автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Закономерности процесса резания и формирования поверхностного слоя при свободном резании антифрикционных порошковых материалов

РГ6 од

белорусская государственная ордена трудового

-'крХЬногЬ^знамени политехническая академия

На правах рукописи

Д И АЛЛ О Умар

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПРОЦЕССА РЕЗАНИЯ И ФОРМИРОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ПРИ СВОБОДНОМ РЕЗАНИИ АНТИФРИКЦИОННЫХ ПОРОШКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ

05.03.02 — Процессы механической и физико-технической обработки, станки и инструменты

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Минск 1993

Работа выполнена на кафедре "Металлорежущие" станки и инструменты" Белорусской государственной политехнической академии.

Научный руководитель - кандидат технических наук,

доцент Е.Э.Ф ельд штейн

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор В.И.Б е л я е в

кандидат технических наук, доцент Л.М.К о ж у р о

Ведущее предприятие - Минский автомобильный завод

Защита диссертации состоится "04" мал 1993 года и 10 часов (ауд. 202, корпус I) на заседании специализированного совета К056.02.07 по присуждению ученой степени кандидата технических наук в Белорусской государственной политехнической академии по адресу: 220027, г.Минск, пр-т Ф.Скорины, 65, ксрл.1.

Отзыв по данной работе, заверенный печатью, просим напран-пять по выпеуказанному адрссу.

' С диссертацией модно ознакомиться в библиотеке БГПЛ.

Автореферат разослан " 29 " Л/ уг]^ 1993 г.

Ученый секретарь специализированного совета, канд. теки ........

Белорусская государственная политехническая академия, 1993

ОЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТА

Актуальность работы. Порошковая металлургия даст возможность создать новые материалы с заданными свойствами, обеспечить экономии материальных ресурсов, сократить производственные потери, снизить себестоимость изделий. В последние годы номенклатура изделий, получаемых методами пороаковоГ; металлургии распиряется, а общий выпуск деталей из металлических порозкоэ резко возрастает. Порошковые антифрикционные материалы используются во многих отраслях промгиленности.

Изделия, полученные методами пороиховоЯ металлургия, в ряде случаев нуждаются в финишной механической обработке лезвийными или абразивными инструментами для повышения точности размеров, уменьшения шероховатости, обеспечения требуемого качества рабочей поверхности деталей. Этим вопросам посвящены работы ряда исследователей, однако многие особенности процессов резания изучен« недостаточно. Все это определяет актуальность исследований процессов стружкообразовакия, тепловьтс и силовых воздействий в зоне резания, формирования обработанной поверхности и разработки более совершенной методики оптимизации условий точения.

Цель исследования- установление закономерностей процесса резания и формирования поверхностного слоя при свободном резании антифрикционных порошковых материалов.

Научная новизна. В работе получены следующие научные результаты. Исследован» закономерности влияния режима резания и переднего угла на основные параметры стружкообразования при точении порояковых материалов твердосплавными резцами. Установлен характер зависимостей удельных сил резания, контактных нагрузок и напряжений от режима резания и геометрии резпа. С помощью метода конечных элементов рассмотрены тепловые потоки, поля и температуры на контактных поверхностях инструмента и в поверхностном слое детали. Выполнены расчеты напряженного состояния в поверхностном слое и его пористость.

Практическая ценность работы заключается в следующем. Предложена регрессионная математическая

модель стружкообразования при точении антифрикционных порошковых материалов, учитывающая режим резания и геометрию резца. На основании экспериментальных исследований получены расчетные зависимости и поправочные коэффициенты для определения составляющих сил резания, температуры на контактных поверхностях инструмента и в поверхностном слое детали, остаточных напряжений в этом слое и его пористости. На основе метода линейного программирования разработана модель процесса и определены оптимальные режимы резания при точении деталей из порошковых материалов с учетом предотвращения дефектов их поверхностного слоя.

Апробация работы. Результаты работы доложены и обсуждены на научно-технических конференциях БГПА, а также на заседании кафедры "Металлорежущие станки и инструменты" академии.

По материалам диссертации опубликованы четыре статьи, список которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, общих выводов и списка литературы, включающего 106 наименований. Работа изложена на 109 страницах машинописного текста, содержит 64 рисунка и 25 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность диссертационной работы и формируются основные научные положения, которые выносят на защиту.

В первой главе рассмотрено состояние вопросов, сделан обзор литературных источников, посвященных исследовании процесса резания порошковых материалов, которые используются в узлах триния, изделиях электротехнического назначения, в энергетике, самолето- и ракетостроении, как материалы для режущих инструментов, как конструкционные материалы для изготовления различных деталей машин. Приведены сведения об основных.физико--химических свойствах порошковых материалов данного класса и их

основные достоинства. Наличие пор в материалах приводит к снижению прочности. Они повышают склонность материалов к наклепу. Все это влияет на обрабатываемость порошковых материалов.

I Анализ литературных источников позволил установить, что механическая обработка поропковых материалов исследована еще недостаточно, при этом большое внимание было уделено процессу точения. Однако исследованы лишь отдельные стороны этого процесса. За редким исключением встречаются работы, посвященные закономерностям струякообразования и напряженного состояния поверхностного слоя детали при точении порошковых материалов.

Приведенный анализ и поставленная цель работы позволяет сформулировать основные задачи.

1. Разработать модель процесса струякообразования при свободном точении пористых порошковых материалов.

2. Установить закономерности изменения сил резания, контактных нагрузок и напряжений в зависимости от условий резакия.

3. Изучить закономерности теплообмена в зоне резания; установить влияние условий резания на температуру в режущем клине, на плоскости сдвига и в поверхностных слоях деталей.

4. Изучить особенности напряженного состояния в поверхностных слоях деталей из антифрикционных порошковых материалов.

5. Разработать математическую модель процесса точения антифрикционных порошковых материалов с учетом высоких требований к производительности, качеству обработки и стойхости режущего инструмента и на ее основе дать практические рекомендации г.о обработке деталей.

Во второй главе приведены сведения об обрабатываемых материалах, режущих инструментах, оборудовании и приборах для проведения экспериментов.

Среди большой номенклатуры пороикопых материалов для исследования были выбраны материалы следующих композиций: яелезо-гра-фит (КГр2), железо-графит-ыедь (ЖГрГДЗ), железо-графит-медь-сера (ЙГр1,2Д2,5К0,8) и чистое железо (1ШЮ-63), состав и свойства этих материалов приведены в диссертации.

Рассмотрены присадки, входящие в состав отих материалов и их роль. П]5оаналиэирована также Теплопроводность этих материалов.

Известно, что однокарбидные я „пвухнарбидныс твердые сплавы могут успешно применяться для обработки порошковых материалов в широком диапазоне режимов резания. Для исследования были выбраны более распространенные ил них ВК6 и TI5K6, которые рекомендуются для чистовой и получисловой обработки.

Исследования проводились на токарно-винторезном станке, шпиндель которого разгружен от изгибающих усилий ременной передачи и имеет переднюй шейку, смонтированную в бронзовом подшипнике скольжения. Такая конструкция повышает виброустойчивость станка.

Эксперименты выполнялись в условиях свободного прямоугольного резания. Резцг с сечением держанки 16x25 мм имели задний угол 10°. Заточка осуществлялась алмазным кругом с обеспечением шероховатости передней и задней поверхностей не более Ra. =0,5мм. Точение осуществлялось в диапазоне скоростей резания U" =50... 200 м/мин, подачи s = О,ОЗ...0,12 ми/об, переднего угла у = = - 10...+IE0. Износ инструмента определялся по максимальной ширине изнопснной площадки на задней поверхности. Для измерения сил резания был использован универсальный динамометр СУРП-600.

В> третьей главе приведены результаты исследования стружкообразования при точении порошковых материалов резцами ВК6, TI5K6.

В ходе экспериментов установлено, что в условиях свободного точения материалов в основном образуется сливная стружка. При точении материала ЕГр1,ЭД2,5К0,В стружка в основном состоит из отдельных витков. С повышением подачи диаметр витков уменьшается, а при скорости резания более 160 ы/мин стружка переходит в элементную, при этом элементы отличавтся друг от друга по толщине.

При точении К1'р2 в диапазоне"скоростей резания V = 100... 200 м/мш при толщине среза свыие 0,08. tai образуется стружка надлома. При более низких скоростях резания ( = 50 м/мин) стружка излома может сформироваться также при более низких величинах толщины среза, особенно когда передний угол отрицателен или близок к нулю. При резании более пластичного порошкового материала ЖГр1ДЗ образование стружки надлома наблюдается преимущественно в зоне малых передних углов и толщине среза свыше О,08 мм, а при толщине среза евмае 0,10 мм и V ~ 5Ü м/мин воз-

можно появление разрушений на обработанной поверхности.

Элементы сливной стружки позволяет получить информацию о различных параметрах сгружкообразояания: коэффициенте утолщения стружки ко., угле сдвига (3 , относительном сдвиге £ , среднем коэффициенте трения на передней поверхности резца Л , длине контакта стружки с резцом Сл .

Эксперименты по исследованию этих параметров стружкообра-эования проводились по полнот/у факторному плану. Построена математическая модель зоны стружкообразовяния п диапазоне скоростей резания 1/ 50...200 м/мин, подячи Б = 0,03. ..0,12 га/об и переднего угла ^ ~ -10...+10°. Для расчета коэффициентов уравнения регрессии была разработана специальная программа, использованная на ЭВМ СМ1420.

Анализ коэффициентов уравнения регрессии показал, что характер влияния условий резания на параметры стружкосбразованнп несколько отличается от общеизвестных. 3 частности, на эти параметры при точении хТрГДЗ не влияет скорость резания, а при точении 1Ш10-63 - передний угол. Изменение состава и свойств материалов влияет на интенсивность пах прямого, так и совместного действия переднего угла, подачи и скорости-резания, хотя в целом последнее невелико. Различия п интенсивности влияния подачи, переднего угла и скорости резания на параметры струхкообра-зоваяия объяснимы действием углерода, меди и серы, как антифрикционных присадок при одновременном изменении микроструктуры обрабатываемого материала.

В четвертой главе приведены результаты исследования сил при обработке поролковюс материалов резцами из сплавов ВК6, Т15К6 и установлен характер зависимости сил резания от различных факторов процесса резачия.

Обработка экспериментальных данных методами регрессионного анализа позволила определить зависимости для расчета сил резания при точении деталей из порошковых материалов (здесь и далее рассматриваются силы резания, действующие на I мм длины режущей кромки).

Определялась главная сила резания Рг и сила, действующая в основной.плоскости Р^ :

где & - 90° - -jf - угол резания; у - передний угол; - коэффициент, учитывающий величину износа резца.

Влияние подачи на силы резания соответствует общеизвестным зависимостям. По мере роста скорости применительно к конкретной паре инструментальный-обрабатываемый материал силы могут либо увеличиваться, либо снижаться, что также соответствует известным данным. Увеличение переднего угла приводит к уменьшении всех составляющих сил резания. Силы резания растут с повышением прочностных характеристик исследованных материалов. Применение сплава TI5K6 снижает уровень сил в 1,2-1,5 рапа по сравнению со сплавом ВК6.

Для определения нормальных N и касательных f контактных нагрузок использовалась методика, основанная на анализе закономерностей изменения Рг при изменении условий резания. С этой целью строилась диаграмма /дг = ^ ( P¿ ) для различных сочетаний подачи и износа резца.

. Для расчета N , F была разработана специальная программа, использованная на Э5М CMI42Ü. Установлено, что при увеличении переднего угла нормальные силы на задней поверхности уменьшаются. При увеличении скорости резания нормальные силы на передней и задней поверхностях слабо уменьшаются или увеличиваются в зависимости от других условий резания. Увеличение подачи приводит к росту сил трения на передней и задней поверхностях (рис.1).

При увеличении переднего угла ли ли трения на задней поверхности уменьшаются, а на передней поверхности могут либо уменьшаться (при обработке материала НГр2), либо увеличиваться. Очевидно это связано со сложным влиянием, которое оказывают физико-механические свойства обрабатываемого материала, режим резания и геометрия режущего клина на закономерности, действующие d плоскости сдвига (рис.2).

Влияние условий резания на нормальные и касательные напряжения в плоскости сдвига невелико.

В пятой глав о приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований тепловых явлений при точении порошковых материалов. Расчеты, выполненные с использованием

а)

Д/мм гоо

Рп

-100

1— ^ « 0,4 мм 5 = 408 мм/ог ^м00м/мин

—— 1

Й

А

- гоо

«/ 'ММ

-Ю0

Рп

О

__. ■—<:

а

——

-/о

гоо

<00

гоо

/мм

■100

Гц

(ъ=0,4 мм 1 °° |

< _. / __ г у "

А

/ / /

-- --О. IX---

1 5

—---

500 У

'Ми

гоо 'Рп <00

о 200

ОИ мм V ? 450 М Длин

3 1 а

—.—

7

/ми

<00 Рп

Ъ

О

. А

^^ - — А

_|---—г-Г ' ]

-- 1 1 1 - *>

г-

ГрАа -НО 50 400 ^"/мин 200 °>05 °'08 М ММ/оВ"

V-5-

РисЛ- Зависимость сил тре.чкя ка передне!: в задней позерхностях Гп , Г^. от условий резания: а - тверды;.' сплав БХ6; б - тверды" сплав Т15К6; Рп - сшгозная линия; £, -прерывистая линяя; I - ЕГрЗ^; 2 - :£Гр2; 3 - ЛПО-53; 4 - ЕГр! ,2Л2,5К0,8

о

О-)

500

1 Ын

/к

Зоо

Ып

400 О

X о \ з Г N ^-о.оемы/оУ 1М00М/мИН

500 Ущл

500 <п

400

¡1^= 0,-1 Мм О.ОЙЙ !г=ое * 5 /

—Та- 4 1—и-

—- —

/5

1 1 **-— —^ _"

--Г-«к 1

10

100 45ом)миц200 Ц01 v->

0,08 О/^ММ/о^О,«

8-->

РИС. Л.

Зависимости нормальных сил на передней и задней поверхностях Ып , А/^ от резания: а - твердый сплав ВК6; О - твердый сплав Т15К6; Ып - сплошная л]

условий линия;

Ыу прерывистая линия; I - ЕГр1ДЗ; 2 - £Гр2; 3 - ПЕГ0-63; 4 - ВДЯ ,2Д2,5К0,8

методики А.Н.Резникова, позволили установить характер теплообмена при точении порошковых материалов, близкий к известному для труднообрабатываемых материалов.

Основными объектами изучения тепловых явлений являются количество выделяемой при резании теплоты и ее распределение между стружкой, деталью и инструментом; температура, устанавливающаяся на контактных поверхностях инструмента; температурные поля в зоне деформации и в режущем клине инструмента.

Перспективным в этом плане оказывается мотод конечных элементов (ШЭ), который позволяет легко смоделировать сложные тела произвольной формы, учесть зависимость свойств материала от температуры и нелинейность граничных условий.

В результате обработки результатов МНЭ - расчетов для случая свободного точения поропковых материалов резцами из сплавов ВК6, Т15К6 были получены зависимости для определения температуры деформации: р $С"'е4' у^'^ё

максимальной температур« на переднее1, поверхности резца

максимальной температуры на задней поверхности резца

максимальной температуры в поверхностном слое детали

где Э - подача, мм/об; V - скорость резания, м/мин; & = 90°- у - угол резания; - передний угол резца; величина износа резца, мм; И - глубина расположенной точки в поверхностном слое детали; Ъ - время врздействия высокой температуры на поверхностный слой детали; , СЪрсф • - коэф-

фициенты уравнения регрессии, приведенные в тексте диссертации.

Режимы резания, геометрические параметры инструмента, механические свойства обрабатываемого материала и другие факторы, определяющие интенсивность изнашивания инструмента, тесно связаны с температурой резания. Увеличение переднего угла приводит к уменьшению длины контакта стружки с передней поверхностью и это вызывает снижение трения и соответственно температуры в поверхностном слое заготовки и на передней поверхности инструмента.

Повышение температуры на передней поверхности резца при то-

чении антифрикционных порошковых материалов происходит по такому же закону, что и при обработке стали и чугуна. Увеличение подачи на температуру влияет в меньшей степени, чем изменение скорости резания. Это объясняется тем, что с увеличением подачи происходит некоторое возрастание площади контакта стружки с передней поверхностью резца, что влияет на условия теплообмена.

Температура в поверхностном слое детали с увеличением скорости резания возрастает; увеличение переднего угла резца приводит к уменьяению температуры; увеличение подачи ведет к ее возрастании.

Независимо от конкретных значений температур в тепловом поле резца можно за; тить три характерные области (рис.3). Первая принадлежит участку с наибольшей температурой. Здесь изотермы расположены почти хонцентрично по отношению к центру нагрева. Изотермы очерчивают своеобразное ядро, в котором слои инструмента получают интенсивный нагрев. С переходом к более высоким скоростям резания, малотеплопроводным обрабатываемым материалам и отрицательным передним углам температура в этой зоне резко возрастает.

Вторая область нагрева расположена у вершины режущего клина. Заготовка, имеющая в своей массе и в подповерхностных слоях значительно более низку» температуру, чем температура остальных участков зоны резания, служит охладителем для инструмента, так как часть теплоты от передней поверхности резца через теплопроводный металл последнего отводится в обрабатываемую деталь. Охлаждающее воздействие детали на резец и наличие упоминавшегося выше ядра с высокой температурой приводят к тому, что наиболее нагретый участок на задней поверхности инструмента оказывается расположенным на некотором удалении от места контакта резца с деталью.

Третья область в температурном поле резца относится к той части его, которая удалена от режущей кромки на расстояние (1,5-2) £„ и далее. Здесь изотермы по своему виду близки к дугам окружностей с центром, расположенным на кромке инструмента.

В отличие от режущего клина поверхностные слои заготовки подвергаются нагреву в условиях нестационарной теплопроводности (рис.4). Наибольшие температуры возникают в яоне контакта зад- •

7 - 600 °С; = 200 фти-, S = ОД2 тл/об: / = -10 °С;

обрабатываемый материал КГр1ДЗ; твердый сплав ВК6

= 200 н/шн; S = 0,12 мзд/об; ^ = 0,04 мм; $ = -ID °С; обрабатываемый материал ЮКЕО-63; инструментальный материал -твердый сплав TI5K6

ней поверхности инструмента с поверхность» резания, а далее, вдоль поверхности и внутри детали, температура снижается. Вблизи поверхности сдвига элементарный объем металла подвергается гавномерному воздействию части г-плоты деформации, которая уходит в заготовку. Степень и глубина распространения повышенных температур зависит от режимов обработки, свойств обрабатываемого и инструментального материалов, а также от геометрии режущего инструмента.

В шестой главе изложены результаты исследований формирования поверхностного слоя деталей из спеченных по-рс-ковых "атериалов.

Для решения задачи оптимизации свойств поверхностного слоя деталей необходимо знать закономерности формирования напряжений в ::ем. Он'.: определяются нагрузками, действующими на плоскости сдвиге и площадку контакта задней поверхности резца с заготовкой, а -акже линейным расширением обрабатываемого материала под действием выс~чих температур в зоне резания. В данной работе исследования напряженного состояния поверхностного слоя выполнены по кьгоду конечных элементов с использованием ЭВМ ЕС1035.

В ходе расчетов были получены значения и построены изолинии напряжений в поверхностном слое детали.

Изол! т напряжений дают важную информацию о характере напряженного состояния в поверхностном слое. По ним можно судить о расположен..и зон сжатия и растяжения, участков, на которых напряжения имеют наибольшие значения и, следовательно, наиболее вероятно возникновение трещин.

Напряжения, вызванные силовыми нагрузками, в 2,5 раза выше, чем напряжения, образовашиеся под действием температур. Следовательно, влияние сил на напряжения в поверхностном слое деталей можно считать определяющим. ■

На рис.5 м б показаны изолинии растягивающих С? тах» сжимающих <3-тт и касательных 'Г напряжений. Видно, что картины распределения напряжений овпадают. Во всех случаях области сжатия находятся под плоскостью сдвига, а области растяжения - под п. ощадкой кож кта задней поверхности резца с заготовкой, что соответствует общеизвестным представлениям о распределении напряжений в поверхностном слое деталей.

а

б

Рис. 5 . Изолинии напряжений в поверхностном олое дет та (ИГр2 -ВК6, &= 0,12 мм/об; /= -10°; лГ = 200 ч/мин; = 0,4 мм): а - изоляции (эмлх » б - изоляции

На рис. 7 показаны изолинии плотности обрабатываемого материала. Закрытые поры, расположенные внутри детали, служат барьером для распространения трецин. Поэтому важно знать, как распределяется плотность метачла в поверхностном слое. Установлено, что под плоскостью сдвига происходит уплотнение металла, а под контактной площадкой на задней поверхности - разрыхление (рис.7). Область разрыхления не выходит на поверхность детали и поэтому оказывает положительное воздействием на ее качество.

Для снижения величин растягивающих напряжений деталь можно подвергнуть поверхностному пластическому деформированию ШПД).

Показано, что при неблагоприятных условиях работы на поверхности детали могут появиться микротрещины и прижоги, ухудшающие микрорельеф поверхностного слоя детали.

После обработки результатов эксперимента методом линейного регрессионного анализа были получены уравнения регрессии для

расчета напряжений и плотности в поверхностном слое деталей: = ;

С^г» =

где в - подача, ми/об; Ь ~ 90° - - угол резания; £ - передний угол; 1/- скорость резания, м/мин; - износ резца,

С<5ъ& С С. С Р .....о(?4 - коэффициен-

та уравнений регрессии, приведенные в диссертации.

По мере увеличения подачи напряжения (51 незначительно

возрастают, что соответствует общеизвестным понятиям и объясняется ростом сил резания из-за увеличения толщины срезаемого слоя. Напряжения (¿^увеличиваются при сочетаниях обрабатываемого и инструментального материалов Ш1р1ДЗ-Т15К6; ЕГрг-ВКб; КРр1,2Д2, 5К0.8-Т15К6; ПЕЮ-63-ВКб; Ш0-63-Т15К6.

С увеличением переднего угла лишь при сочетании ЖГр2-Т15К6 на^-юдается небольшое увеличение £>„•,„ , в остальных случаях напряжения значительно уменьшаются, что соответствует общеизвестным представлениям о том, что с увеличением переднего угла -силы егдтия и сдвига, действующие на плоскости сдвига, уменъ-

(условия обработки как на рис.6.4). Номинальная плотность 85 %

шаюгся.

Скорость резания на напряжения в поверхностном слое деталей окапывает сравнительно слабое влияние, при этом, в зависимости от сочетания "Обрабатываемый-инс: рументальный материал", возможна более или менее монотонное возрастание или понижение напряжений .

С увеличение .! износа по задней поверхности резца (ЗГт<м.незначительно увеличиваются при сочетаниях обрабатываемого и инструментального материалов: ЖГрЩ-ВКб; КГр1ДЗ-Т15Кб; ЖГр2-Т15К6; Ш10-63-Т15Н6, в остальных случаях они уменьшаются.

Напряжения (5т'п значительно уменьшаются с увеличением износа »:ри со ганиях обрабатываемого и инструментального материалов: КГр2-ВК6; &Гр2-Т15К6; ЙГр1ДЗ-Т15Кб, а увеличиваются для 1Ш0-63-Т15К6. Эти напряжения практически не изменяются для ГШ0-63-ВК6; КГрхДЗ-ВКб; Ы>1,2Д2,5К0,8-ВКб.

На плотность металла в поверхностном слое деталей из порошковых материалов подача оказывает очень слабое влияние. Передний угол значительно влияет на плотность - с его увеличением ШЮТЛ0СТ1 уменьшается, обратное явление наблюдается только при сочетании ЖГр2-Т15К6, а при сочетании йРр2-ВК6 передний угол . рак"ически не влияет на плотность обрабатываемого материала.

Скорость резания на плотность влияет незначительно, с ее увеличением плотность несколько уменьшается, исключением являются лишь сочетания ГЩ0-63-ВК6 и КГр2~Т15К6.

С увеличением износа по задней поверхности инструмента плотность значительно увеличивается.

Указанные закономерности изменения плотности вероятно связаны со сложным одновременным взаимодействием температурно-ско-ростного фактора, определяющего напряженное состояние поверхностного слоя, и состава и .,рочностных характеристик обрабатываемого материала.

В седьмой главе произведена оптимизация процесса резания поролковых материалов твердосплавными резцами ВК6, Т15К6 и приведены результаты исследования оптимальных режимов резания.

Оптимизация режима резания выполнена по методу линейного программирования, на основе которого была построена область до-' пустимых режимов резания.

Влияние технических ограничений на режимы резания выража-

ется в виде нераяенстп, представляющих зависимость рассматриваемой величины от элементов режима резания Пив. Глубину резания, как правило, принимают постоянной, так как работа ведется в один проход. Технические ограничения, которые учитываются при оптимизации режима резания, во многом зависят от особенностей обработки.

После решения задачи на ЭВМ были найдены оптимальные пс а-ча и частота вращения шпинделя для различных условий обработки и сочетаний обрабатываемого и инструментального материалов.

Установлены изменения оптимальной подачи и частоты вращения станка П»пт для различных условий обработки и сочетаний обрабатываемого и инструментального материалов в зависимости от шероховатости Ra. и износа резца .

Износ резца на задней поверхности инструмента влияет на оптимальные подачи и частоты вращения ппинделя через изменения силового фактора, повышение продолжительности пластического деформирования каждого участка обработанной поверхности, ..змененио температуры о зоне контакта и большого количества других взаимосвязанных между собой факторов.

Изменение шероховатости обработанной поверхности связано с пластической деформацией в поверхностных слоях детали. При точении на оптимальной скорости резания поверхностные слои пластически деформируются в меньшей степени и на меньшую глубину по сравнению с обработкой на других скоростях резания.

ОНЦИЕ ВЫВОДЫ

1. В результате теоретических и экспериментальных исследований установлены основные закономерности процесса резания порошковых антифрикционных материалов твердосплавными резцами, на основе которых разработаны рекомендации по набору оптимальных условий резания.

2. Установлены особенности струлкообразояачия пги точении порошковых материалов и определен характер влияния режима резания и геометрии режущего инетттумента на коэффициент утолцения стружки, угол сдвига, относительный сдвиг, коэффициент трения

и длину контакта стружки с передней поверхностью резца.

3. Установлено, что увеличение переднего угла от - 10 до +10° принтит к уменьшению коэффициента утолщения стружки, от носительного сдвига, коэффициента трения и длины контакта стружи с резцом до 2,3 ¡>аэа и к увеличению угла сдвига до 1,5 раза.

Увеличение скорости резания и подачи влияет на перечисленные параметры менее значительно.

4. При точении пороиковых антифрикционных материалов образуется преимущественно сливная стружка, а при отрицательных передних углах и толщинах срезг свыше 0,08 мм возможно появление стружю. надлома и даже разрушений на обработанной поверхности.

5. Г 'едние контактные нагрузки и напряжения в значительной степени зависят от режимов резания и геометрии резца. С увеличением подачи они возрастают, а при увеличении переднего угла снижаются. При возрастании скорости резания они могут либо увеличиваться, либо снижаться в зависимости от сочетания обрабатываемого и инструментального материалов.

Силы тр*. .ия на передней и задней поверхностях достигают 500 11/мм, а нормальные силы в 1,5-2 раза выше. Нормальные контактные напряжения на передней поверхности достигают 2000 МПа, а касательные напряжения 800 МПа, на задней поверхности они в 2-5 раз выше. Получены коэффициенты уравнения регрессии для расчетов сил резания, контактных нагрузок на передней и задней поверхностях резца.

6. Исследование тепловых процессов с помощью метода конечных элементов позволило определить интенсивность тепловых потоков при обработке г'рошковых материалов антифрикционного назна-чеь.ш, а такие уровень температуры и ее распределение на контактных площадках резца и в поверхностных слоях детали.

Интенсивность тегшог-х потоков на передней и задней поверхностях при возрастании скорости резания от 50 до 200 м/мин увеличивается от 1,1 до 3 раз, а с возрастанием подачи они уменьшаются до 1,5 рг а, однако для материала НГр2 они увеличиваются, вероятно, в связи с н. ичием в микроструктуре цементита.

7. Уровень температур на контактных площадках в значительней степени з^исит от режимов резания и свойств обрабатываемого материала - твердости, прочности, теплопроводности. С уве-лилегием скорости резания и по-ачи температура в режущем клине

возрастает, а при увеличении переднего угла снижается. Максимальные температуры на передней я задней поверхностях резца в 3...4 раза выше температуры деформации и могут при неблагоирияа-ных условиях резания достигать 1500°С и более. Ht. .¡ередней поверхности резца наибольшие температуры наблюдается в зоне хаотического контакта, а в зоне упругого контакта они значительно меньше. На поверхности детали максимальная температура зафиксирована на расстоянии примерно (0,2...0,4) £п от вершины резца.

8. При точении порошковых материалов твердосплавными резцами в поверхностном слое детали возникают остаточные напряжена, значительной величины, доходящие в отдельных случаях до 800 М'.д. Наиб--тылего уровня они достигают при отрицательных передних' углах, износах 0,3...О,4 мм и подачах свыше 0,10 мм/об. Неблагоприятные условия резания вызывают образование микрот, зщин и прижогов в поверхностных слоях деталей.

9. Скорость резания оказывает сравнительно слабое влиянк "на напряжения в поверхностном слое деталей, при этом, зависимости от сочетания "инсгрумент-обрабатываемый материал", возможно более или менее монотонное возрастание или понижение напряжений. Увеличение переднего угла вызывает уменьшение остаток мх напряжений, а увеличение подачи от 0,03 до 0,12 мм/об приводит

к увеличению остаточных напряжений в I,I-¿ раза.

10. На формирование поверхностного слоя существенное влияние оказывает скорость резания и передний угол резца, увеличение которых приводит к улучшению качества обработанной поверхности. При обработке с подачей больше 0,10 мм/об наблюдаются повреждения поверхностного слоя и ухудшение качества обработанной поверхности. При подачах до 0,05 мм/об и скоростей резания выше 150 м/мин и положительных передних углах обработанная поверхность порошкового материала становится однородной.

11. Разработана математическая модель оптимизации режима резания методом линейного программирования с учетом ограничений на свойства поверхностного слоя. После решения задачи на ЭВМ были найдены оптимальные подачи и частоты вращения и..индел!. станка, обеспечивающие наилучший вариант формирования поверхностного слоя детали без появления я нем прижогов и трещин, образования открытых пор и вырывания частиц поверхностного с^оя для

различных сочетаний инструмент-обрабатываемый материал.

12. Анализируя полученные закономерности процесса резания, можно рекомендовать подачи в пределах 0,10...О,12 мм/об при получистовой и 0,03...С,05 мм/о£ при чистовой обработке, причем их значения возрастают при переходе к материалам лучаей обрабатываемости (от ГЕЮ—63 к ЕГр1, 2Ц2, 5К0.8) и снижаются на 10—15% при достижении предельного износа резца. Скорость резания определяется преимущественно периодом стойкости резца и лежит в пределах 120...170 ы/мин, увеличиваясь в том хе направлении, что и подача.

Список

статей, опубликованных по теме диссертации

1 . Фельдитейн Е.Э. ,Диалло У., К у -ц о р В.Ы. Силы резания, контактные нагрузки и напряжения при точении антифрикционных порошковых материалов. - М.: Деп. по ЗНЯИТЭМР. - }?> 43 - Mii9I. - 00 с.

2. Силы резания при свободном точении антифрикционных порошковых материалов /Ящерицын П.И., Ф е л ь д ш -

т о й н Е.Э. , Д и а л л о У., К у ц е р В.М. //Весц1 АкадзмИ навук Бег pycl. Сер. Ф1з1ка-тэхн1чных навук. - Ни., 1992. - №2.-С. 34-38.

3. Аня "из тепловых полей инструмента и детали с помощью метода конечных элементов / Ящериц ын П.И., Ф е л ь д щ -

т е й н Е.Э., К у ц е р В.М. , Д и а л л о У., 111 а р а ф А.Х. /Дезисы докладов j& конференции "Теплофизика технологических процессов". - Рыбинск,- 1992. - С. 125-127.

4. Моделирование и исследование тепловых процессов технологической и станочной систем с использованием метода конечных элементов /Йщс р и ц.ы н П.И., Фельдштейн Е.э., Куцер В.М. .Диа'лло У.,Шараф А.Х. //Весц1 Акадэ-мП на рук Ееларус1. Г "Р. ф1з1ка-тэхн1чных навук. - Мн., 1993,-

№ I. - С. 76-82.