные опыты показали, что основным негативным фактором является циклическая нагрузка на ТСП, переходящая в условиях низкой динамической жесткости в ударную, показали недопустимость концентраторов напряжений на поверхностях ТСП. В качестве мер по повышению стойкости ТСП при УЗ резании были рекомендованы: применение мелкодисперсных сплавов, доводка поверхностей ТСП, применение современных износостойких покрытий и СОТС с низким коэффициентом динамической вязкости.

4. Показано, что использование СОТС при УЗ точении хрупких материалов может давать негативные результаты за счет шаржирования обработанной поверхности частицами абразива, попадающими в СОТС. В связи с этим были даны рекомендации по введению принудительного обмена СОТС в зоне резания.

5. Показано, что под влиянием СОТС при УЗ резании может формироваться стружка с уникальными свойствами, заключающимися в формировании прирезцового слоя стружки с твердостью ниже исходной твердости обрабатываемого материала. Предложен механизм, объясняющий это явление и влияние СОТС на чистоту поверхности. Очень важным фактором для повышения эффективности обработки при УЗ резании является выбор СОТС в зависимости от ее вязкости и смачивающей способности. На основании полученных результатов

предложено новое устройство для вибрационного резания, находящееся в состоянии оформления патентов, суть которого состоит в создании переменного давления СОТС, подаваемой в зону резания через саму ТСП. В связи с этим возник целый пакет задач дальнейших исследований: отработка параметров и режимов работы устройства, его влияние на стойкость инструмента, определение области эффективного применения.

6. Исследован механизм стружкообразования при УЗ воздействии в разрезе влияния на угол сдвига элементов стружки. Установлено, что при вынужденном УЗ воздействии на отделяемый материал механизм сдвига элементов стружки может сохранять автоколебательный характер;

7. Среди задач дальнейших исследований, возникших в процессе настоящей работы, надо дополнительно отметить необходимость исследований роли эффектов расклинивающего давления и кавитационных процессов при вибрационном резании с применением СОТС на формирование стружки.

Список публикаций по теме диссертации:

1. М.П. Козочкин, II.B. Солис. Исследование связи вибраций при резании с качеством получаемой поверхности // Вестпик РУДН, Сер. Инженерные исследования. - М.: №2 - 2009 - С. 16-23.

2. М.П. Козочкин, Н.В. Солис, В.А. Рогов, ИЛ". Солодков. Исследование влияния высокочастотных колебаний инструмента па качество обработанной поверхности // II Всероссийская конференция молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроения в России». -М.: МГТУ им. Баумана, 2009- С. 32.

3. Н.В. Солис. Исследование процесса точения с применением ультразвуковых колебаний инструмента и их влияния на качество поверхности // XXI Международная Иновационно-ориентированная конференция молодых ученых и студентов по современным проблемам машиноведения 2009. - М.: Институт машиноведения им. A.A. Благонравова РАН. C.2Q0.

4. Н.В. Солис. Применение ультразвукового эллиптического резания для обработки труднообрабатываемых материалов // XXI Международная Иновационно-ориентированная конференция молодых ученых и студентов по современным проблемам машиноведения 2009. - М.: Институт машиноведения им. A.A. Благонравова РАН. С. 201.

5. Н.В. Солис. Исследование связи вибраций при резаний с качеством получаемой поверхности // Международная научно-практическая конференция «Инженерные системы - 2009». - М.: РУДН-2009. С.133-134.

6. Асташев В.К., Андрианов H.A., Козочкин МЛ., Колик JI.B., Крупенин B.JL, Солис-Пииарготе Н.В. К реализации авторезонансаой ультразвуковой технологии. Проблемы машиностроения в надежности машин №06 - 2009. С.52-59

7. М.П. Козочкин, Н.В. Солнс. Определение угла сдвига стружкя при ультразвуковом точении с помощью высокоскоростной видеосъемки. II Вестник РУДН, Сер. Инженерные исследования. - М.:№3-2010-С.60-65.

8. Н.В. Солис. Применение высокоскоростной видеосъемки для исследования снижения силы резания при ультразвуковом точении. И Международная научно-практическая конференция «Инженерные системы -2010» - М.: РУДН 2010. С. 140-141

9. М.П. Козочкин, Н.В. Солис, Особенности стружкообразования при лезвийной обработке с ультразвуковыми вибрациями. // «Машиностроитель» -М. Изд-во МАШМЗ ДАТ-Хе2-201 1-С. 29-35,

10. Устройство контроля и управления резанием изделий из хрупких материалов. Патент на полезную модель J6 102557 Ш. Бюл. № 7 от 10. 03. 2011 (авторы; М. П. Козочкин, В. В. Юркевич, Н. В. Солнс Пйнарготе)

11. V.K. Astashev, N.A. Andrianov, М.Р. Kozochkin, L.V. Kolik, V.L. Krupenin, N.W. Solis. On the implementation of Ultrasonic Technology. Journal of Machinery Manufacture and Reliability, 2009, Vol.38, JVs 6, pp. 566-571. AJlerton Press, Inc.

12.M.IL Козочкин, H.B. Солис. Влияние охлаждающей жидкости на процесс резания с ультразвуковыми вибрациями. -Вестник РУДН, Сер. Инженерные исследования. -М.: №3-2011. В печати.

13. Устройство для вибрационного резания цилиндрических деталей. Заявка № 2011113314 от 07. 04. 2011 (авторы: С. Н. Григорьев, М. П. Козочкин, Ф. С. Сабиров, Н. В. Солис Пйнарготе).

Солис Пйнарготе Нестор Вашингтон (Эквадор) РАЗРАБОТКА НАПРАВЛЕНИЙ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ТОКАРНОЙ ОБРАБОТКИ С ПОМОЩЬЮ ТАНГЕНЦИАЛЬНОГО ВИБРАЦИОННОГО

РЕЗАНИЯ

Диссертация посвящена разработке направлений повышения качества тангенциального вибрационного резания. Проведен анализ причин, негативно влияющих на возможности применения в промышленности существующих установок для ультразвукового (УЗ) точения, и даны рекомендации по их устранению и минимизации. Предложены решения, направленные на усовершенствование механической части УЗ установок, к устройства для вибрационного резания за счет подачи СОТС с переменным давлением. На основании изучения целого ряда эффектов при УЗ точении были поставлены задачи для дальнейших исследований.

Solis Pinargote Nestor Washington (Ecuador)

THE DEVELOPMENT OF DIVISIONS TO INCREASE QUALITY OF BENCHWORK

WITH USAGE OF TANGENCIAL VIBRATION CUTTING The PhD thesis is dedicated to the development of divisions with puipose to increase quality of benchwork using tangential vibrant cutting. The analysis of causes has been carried out which have negative influence on application possibilities in industry of already existed installations for ultrasound cutting. The recommendations have been given to remove and minimize these causes. The decisions have been proposed directed on improving ultrasonic installation mechanical parts and devices for ultrasonic cutting due to application of cutting fluid with alternating pressure. The tasks have been set up for future studies on the base of researching whole effect range while cutting.

Подписано в печат: 25.04.2011 Типография «11-й ФОРМАТ»

Заказ № 5401 Тирах - 90 экз. ИНН 7726330900

Печать трафаретная 115230, Москва, Варшавское ш., 36 www.autoreferat.ru (499) 788-78-56

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. Обзор методов лезвийной обработки с применением ульт- д развуковых колебаний

1.1. История развития технологий ультразвуковой обработки

1.2. Исследования процессов, происходящих при ультразвуковом | ^ резании

1.3. Авторезонансная система

1.4. Выводы по обзору литературных источников и постановка 27 задач исследования

ГЛАВА 2. Приспособления, используемые при реализации процессов 30 ультразвукового точения.

2.1. Особенности процесса вибрационного резания

2.2. Анализ конструкции преобразователей для ультразвукового 34 точения

2.3. Расчет статической жесткости применяемого приспособле- 49 пия

2.4. Анализ динамической жесткости применяемого приспособ- 43 ления

2.5. Измерения фактических частот и амплитуды преобразователя.

2.5.1. Измерение частоты ультразвукового преобразователя

2.5.2. Измерение амплитуды ультразвукового преобразователя

2.6. Выводы по главе

ГЛАВА 3. Экспериментальные исследования ультразвукового резания с приспособлением, работающим на основе авторезонанса

3.1. Влияние ультразвуковых колебаний при резании на качество ^ получаемых поверхностей при обработке разных материалов

3.2. Особенности влияния СОТС на шероховатость поверхности при УЗ точении металлов

3.3. Влияние применения СОТС на динамическую характеристику УЗ преобразователя при ультразвуковом резании

3.4. Влияние СОТС при УЗ обработке хрупких материалов на шероховатость поверхности

3.5. Особенности износа инструмента при ультразвуковом резании с применением СОСТ с разными значениями вязкости

3.5.1. Дробный факторный эксперимент. Планирование эксперимента

3.5. Выводы по главе

ГЛАВА 4. Особенности образования стружки при ультразвуковом точении

4.1. Схема сил, действующих на стружку при лезвийной обра- ^23 ботке

4.2. Разработка представлений об особенностях влияния СОТС ^21 на УЗ резание

4.3. Экспериментальное подтверждение механизма влияния 130 СОТС на стружкообразование при УЗ точении

4.4. Автоколебательный характер образования стружки при вы- ^у нужденных УЗ колебаниях

4.5. Направления дальнейших исследований по результатам экс- <^39 периментов главы

4.6. Выводы по главе 141 ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ

В настоящее время во всех отраслях промышленности, используются современные материалы с новыми физико-механическими характеристиками, позволяющие расширить их применения и создать новые технологии, которые позволят снизить стоимость производства и повысить срок службы изготовленных новыми материалами деталей.

Как всегда происходит, с появлением новых материалов должны появляться новые методы и технологии для их обработки. Ультразвуковой метод обработки является одним из таких перспективных методов.

Первые работы по ультразвуковой обработке материалов появились еще в середине 50-х годов XX века. Такие работы были проведены одновременно в России, США и Японии. В те времена, не смотря на интерес развития этой технологии, она не получила должного значения на производстве из-за разногласий мнений ее применения разными исследователями. Нужно сказать, что уровень технологии того времени тоже сыграл важную роль на возможность внедрения ультразвукового резания на производстве, так как появились проблемы, связанные с технологией проведения обработки, а также с настройкой и поддержанием резонанса ультразвукового оборудования в течение обработки материалов на разных режимах обработки резания.

В ходе изучения этого относительно нового метода обработки было установлено, что он является одним из перспективных методов обработки будущего, и это было связанно с его особенностями:

• Существенное снижение сил резания при обработке;

• Устранение нароста;

• Обеспечение доступа СОТС в зону резания;

• Снижение высоты микронеровности обработанной поверхности в несколько раз по сравнению с обработкой, на одинаковых режимах, без ультразвуковых колебаний инструмента;

• Снижение до минимума или отсутствие остаточных напряжений на обработанной поверхности после применения ультразвуковой технологии.

Все это было хорошо, но тогда для внедрения ультразвукового резания в промышленности нужно было еще решать проблему с поддержанием авторезонансного режима колебательной системы в течении всего процесса обработки при любых режимах резания.

Эта проблема была решена лишь в конце первого десятилетия XXI века с появлением прибора, работающего на авторезонансной основе.

Одной из ведущих компании, которая разработала такую систему, является Национальная Технологическая Группа (НТГ). НТГ после долгих лет работы под руководством профессора Асташева В.К. сумела разработать такую систему, поддерживающую авторезонанс для любых режимов резания. Теперь главными задачами, после разработки авторезонансной системы, являются наблюдения исследования за поведением авторезонансного прибора при обработке материалов, его влияние на качество получаемой поверхности и нахождение методов повышения эффективного ее применения. Один из предполагаемых методов повышения эффективности - применение СОТС в зону резания при ультразвуковом резании. Нужно сказать, что до настоящего момента не существовало механизма, объясняющего процесс, происходящий при ультразвуковом резании с применением СОТС. В этой связи представляется актуальным исследование влияния на качество обработанной поверхности при наложении ультразвуковых колебаний на режущий инструмент и нахождение методов повышения эффективности применения при ультразвуковом резании.

Целью работы является поиск направлений повышения качества токарной обработки в условиях применения тангенциального вибрационного резания.

Для достижения указанной цели в диссертации были поставлены следующие задачи:

1. Создание лабораторного стенда для изучения механизмов ультразвукового воздействия на процесс резания. Определение положительных и отрицательных факторов применения ультразвукового точения. Определение факторов, способных позитивно воздействовать на процесс ультразвукового точения.

2. Исследование влияния ультразвукового воздействия при точении на качество поверхности и поверхностного слоя, на формирование стружки.

3. Исследование динамических характеристик упругой системы ультразвуковой установки.

4. Исследование влияния ультразвукового воздействия на стойкость режущего инструмента, изучение природы этого влияния, определение путей повышения стойкости инструмента при УЗ воздействии на процесс резания.

5. Исследование влияния СОТС на процесс ультразвукового точения, изучение природы влияния СОТС на качество ультразвукового точения.

6. Разработка рекомендаций по совершенствованию ультразвуковых установок для ультразвукового точения, определение областей эффективного применения систем с вибрационным воздействием на процесс резания.

В экспериментах использовался прибор для ультразвукового точения, разработанный Национальной Технологической Группой. Проводились исследования на разных материалах и были использованы разные жидкости в качестве СОТС.

Научная новизна проведенной работы состоит в следующем:

1. Исследованы особенности разрушения твердосплавных пластин при УЗ воздействии и возможные в этих условиях методы повышения стойкости режущего инструмента;

2. Исследован механизм стружкообразования при УЗ воздействии в разрезе влияния на угол сдвига элементов стружки;

3. Установлено, что при вынужденном УЗ воздействии на отделяемый материал механизм сдвига элементов стружки может сохранять автоколебательный характер;

4. Выявлен основной недостаток конструкции УЗ установок с тангенциальным расположением волновода, заключающийся в их низкой динамической жесткости;

5. Показано, что под влиянием СОТС при УЗ резании может формироваться стружка с уникальными свойствами, заключающимися в формировании прирезцового слоя стружки с твердостью ниже исходной твердости обрабатываемого материала. Предложен механизм, объясняющий это явление и влияние СОТС на чистоту поверхности;

6. Поставлены задачи дальнейших исследований в области вибрационного резания, решение которых позволит повысить качество обработки и расширить диапазон скоростей резания с эффективным применением вынужденных колебаний.

Практическая значимость работы определяется следующим:

- расширена область знаний о динамике процесса резания;

- установлены основные причины малого объема внедрения УЗ точения в промышленности;

- разработаны направления изменения конструкции устройства для вибрационного резания и методы применения СОТС для повышения качества обработки и увеличения диапазона допустимых скоростей резания.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка использованной литературы и приложений.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

В результате исследований были достигнуты поставленные задачи.

1. Установлено, что применение тангенциального УЗ резания в устройствах, работающих на основе авторезонансной поднастройки, положительно влияет на качество поверхностного слоя. Применение УЗ резания эффективно в случаях, когда качество поверхностного слоя является важнейшим фактором. Это труднообрабатываемые и хрупкие материалы, роль которых с каждым годом растет.

2. Выявлен основной недостаток конструкции УЗ установок с тангенциальным расположением волновода, заключающийся в их низкой статической и динамической жесткости, что сказывается на шероховатости обработанной поверхности и стойкости инструмента. Радиальная жесткость обычного токарного резца в десятки раз выше типовой конструкции УЗ установки. Это дало основания рекомендовать к использованию в УЗ устройствах изгибные колебания инструмента с тангенциальными вибрациями вершины.

3. Исследованы особенности разрушения твердосплавных пластин при УЗ резании и возможные в этих условиях методы повышения стойкости режущего инструмента. Проведенные опыты показали, что основным негативным фактором является циклическая нагрузка на ТСП, переходящая в условиях низкой динамической жесткости в ударную, показали недопустимость концентраторов напряжений на поверхностях ТСП. В качестве мер по повышению стойкости ТСП при УЗ резании были рекомендованы: применение мелкодисперсных сплавов, доводка поверхностей ТСП, применение современных износостойких покрытий и СОТС с низким коэффициентом динамической вязкости.

4. Показано, что использование СОТС при УЗ точении хрупких материалов может давать негативные результаты за счет шаржирования обработанной поверхности частицами абразива, попадающими в СОТС. В связи с этим были даны рекомендации по введению принудительного обмена СОТС в зоне резания.

5. Показано, что под влиянием СОТС при УЗ резании может формироваться стружка с уникальными свойствами, заключающимися в формировании прирезцового слоя стружки с твердостью ниже исходной твердости обрабатываемого материала. Предложен механизм, объясняющий это явление и влияние СОТС на чистоту поверхности. Очень важным фактором для повышения эффективности обработки при УЗ резании является выбор СОТС в зависимости от ее вязкости и смачивающей способности. На основании полученных результатов предложено новое устройство для вибрационного резания, находящееся в состоянии оформления патентов, суть которого состоит в создании переменного давления СОТС, подаваемой в зону резания через саму ТСП. В связи с этим возник целый пакет задач дальнейших исследований: отработка параметров и режимов работы устройства, его влияние на стойкость инструмента, определение области эффективного применения. }

6. Исследован механизм стружкообразования при УЗ воздействии в разрезе влияния на угол сдвига элементов стружки. Установлено, что при вынужденном УЗ воздействии на отделяемый материал механизм сдвига элементов стружки может сохранять автоколебательный характер.

7. Среди задач дальнейших исследований, возникших в процессе настоящей работы, надо дополнительно отметить необходимость исследований роли эффектов расклинивающего давления и кавитационных процессов при вибрационном резании с применением СОТС на формирование стружки.

1. Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий». М.: Наука, 1976г. 278с.

2. Агапов С.И. Определение истинной скорости резания при ультразвуковом зубофрезеровании. Агапов С.И. Материалы межвузовского сборника научных трудов "Прогрессивные технологии в машиностроении". — Волгоград, 2002. - с. 3 - 7

3. Агапов С.И., Парецкий Д.Е., Лукша О.Г. Ультразвуковое приспособление для зубодолбления для высосочастотных деталей. Материалы межвузовского сборника научных трудов "Прогрессивные технологии в машиностроении". Волгоград, 1999. - с. 3 - 5

4. Агапов С.И. Физические аспекты ультразвуковой механической обработки. Волгоградский государственный технический университет. Известия ВолгГТУ стр. 5-8. http://www.vstu.rU/research/pub/izvestiya/ptm/Q 1 .pdf

5. Асташев В.К., Бабицкий В.И., Герц М.Е. Адаптивная система управления ультразвуковым станком — Приборы и системы управления, 1977, №2, с. 11-12

6. Асташев В.К. Влияние ультразвуковых резца на процесс резания. Проблемы машиностроения и надежности машин. № 3, 1992. с. 81-86.

7. Асташев В.К., Герц М.Е. Возбуждение и стабилизация резонансных колебаний ультразвуковых стержневых систем. Акустический журнал, 1976, т. XXII, вып. 2, с. 192 - 200.

8. Асташев В.К., Андрианов H.A., Крупенин В.Л., Козочкин М.П., Со-лис Н.В, Колик Л.В. К реализации авторезонансной ультразвуковой технологии. Проблемы машиностроения и надежности машин № 06 2009. ст. 52 - 59

9. Асташев В.К. Настройка ультразвуковых станков под нагрузкой. Станки и инструмент, 1972, №10, с.32 34.

10. Асташев В.К., Бабицкий В.И. Методы повышения эффективности ультразвуковых станков. Станки и инструмент, 1982, №3, с.25 27

11. Асташев В.К.О нелинейной динамике ультразвуковых технологических процессов и систем. Вестник научно-технического развития №2, 2007.

12. Асташев В.К. Системы возбуждения авторезонансных вибротехнических устройств. Вестник научно-технического развития, №1, 2007.

13. Баранов В.Н. и др. Дробление стружки при точении вязких материалов. « Станки и инструмент», 1963, № 1.

14. Баранов В.Н., Захаров Ю.Е. Некоторые вопросы применения вибраций в технологии машиностроения. «Известия вузов», 1961, № 12.

15. Беляев И. М. Сопротивление материалов. М.: Наука, 1976. — 608 с.

16. Боуден Ф.П. Тейбор Д. Трение и смазка. М.: Машиностроение, 1968, 542 с.

17. Буталов В.А. Технология металлов. М.: Металлургиздат, 1963. 512с.19. «Вибрационное резание металлов». М., ЦНИИТМАШ, 1962

18. Вижесундара Пемсири. Влияние сдвига фаз колебаний по отделным координатам упругой системы на износ токарных проходных резцов. Диссертация кандидата технических наук. М.: 1989, 208 с.

19. Вульф А. М. Резание металлов. Л. «Машиностроение», 1973. 496 с.

20. Дерягин Б. и Кусаков М. Экспериментальное исследование сольватации поверхностей в применении к построению математической теории устойчивости коллоидов. Изд. Академии Наук СССР.

21. Устройство контроля и управления резанием изделий из хрупких материалов. Патент на полезную модель № 102557 U1. Бюл. № 7 от 10. 03. 2011 (авторы: М. П. Козочкин, В. В. Юркевич, Н. В. Солис Пинарготе).

22. Зорев Н. Н. Вопросы механики процесса резания металлов. М., «Машгиз», 1956. 379 с.

23. Исаев А.И., Анохин B.C. Применение ультразвуковых колебаний инструмента при резании металлов Вестник машиностроения, 1961, № 5, с.56-62.

24. Исследование колебаний металлорежущих станков при резании металлов». М., Машгиз, 1958.

25. Киселев Е., Ковальногов В. Ультразвуковое снятие технологических остаточных напряжений. Техномир №2 (38) 2008.

26. Кривоухов В.А. и Воронов A.A. Высокочастотные вибрации резца при точении. М., Оборонгиз, 1956.

27. Козлов А. А. Интенсификация процессов резания на основе анализа эффектов неизотермической неустойчивости упругопластической деформации в зоне стружкообразования и контактных явлений: докторская диссертация, Москва, 1997.

28. Козочкин М.П. Виброакустическая диагностика технологических процессов. М.: Каталог, 2005.

29. М.П. Козочкин, Н.В. Солис. Влияние охлаждающей жидкости на процесс резания с ультразвуковыми вибрациями. М.: Вестник РУДН №3 2011.В печати

30. Козочкин М.П, Солис Н.В. Исследование связи вибраций при резании с качеством получаемой поверхности. Вестник Российского университета дружбы народов, Инженерный исследования, 2009 №2. стр.16 23 Изд. РУДН.

31. Козочкин М.П., Солис Н.В. Особенности стружкообразования при лезвийной обработке с ультразвуковыми вибрациями. М. «Машиностроитель». Изд-во МАШИЗДАТ. №2, 2011 с. 29 35.

32. Кудинов В.А. Динамика станков. М: Машиностроение, 1967. 359 с.

33. Кулемин A.B. Ультразвук и диффузия в металлах. М.: Металлургия, 1978.200с.

34. Кумабэ Д. Вибрационное резание: пер. с японского / Д. Кумабэ. -М.: Машиностроение, 1985. с. 423.

35. Кумабэ, Масуко, Изучение ультразвукового резания Translation Japan Society Mechanics Engineers, т. 24, № 138, 1958, 109 114.

36. Кузнецов В.Д. Физика твердого тела. Т. 3 — Томск: Красное знамя, 1944.

37. H.A. Малинина, В.Г. Малинин, Г.В. Малинин. Способы определения перемещений при изгибе в балках и рамах. Методические указания по выполнению расчетно-графической работы. Изд-во ОрелГТУ. Орел 2008, с.14.

38. Марков А.И. Резание труднообрабатываемых материалов при помощи ультразвуковых и звуковых колебаний. Машгиз. 1962. 330 с.

39. Марков А.И. Ультразвуковая обработка материалов. М.: Машиностроение, 1980. -237с. Ил. (Б-ка технолога).

40. Марков А.И. Ультразвуковое резание труднообрабатываемых материалов. М.: Машиностроение, 1968, 367 с.

41. Монтгомери Д.К. Планирование эксперимента и анализ данных: Пер с англ. JL: Судостроение, 1980.-384 с.

42. Нерубай М.С., Штриков Б.Л., Калашников В.В. Ультразвуковая обработка и сборка. Самара: Кн. Изд-во, 1995. - 191с.

43. Патент на полезную модель № 66237 от 10.09.2007 г., приоритет от1105.2007 г. «Устройство для возбуждения автоматической стабилизации резонансных колебаний ультразвуковых систем». Патентообладатель: ЗАО «Национальная Технологическая Группа» (RU).

44. Подураев В.Н., Захаров Ю.Е. Вибрационное резание при точении металлов. Станки и инструмент, 1959, № 2

45. Подураев В.Н. Обработка резанием жаропрочных и нержавеющих материалов. М. 1965.

46. Подураев В.Н. Обработка резанием с вибрациями. М.: Машиностроение, 1970. стр. 350

47. Разинкин А.В. Термомеханические процессы при ультразвуковом резании металлов. Кандидатская диссертация. М.: 2008. 106с. = 1.24-1.26

48. Разумов-Раздолов К.Л. Обеспечение качества деталей из труднообрабатываемых материалов. РИТМ (Ремонт, Инновация, Технология, Модернизация) специальный журнал. № 5, 2008.

49. Редько С.Г. Точение колеблющимся резцами. «Станки и инструмент», 1953, № 3

50. Робакидзе 3. Ю. Ультразвуковая механическая обработка жаропрочных сплавов твердосплавным инструментом. Кандидатская диссертация. Волгоград, 2006

51. Розенберг Л.Д., Казанцев В.Ф., Макаров Л.О., Яхимович Д.Ф. Ультразвуковое резание. М.: Изд-во АН СССР, 1962.

52. Розенберг Л.Д. Физика и техника мощного ультразвука. Том. 3. Физические основы ультразвуковой технологии. Издательство «Наука», Москва. 1970. 690 с.

53. Рыжков Д.И. Виброгаситель ударного действия для гашения крутильных колебаний сверла. «Передовая технология машиностроения» М., изд-тво АН СССР, 1955.

54. Рыжков Д.И. Опыт устранения вибрации при скоростном точении. М. Машгиз, 1954.

55. Сатель Э.А. и др. Вибрационное сверление в нержавеющих и жаропрочных сталях. Вестник машиностроения, 1962, № 1.

56. Солис Н.В. Исследование связи вибраций при резании с качеством получаемой поверхности. Международная научно-практическая конференция «Инженерные системы 2009». М.: РУДН 2009. ст. 133 - 134.

57. Солис Н.В, Козочкин М.П. Определение угла сдвига стружки при ультразвуковом точении с помощью высокоскоростной видеосъемки. М.: Вестник РУДН №3 2010. ст. 60-65.

58. Солис Н.В. Применение высокоскоростной видеосъемки для исследования снижения силы резания при ультразвуковом точении. Международная научно-практическая конференция «Инженерные системы 2010». М.: РУДН 2010. ст. 140

59. Спиридонов A.A. Планирование эксперимента при исследовании технологических процессов. М.: Машиностроение , 1981 г. 184с.

60. Улитин М.Н., Курицын И.Г. Сверление отверствий малого диаметра с применением электромагнитной вибраций. ИТЭИН, № Т-56-9/1, 1956.

61. Улитин М.Н., Деев Е.А. Станок и электромагнитной вибрацией для сверления малых отверстий. Тракторы и сельхозмашины, 1958, № 3.

62. Эрлих JI.B. Резание вибрирующим резцом. Всесоюзной конференции по машиностроению. Машгиз, 1946.

63. Astashev V.K., Andrianov N.A., Krupenin V.L., Kozochkin M.P., Solis N.W., Kolik L.V. On the implementation of Ultrasonic Technology. Journal of Machinery Manufacture and Reliability, 2009, Vol.38, № 6, pp. 566-571. Allerton Press, Inc.

64. Astashev V.K., Babitsky V.I. Ultrasonic cutting as a nonlinear (vibroimpact) process Ultrasonics, 1998, №6, p. 89 - 96

65. Astashev V.K., Babitsky V.I. Ultrasonic processes and machines. Dynamics, control and applications. Berlin. Springer. 2007.

66. Guido P.H. Gubbels. Diamond turning of glassy polymers. Eindhoven: Technische Universiteit Eindhoven, 2006.

67. Kumabi Junichiro. "Dencukore, Electronician". 12, 1963, № 4.

68. Lehfeld W. "Industrie-Rundschau", 1961, № 2.

69. Shamoto E., Suzuki N., Hino R. Analysis of 3D elliptical vibration cutting with thin shear plane model. CIRP Annals Manufacturing Technology 57 (2008) 57-60.

70. Shamoto E. and Moriwaki T., "Fundamental study on elliptical vibration cutting," Proc. of the 8th Annual Meeting, ASPE, pp. 162 165, 1993.

71. Shamoto E. and Moriwaki T. Study on Elliptical Vibration Cutting. CIRP Annals Manufacturing Technology, Volume 43, Issue 1, 1994, Pages 35 - 38

72. Shamoto E., Moriwaki T., Suzuki H., Mizugaki J., Maeyasu Y. and Higashi Y. Ultraprecision Cutting of Molybdenum By Ultrasonic Elliptical Vibration Cutting. American Society for Precision Engieering Publications (ASPE) Annual 2004

73. Shamoto E. Ultraprecision micro machining of hardened die steel by applying elliptical vibration cutting. The Japan Society of Mechanical Engineers, vol. 16, №2. December 2005.

74. Suzuki N., Haritani M., Yang J., Hino R., Shamoto E. Elliptical Vibration Cutting of Tungsten Alloy Molds for Optical Glass Parts

75. Moriwaki T. and Shamoto E. Ultrasonic Elliptical Vibration Cutting. Annals of the CIRP. 1995 Volume 44, number 1. Pages 31-34.

76. М.П. Козочкин, Н.В. Солис. Влияние охлаждающей жидкости на процесс резания с ультразвуковыми вибрациями. -Вестник РУДН, Сер. Инженерные исследования. -М.: №3-2011. В печати.

77. Устройство для вибрационного резания цилиндрических деталей. Заявка № 2011113314 от 07. 04. 2011 (авторы: С. Н. Григорьев, М. П. Козочкин, Ф. С. Сабиров, Н. В. Солис Пинарготе).