автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Закономерности процесса термофрикционной обработки резанием и повышение его производительности

Волгоградский ордена Трудового Красного Знамени политехнический институт

На правах рукописи

ЛНИНХШЦА Николай Иванович

УДК 621.9.022:621.914.02

ЗШНОЫЕРШСГИ ПРОЦЕССА ТЕИШРИКЦИОНЮЙ ОБРАЮТКИ РЁЗАНИЕЫ И ГОВШШШ ЕГО

лроизводатьльности

05.03.01 - "Процессы механической и физико-химической обработки, станки и инструмент"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических на/к

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА Р АЗОТЫ Актуальность^ Однии из актуальных вопросов а машиностроении является повышение производительности технологических процессов и разработка износостойкого режуаего инструмента.

Для повышения производительности при обработке труднооб ра5 ат и ва-ешх материалов применяется нагрев припуска срезаемого слоя в зоне резания с целью снижения его прочностных характеристик.

Новый прогрессивным методом,для пошшения производительности труда при обработке резанием является применение термофрикционной обработки. Особенно элективно применение процесса при черною!! обработке труднообрабатываемого материала, обработке ';по корке", с включэниями и наплавке. Обработка ведется ре-яудац диском (РД), который за счет сил трения размягчает металл в зоне резания, и производят снятие припуска.

Высокая износостойкость реяущзго диска позволяет исшльяозать его на станках с ЧПУ в в автоматизированном производстве. Относительно низкая теплопроводность коррозионностойких сталей способствует применению термо^рикционноЯ обработки, а конструкция инструмента - РД пээшллет экономить дорогостоящие инструментальные материала. Для погашения производительности процесса термофрияционной обработки в работ? исследовались закономерности процесса и вопроси оптимизации конструкции режущего инструмента.

Работа выполнялась в соответствии с планами научно-исследова-гельсккх работ Луганского автосборочного завода. Краснореченского станкостроительного завода и Луганского машиностроительного института.

Рель работы. Теоретико-экспериментальное исследование закономерностей процесса термофркктмнной обработки резанием и повышение его производительности»

Научная новизна. Впервые предложена и обоснована новая схема обработки - установка РД, под углом к плоскости обработки. Это позволяет повысить стойкость инструмента, уменьшить силы- резания и нагрев обработанной поверхности. На основании комплексных исследований доказано, что в зоне струткообразования образуется температура &00..1200°С. Яри термофрикционноЯ обработке сталей образуется два вида стружки: мелкая и крупная сливные; при обработке чугуна ~ стружка надлона. Изучены кинематические передние я задние углы РД. Это поэзолило сделать швод, что угол установки ?Д к плоскости обработки должен составлять менее 3°. Процесс стручкэобразоваяия происходит за счет пластического деформирования разогретого металла с углем сдвига около 45°; определены начальные и конечное границы. При лгов°декии исследований изучены условия работы инструмента, определена силовые зависимости. Зачари сил показали, что они на 10.Л5' меньше, чем при существовавшей схеме обработки:

установлены температурные зависимости и влияние положения оси РД на точность ¿зрмя обработанной поверхности; исследовало качество обработанной пс р« г, < ноет к детали; оптимизирован процесс резания; предложены цуги дальнейшего развития териофоикционной обработки — управление качеством поверхности и с го со 5 разрезки заготовок С применением электрического тока, »¡а что получено положительное реяение о задаче патента.

Практическая ценность. Выполненные теоретические и экспериментальные исследования позволили дать предложения по применению термо-фрикцконного метода в прокьшенности. Даны рекомендации по установке РД под углом, что повышает эффективность термо^рикционной обработки и унэньиает расход электроэнергии.

Реализация-результатов работы в пуомллеююатк. Полученное результаты исследований и предложенные технические решения использованы в виде типовой технологии, оборудования, оснастки и инструмента и внедрены на Луганском автосборочном заводе я Красиореченском станкостроительном заводах. Внедрение термо^рикционной обработки на заводах подтвердило результата вуполненнше исследований, и их экономическую эффективность. Экономический эДект от внедрения на Луганском автосборочное заводе составил 52000 руб.

По результатам выполненных исследований разработан специализированный станок, которой удостоен диплома молодых ученых -Украиш, диплома ЙДНХ УССР, диплома П степени йаНХ СССР. Б Т9Б8 году станок окспоци-; ровался на весенней ярмарке э Лейпциге.

Апробация тботы. Материалы диссертационной работы докладывались:

- ил республиканской конференции "Автоматизация технологической подготовки производства в машиностроении и приборостроении", Ворошиловград, 1982 г.;

- на йсрсоюзкой научно-технической конференции "Обработка труднообрабатываемых материалов", Запорожье, 1969 г.;

- на научш-техннчеекмх конференциях пиофессорско-преподавательского состава Луганского машиностроительного института в 1285-1991 г.г.

Пубдитшжи. По теме диссертации опубликовано 13 работ, получено положительное решение на вода чу патента (заявка на получение патента № чЗОйС64/27/009609 от 31.01.91 г.).

Структура .и обьрм габоты. Диаеер^агшт состоит из введения, шест и глав я общих выводов: «одгргит0-ЙО страж«» «ащинописнаго текста,. $? иллюстрация, 10 таблиц, ипгсск лит?ргг\уты я" 1£Ь наименований и приложении.

¡(ауччус- консультант' пп;-, иголнегт ра.1оты осуществлял

-м'^пр с.!!.

КРАТЮЕ СОДЕРЖАНИЕ РАВОТН Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной ра оты. Показано, что для повышения производительности труда, качества родукции и снижения себестоимости обработки в машиностроении необхо-,имы новые прогрессивные методы обработки, ренуаде инструменты и техно-огические процессы механической обработки.

Глава I. Состояние вопроса и определение задач исследований. Приедены результаты обзора литературы, дается обзор и анализ работ, свя-¡анных с исследованием процесса резания металлов. Вопросы теории обра-атываемости материалов с исследованием факторов, повышающих производи ельность процесса^резания, освещены в работах ¡З.Ф.Боброва, Г.И.Грано в-ного, Д.Г.Евсеева, Н.Н.Зорева, В.А.Кравченко, ¡З.А.Чудинава, ¿.Д.Кузн -юва, Т.Н.Лоладзе, Д.А.Макарова, З.А.Остафьева, ¿.Ь.Подураева, Портика, А.Н.Резникова, А.Ц.Розеиберга, А.Н.Сальникова, С.С.Силина, 1.^.Талантова и др. В работах изучены особенности процесса резания ма-'ериалов, вопросы износа и стойкости инструмента, влияние предвари-'ельного нагрева срезаемого слоя на обрабатываемость.

Предложен и экспериментально-теоретически исследован метод терло фикционной обработки плоскостей РД. Нагрев зоны производится силами ■рения. Иетод термофрикнионной обработки целесообразно применять при герновой обработке для снятия припусков с включениями и "по корке".

Для установления закономерностей процесса термофрикнионной обра-1отки металлов и повышения его эффективности потребовалось решение ¡ледующих задач:

• Изучить физические особенности процесса термофрикнионной обработки И процесса деформирования срезаемого слоя металла.

■ Исследовать влияние конструкции и установки РД на процесс резания.

■ Изучить кинематические углы РД.

■Предложить схецу резания обработки плоскостей РД. : Предложить расчет сил при обработке РД и сравнить с полученными экспериментально.

- Изучить процесс струхкообразования при обработке сталей и чугуна.

■ Определить силовые и температурные зависимости.

■ Изучить влияние положения оси РД на точность формы поверхности.

- Исследовать качество обработанных поверхностей деталей.

- Оптимизировать процесс резания.

• Дать рекомендации по вне,,рен..л теркофрикмонной обработки плоскостей.

- Предложить пути дальнейшего развития термофрикнионной обработки.

Глава 2. ^ыбор исходных данных и методика.проведения эксперимен-гальнмх исследований. Сущность пронесся термофрикнионной обработки заключается в следующем: на шпинделе вертикально-фрезерного станка

с .

устанавливается инструмент - РД, которое сообщается вращательное движение )/д . Заготовка детали крепится на столе станга и получает продольное перемещение V^ .

Термофрикционная обработка резанием находит применение благо дар! следующим преимуществам:

- допускает снятие больших припусков.при черновой обработке; ,

- конструкция ГД позволяет применять конструкционные стали вместо дорогостоящих инструментальных материалов;

- простота геометрии инструмента и его изготовления;

- снятие припуска производится в нагретом состоянии;

- нагрев заготовки осуществляется одним из простейших способов - трением - самим РД;

- нагретый металл заплавляет трещины и раковины, которые возникают пр» получении заготовок; .

- простота заточки инструмента непосредственно на станке.

Б качестве объектов исследований для обработки РД были выбраны следующие материалы: сталь 45, Э5Х18, труднообрабатываемый сплав ЭД617 Ч^гун СЧЭО. Оштц проводились на станке ÔMI3RB. Для сопоставдяемости результатов исследований применялась единая геометрия и материал РД. Передний угол 5...10°, задний угол 5...9°, радиус округления режущей кромки диска 0,1 мм, диаметр 500 мм, толщина 40 мм, материал РД сталь 50. Подача заготовки Ш-5СЮ ыцЛшн, глубина резания 2,5^4 мм, скорость вращения РД - 45-50 м/с. Измерение шероховатости обработанной поверхности приводилось на профилографе-лрофилометре мод.201 тип ПГ-5. Информацию о контактных процессах получали с помощью срешально-го приспособления, содержащего механизм.мгновенной остановки процесса, а также исследовалась при резцовая сторона стружки, поверхность резания, обработанная поверхность. Исследования микрошлифов корней стружек и следов контактного взаимодействия производили с помощью оптичесхого микроскопа 1Ш-8. Измерение мнкротвердости осуществлялось на приборе ШТ-3. Теоретический расчет параметров процесса резания проводился на ЭВМ и сравнивался с результатами, полученными экспериментально.

Глава 3. Механика резания ре жулим диском. При термофрикоиенной обработке металлов передняя поверхность инструмента перемещается относительно обрабатываемой поверхности со скоростью более 45 м/с. В условиях высокоскоростного трения наблюдаете? повышение температуры до 900_1200°С. физические процессы в зоне кода-акта происходят по следующей' схеме, В первые мгновения при подводе заготовки к унет] менту контакт будет упругим затем по мере перемещения заготовки и увеличения площади контакта передней поверхности инструмента и поверхности заготовки произойдет быстрое повышение температуры в гон« контакта

л в поверхностных слоях заготовки начинается пластического течение; контакт перейде. в пластической состояние.

Условия осуществления."пронесся, гермофрикционного резания отличны эт обычного резания. d связи с этим определенный интерес представляло исследование пропасся-превращений срезаемого слоя в стружку.

Симметричное резание диском (рис.1) относится к схеме косоугольного резания ротационной радиусной режущей кромкой. Операция резания геометрически сложна и поэтом}' решалась в два. этапа:, сначала рассмотрен более простой случай ортогонального резания с одной плоскостью сдвига, а затем расяирена'теория. применительно к обрг^отке РД, 3 работе излагается теория ели иного струккообразования при отсуствин зоны застоя впереди РД, как наиболее простая и имеющая широкое применение.

Скорость схода .стружки Vc и.скорость перемещения заготовки Vj находятся в плоскостях, параллельных плоскости симметрии как диска так и заготовки. Деформация происходит по двум плоскостям сдвига АМД'Д и АСС'Н1, проходящим через реющую кромку справа и слева от оси симметрии. Сита действуют как при прямоугольном резании, за исключением того, что сила сдвига и направление силы трения будут определяться условиями деформации В соответствии с- рис.2.

Из рис.2 равнодействующая сила

Л=Лк/соф, + 2п Тек -Ac/ccs(fi, +2п 4if*) ш

Нормальная сила

/Ул °Я-со<>2„:£ск-Ай -CDbfy)co$(jb, <2)

Сила трения между стружкой и передней поверхностью РД

где Тек -' скялкзавзев напряжение на условной плоскости-сдвига;

Ас - площадь плоскости сдвига; tgn ~ угол трения на передней поверхности; fit - угол сдвига в плоскости вектора скорости резания; ¡fa- передний угол в плоскости вектора скорзети^реэания. Площадь плоскости сдвига Ас = О- • о /Suifef . Скалывающее напряжение на условной плоскости сдвига

Zck* 0,555 ЬПА (4)

где ¿>ЛА- предел прочности обрабатываемого мвтяриала по поверхности сдвига.

Исходя из условия равновесия равнодействующих сил, приложенных к стружке, можно определить горизонтальную Pg сил}', преодолевассую сопротивление срезаемого слоя разрушению, и вертикальную составлявзогс/^

силы резания „ . /- и i

ft• <5'

Для определения нормальных и касательных напряжений, углов трений и сдивга, а также сил Л^а/упри обработке режущим диском, использовалась модель деформашш с одной плоскостью сдвига' для процесса свободного резания, предложенная Аранлоном М.А.

Аналитическое описание процесса резания, позволяющее определять количественные значения деформаций, напрякениЯ и температура в каждой точке зоны резания, дает возможность составить четкое представление о законах пластического деформирования металлов, о характере распределения напряжений, об остаточных напряжениях в о5ра5отанном слое и позволяет Зпее точно оценить влияние различных факторов На процесс резания.

В процессе резания в срезаемом слое имеет место конечная реформация.

Интенсивность напряженного состояния_

61 -- тг V (6, -б^ЧсЬг -6^ (6, -ъ,)1' , (?)

Интенсивность деформации __

61 = # ^ (£,-€*?+, (В) где &1>&Л,В3 - главные линейные деформации.

Связь гласных напряжений с главными деформациями выражается равенствами:

Гдросгатическое давление

р- _ (10)

•

При известном угле сдвига ,

йид напряженного состояния определяется т?кже параметром Лоде

О, г А** -(о> -(6± (12)

ы <Й/ -¿>4

которой связан с углом сдвига

из)

Нормальное напряжение (^^ б любой точке контакта мот но определить П,пт> .' » ' *

где ои - интенсивность напряженного сосгорниягнаходитс.ч по интенсивности дефорыапии £ ¿д ; ' - Угол трения

Нормальная сила А/ц и сила трения на передней поверхности РД рассчитываются:

//» = V» , «'')

где Яг- площадь пластического контакта струкки с РД; Уэ - объем эпюры нормальных напряжений, построенной на конггктной плоскости. Средний угол трения может быть определен из соотношений:

Гп^ОЛЧ-Гп^С+С^-ё , (20)

где С - длина пластического контакта на передней поверхности РД; С& - длина общего упруго-пластического контакта; ё - ширина резания. На задней поверхности РД изменяется гидростатическое давление, т.к. ¿ь» 0. О , „I

р =1-66.5^^-30°;» (21)

остальные главные напряжения:

6/ -- (22)

Нормальное .¿><ри касательное ^ напряжения на задней поверхности 6<? (24)

(25)

Нормальная сила Аз и сила трения на задней поверхности определяются:

* (26)

(27)

где - вэличина износа по задней поверхности; & - гсирина резания.

Предлагаемый метод расчета сил резания основан на решении основных уравнений теории пластичности с использованиям экспериментальных данных. Для расчета необходимо также знать механические сгоГства обрабатываемого материала, нагретого до температуры" поверхности с.двига. Силы резания, полученные расчетным путем, отличается от измеренных экспериментально на 10...15^. Это является подтверждением правильности

теоретических предпосылок и предложенного метода расчета для анализа напряженда-д'формировашюго состояния материала в зоне резания, определения силы резания.

Учитывая существенное влияние на процесс резания конструкции РД и его расположение относительно заготовки, нами Исследована механика промесса резания для повышения стойкостиРД при обработке стали с одновременным обеспечением требуемой шероховатости обработанной поверхности.

Чтобы резание производилось ограниченным участков сплоаного кругового лезвия, ось РД наклонена к обработанной поверхности под углом

Ц>' = 30° - /Ьу • При такой установке диск касается обработанной поверхности в точке К , движущейся, со скоростью . Вектор движения заготовки ь сумме с вектором'скорости вр&г.ения диска даот нам вектор скорости резания..

При такой установке круговая реющая кромка проектируется на вертикелънуп плоскость в виде эллипса, лркчем .рабочий участок ревущей кромки лежит в зоне, прилегающей к его налой оси. Таким образом,фактит ческий радлус активной части лезвия диска будет намного больше"размера диска в статике, ото увеличивает период стойкости РД.

Передний и задний кинематические углы изменяются в зависимости от угла наклона оси РД «Су :

Гк^есС* (28)

сСк •= «¿С (29}

Угол ¿уУ , кроме того, определяет высоту микронеровностей, величину придуска на обработку. От величины оСу зависит интенсивность роста радиуса округления лезвия РД.

Так как шероховатость обработанной поверхности в значительной степени з&вксит от угла установки ос^РД , его определяют через максимально допустимую селичиду лерсховагссти.

Величина иикронеровксстей при обработке диском

является функцией диаметра диска 3)д , ширины обработки £> и угловоС^Д.

Передний угол ¿Г и задний угол: сС влияют на стойкость РД и процесс струякоо5разоьания, не оказывая прямого (геометрического) влияния на шероховатость обработанной поверхности.

Прсаесс обработки РД, основан на сочетании двух одновременно действующих равномерных движений - вращательного и поступательного, которые определяют возможные кинематические схемы резания.

Угол |р определяется для каждой точки лезвия ГД в текущей плоскости схода еттужки между передней поверхностью лезвия и кинематической основной плоскостью.

Угол с£/> определяется в рабочей плоскости ирид/ задней поверхностью лезвия и направлением скорости результирующего движения резания в рассматриваемой точке рячуз;ей кромки.

Исследования™ установлено, что производительность и качество обработанной диском поверхности зависит от диаметра диска , шир'нн обработки £> , переднего и эе.днего рабочих кинематических углов ¡1/3, <?(,/>, а также углов установки «тСу

По мере увеличения' диаметра РД увеличивается его стойкость и понижается игрпховптость' обработанной поверхности, уменьшается •гаг'*? длина контакта диска с заготовкой.

Уменьшение длины контакта ведет ч снитеии» вибрапиЯ з лроиессе резания.

Передний угол $ влияет на стойкость РД, геличину упруго-пластических деформация и работу сил трение т передней поверхности. С увеличением угла / уменьшается угол заострения, масса лезвия я, в результате, стойкость РД. С другой сторона, ото приводит я снижению теплообразования в зоне стружкообразовання. Кроме того, передний угол^р в процессе резания .будет менъзе угла ¿с на величин 2...30. Поэтому угол ¿с Лол жен быть равен +5,,.+10°. В этих пределах передний угол кз может существенно влиять на стойкость диска и шероховатость обработанной поверхности.

Угол задней конической поверхности «4 существенно влияет на интенсивность износа диска пр задней поверхности, влияет ка величину шероховатости, обработанной поверхности, влияет такзкэ на величину активной части режущей кромки.. Увеличение заднего угла яолоу.итег.ыгс влияет на работоспособность диска. С учетом того, что задний угол оСр е процессе резания будет увеличиваться на величину 2.. ,3°, угол оСс можно принять равным 5...9°.

В результате проведенных исследований установлена возможность увеличения стабильной стойкости РД при обработке стальных заготовок за счет поеорота оси РД. Наклоненная зперед ось РД исключает трение неработающей части кругового лезвип об обработанную поверхность и создает возможность резания ограниченным участком актирной части ревущего лезвия. Необычное рясположате РД по отношению к обработанной поверхности увеличивает радиус кривизны участка лезвия, находящегося в работе, что погаиает стойкость, не ухудтяя шероховатости обработанной поверхности. Передняя поверхность РД получается выпуклей, что снижает интенсивность образования нароста-на передней поверхности РД. Таким образом, угол установки РД сСу влияет яа величину шероховатости обработанной поверхности, величину активной части вехужей кромки, и э результате, на стойкость диска и к я. чест то обработанной поверхности.

Увеличение угла вЬц резко увеличивает расчетную высоту »гакронеровно-• стей, но в то же время этот угол, в далях работы части круговой реясу-цей кромки, должен быть больше цудя. Установлена экономическая величина (Ьуэ^ 3°.

Выполненные исследования влияния конструкции РД на процесс резания и расчеты сил при обработке РД позволили предложить новую схену резания при обработке плоскостей. Отличительной особенностью предложенной схемы резания является, установка торцевой поверхности РД относительно обрабатываемой поверхностн под углом 3° {рис.3).

О о!: ' =:.

' Рие.З

Схеха обработки рекущим диском .

Это позволило снизить шероховатость обработанной поверхности; устранить затирание радиуса округления реяущегс клина диска; улучшить охлаждение диска; увеличить величину угла заострения РД и повысить его стойкость,

Г1ри изучении стружки рассматривается следующий комплекс вопросов: очертание и наружная форма; форма элементов сдвига стружки; усадка. стц,-жки; внутреннее строение стружки.

Исследованиями установлено, что образованна мелкой стружки обусловлено напичкем на границах зерен металла легкоплавких эвтектик

и неметаллических включений с. температурой плавления на много градусов ниже, чем температура плавления основного металла. Таким образом, при резании нагретого металла на границах еще твердых зерен возникают зоны расплавленных неметаллических включений и легкоплавких эвтектик. Расплавленные частицы захватываются гребеаками мнкронеровностей переднг-Я поверхности диска и под действием центробежной силы отрываются от поверхности диска. Доля мелкой стружки составляет 0,3...0,5,? от общего объема снимаемого припуска.

3 результате исследований было установлено, что с увеличением толпзта среза усадка вначале резко уменьшается, а затем изменение становится незначительном. Увеличение радиуса при вершине РД вызывает незначительное увеличение усадки и уменьчение уширения стружки. У кор-розионостойких сталей коэффициент усадки стружки близок к единице.Это объясняется более высокой'температурой в зоне резания, чем при обработке углеродистых сталей и интенсивным охлаждением. На усадчу стружки оказывает влияние положение переднеЛ грани РД к поверхности резания, так как от нее зависит направление равно действующей силы резания.

, Изучение микряшлифов корней стружек позволило сделать завод,что процесс стружко образования протекает в определенной зоне, начальные и конечные границы которой расположены на значительном расстоянии.

Между передней поверхностью инструмента и поверхностью стружки действуют значительнее силы трения, разогревание металл до 90й„1200°С. поэтому площадь зоны термического влияния в направлении схода стружки увеличивается, а зерна металла продолжают деформироваться и па еле выхода из зоны контакта, сильно вытягиваясь, что обуславливает явление утонения стружки.

Было установлено, что очертание поперечных сечений стружки и форма обусловлены режимами резанг.я и формой инструмента. Эти фактора изменяют силы.и условия течения материала. 3 процессе об;лботки формируется зона контактных пластически* деформаций ? ярко выраженной структурой в контактной зоне с передней и задней поверхностью РД. fi.no установлено, что угон, наклона плоскости сдвига белее 45э. обуслоздрчо температурио-скосостнагм;: условиями процесса пластического дгформигозд-ния, характер которых определяется высокими тьмперчтугами а зо,:е контакта и высокой скоростью трения-скольжения передней поверхности РД отнсс/1ельно поверхности регакия.

иетчллографичгские исспедозчния азмзнг№.я'структуры в обработанной поверхности,ч.эон& сгружкэоэр&згваниг и ь стружке покаэыьают, что в контактной гене с икс?сумен> .и структура сильно уппотнг.на к зерна вьтдаутч в направлении действия деформирующей силы г обработанной поверхности, и в направлении вектора скорости схода отр^кхи - в контакт-

1С

ной зоне стружке. Било установлено увеличеиие твердости поверхностного слоя обгнбоганнсгс металла ча глубину до 0 ,о мм.

/.сслйдованияии псоиссса стружхообрагования было определено, что для стилей 45; 95X18; ЗИ61? соответственно составляют: удлинение и утсненке ст^'жки 120.. .160i; ПО.. ДЗЭ'; 1С5...П5Г:; уширенке - 5...£Г; 3.2...&Г его ширинь-; коэффициент усадки - 0,82..,0,70; 0,9.'.. . 0,!>ij 35...О,Во,

Уг.^л сдвига для стали 45 составляет 55...и}3; для сталей 95X18 Я Ы'.оГ/ - около 45°. Значения- коэЭД.и1!иента усадки строки объясняется величиной угла сдвигп и термопластическими дефор.тцияии, протекающие с контактной зоне.

При термофрикиионной обработке уугуна СЧЗО образуется стружка надлом,I. Диск, внедрившись в обрабатываемый материал, не сдвигает элементы стружки, а шривает его. $то объясняется тем, что. в направлении движет;я инструмента ьозтжатт упругие де.^ормати и напряжения сжатие» в перпендикулярном направлении появляется напряжения растяжения.Сопротивление отгыру з удаленном слое наступает рамьае, чем сопротивление сдвигу. ODja5oTKa цугу ня может производиться при окружной скорости

Vd = 25...30 к/с, Но при »той скорсти РД не успевает охлаждаться за счет обдува воздухом. Поэтов обработка чугуна ведется при окружной скорости РД : щ 45...¿0 м/с.

КоВкиЛ чугун обрабатывается РД аналогична заготовкам из стали, Глявд4. Исследование силовых и температурных зависимостей. Приводится система автоматического регулирования режимов резания со стабилизацией силы подачи. Изучена энергосило-вые параметры процесса тер-мофрик[йонной обработки. С использованием методов планирования экспериментов и математической обработки результатов получены формулы для определения составляю®« сил резания:

Ри л Ср?-a Vd" ип .

где Ср 'Ср^Ср- коэффициента, характеризу^шне нетелл и условия его обработки;

X,"У*'fli, показатели степеней при толаиие среза., скорсти ьа-

ЫЬ с' Б * г' ■ "

скй• ииРне обработки и скорости диска.

К*

Путем мат магической обработки опытных графиков выведена общая формула зависимости температуры в зоне резания от различных факторов при термофрикционной обработке сталей

6>-- с* • УГ- %0,0*- & ГО (33>

где Св - постоянная, зависящая от обрабатываемого материала и инструмента.

Установлено, что на усилие резания и температуру значительное влияние оказывает механика процесса и в меньшей степени свойства металла. Сила является максимальной, что объясняется деформацией сдвига. При увеличении скорости РД температура растет медленно.Поэтому оптимальной скоростью вращения РД для поддержания заданной температуря является скорость 45...50 м/с. Силы резания при установке РД под углом до 3° меньше на 10-15% по сравнении с величиной сил, когда ось диска перпендикулярна обрабатываемой поверхности.

Сравнение сил при КО и фрезеровании показали, что силы резания при термофрикционной обработке ниже, чем при фрезеровании*

Окружная скорость РД является главной определяющей эффективной мощности, а следовательно и выбора носкости электродвигателя вращения шпинделя. Определено, что с увеличением окружной скорости РД сопротивление деформированию контактных слоев снижается за счет увеличения температуры в контакте заготовка-диск.

Наибольшее влияние на величину эффективной шщноети оказывает скорость перемещения заготовки и окружная скорость РД. Расчет эффективной мощности следует производить по горизонтальдай составляющей силы резания, определявшей усилие трения в паре РД - заготовка. С увеличением скорости -ерегсзения заготовки в 2 раза расход мощности увеличивается на 70...00^, Однако,как показали расчеты, с уменьшением скорости перемещения заготовки увеличивается удельный расход мощности. С уменьшением скорости перемещения заготовки почтя в два раза удельный расход мощности увеличивается на 20%, Для сталей 95X18 и 2И517 расход мощности составляет 24 квт при Уд * 45...50 м/с.

величину скорости перемещения заготовке необходимо принимать с учетом толщины снимаемого слоя. Установлено, что в период врезания диска, до охвата всей ширины обработки, скорссть перемещения заготовки должна быть уменьшена по сравнению с режимом установившегося процесса. Это условие необходимо для обеспечения нагрева зокч резания до температуры, при которой металл придет в состояние повьшв"ной пластичности и станет возможным процесс стружкообразования.

Результаты экспериментальных, замеров мощости и аналитический расчет эффективной мозшости по составлявшим силы знания позволили

определить, что окружная скорость РД и усилие трения скольжения в паре м с о кос хоро стно го трения РД-эаготовка. являются главными параметрами, -ттределягакми эффективную мощность регания. Дяя расчета эффективной •/пганости при термофрикглиэнной обработке плоскостей рекомендуется применять фоттмулу _ . .

Глава 5. Износ и стойкость ведущего инструмента. Состояние верхностного слоя деталей. РД. обладая достоинствами круглого инструмента, имеет высокую стойкость по сравнений с обычным лезвийным инструментом, так как он имеет сравнительно большой диаметр, а участок ревущей громки, находящийся в непосредственном контакте с обрабатываемой поверхностью, постоянно обновляется. Л1ри вращении диска создается поток воздуха, охлаждающий его в процессе работы. При обработке заготовок наблпдались два вида износа: увеличение радиуса округления лезвия и налипание на переднею поверхность инструмента частиц обрабатываемого металла. С целью обеспечения качества обработанной поверхности, исключения появления вибраций, увеличения силы резания и уменьшения расхода мощности, радиус режущего лезвия доляен,быть не более 0,4... 0,5 мм. Если, механические-свойства ц температура плавления заготовки ниже, чем у материала РД, то. процесс изнашивания происходят путем налипания оплавленных частиц обрабатываемого металла на переднюю поверхность. При температуре трения близкой к температуре плавления трущихся тел, возможно оплавление передней поверхности РД. Износостойкость РД составляет .600 мин при обработке стали 45 и 240 мин при обработке стали 95П 8 и сплаве ЭИ617.

Проведено исследование качества поверхностного слоя. Как показали измерения поверхность заготовки из стали 45 нагревается до 500... 600°С. Известно, что нагрев зоны резания до 900°С является средним для большинства углеродистых и легированных сталей. На глубине свыше I мм деталь имеет основную структуру без каких-либо заметных изменений. Твердость изменялась от НВ162 до Ш172. Сталь:45 примерно до 0,2 им имеет мелкодисперсную структуру типа тростит, в более глубоких слоях количество тростита уменьшается, появляется феррит, происходит постепенно переход к перлитно-ферритной структуре сердцевины. Изменения в микроструктуре поверхностного слоя углеродистых конструкционных сталей свидетельствуют о нагреве обрабатываемой поверхности.

При обработке РД стали 45 в поверхностном слое, глубиной от ? до 14 ук» концентрируются растягивающие остаточные напряжения с максимумом |'ч рррх-нссти образна <Ьр = 4 50; Л ТО МГ1а, которые далее переходят в «¿>саг» 200..^'00 МПа и залегает на глубине У « 100..ЛЮ мкм. 'ягщпсть -чверхности до НЙ200.

Исследованиями состояния поверхностного слоя заготовки из стали 95X18 установлено, что обрабатываемая поверхность нагревается до 600...700°С, При этом твердость повышалась от Ш225 до МН)...470 единиц. Структура металла изменялась на глубину до 0,33 мм и состоит из аустенита и карбида. Твердость поверхности увеличивается до НКС40. Поэтов перед механической обработкой заготовку необходимо отжечь до НКСЗО.

После черновой обработки РД была выполнена чистовая обработка поверхности шлифованием и проведете рентгенографические исследования состояния поверхности. Результаты исследований показали, что при обработке РД стали Э5Хжв в поверхностном слое возникают сжимающие остаточные напряжения, максимум которых составляет<Ьсж= -750.-1100 МПа, глубина залегания У = Ю0и140 мкм.

Исследование состояния поверхностного слоя заго"-твки из сплава Эп617 показали, что в поверхностном слое появился аустенит. После обработки необходимо произвести отпуск до НьЗОО и ниже (НВ250,. .200). В поверхностно» слое детали появляется дисперсионные частицы. Обязательно после обработки проводить старение металла.

Исследовалось состояние поверхностного слоя заготовки из серого чугуна СЧЭ0. Твердость поверхностного слоя заготовки составляет Н6200 и ниже. Поверхность до нагрева состояла из аустенита и графита пластинчатой формы, а после обработки - графита и феррита с перлитом.

Во всех исследуемых материалах упрочнение поверхности происходит на глубину до 0,5 мм. На глубине свыше 0,6 мм сохраняется микротьер-дость основного металла.

Остаточные напряжения при резании сталей образуется в результате Н^равномерности пластической деформации и значительного нагрева поверх ностных слоев. При обработке РД на обработанную поверхность действует нормальная сила, вызывающая сжатие поверхностных слоев, и сила трения, вызывающая пластическое растяжение верхних слоев. Температура, развивающаяся в процессе резания, играет большую роль в формировании свойств поверхностного слоя. Под действием нагрева верхние слои стремятся удлиниться, но этому окаанвают сопротивление более холодные нижние слои и в поверхностном слое появляются напряжения сжатия.

Для формирования качества обработанной поверхности предложен РД с регулируемыми лопатками, изменяющими поток воздуха, которчй обдувает обрабатываемую поверхность. На конструкцию РД подана заявка на изобретение.

Глара 6. Оптимизация процесса, практическиерекомендчшии и внрд-^Е1.'. ^КЗотги .плоскостей, /ля оптимияамм! птлнеегч рчагпбе •

тана математическая шдель, которая позволяет выбрать оптимальные режимы резения при обработке заготовок из стали 95X13 на ьертикально-ф ре-зерном станке третьего типоразмера повышенной производительности.

Рекомендуемые температуры нагрева припуска и режимы резания для обработки приняты согласно рекомендациям.

Намечеш гцгти дальнейшего развития метода: обработка ступенчатых поверхностей, тезка заготовок с введением в зону резания электрического тока. Получено положительное решение о выдаче патента.

Внедрение -ершфрк к иконкой обработки плоских поверхностей деталей из сталей 45, Ш617, 95X18 осуществлялось на Луганском автосборочном и Краснореченском станкостроительном заводах. Обработка производилась на модернизированных фрезерных станках третьего типоразмера.

Преимущества термофрикпионной обработки позволили повысить производительность в 1,2.Л,3 раза и получить экономический эффект 52 тыс.руб.

ОВ^Е йЫсЭД:

1. Проведенные комплексные теоретико-экспериментальные исследования позволили повысить производительность черновой обработки плоскостей гермофрикиионным способом и сделать его более экономичным. Особенно эффективно применять процесс при обработке труднообрабатываемых материалоЕ

2. Раскрыта физическая сущность процесса. Иод действием усилий резания происходит интенсивная пластическая деформация разогретого до температуры 900_1200°С металла. При этом образуются крупная и мелкая сливные стргужки.

3. При стружкообразовании результаты обработки экспериментальных данных показывают, что: для стали 45 угол сдвига имеет значение около 45°, усадка стружки для сталей 45; 95X18; 8И617 соответственно составляет О,Й2_0,9О; 0,9ЦЭ,84; 0,95.^,66, уширение стружки составляет Еи8; 3^7; 2от ширины снимаемого слоя. С увеличением окружной скорости вращения диска и скорости перемещения заготовки коэффициенты усадки уменьшаются, а коэффициент утонения увеличивается.

4. Поверхностный слой имеет деформированную структуру и получает упрочнение (наклеп). Ыикротвврдость на глубине до 0,2 мм может превышать исходную в 1,3...1,5 раза, а на глубине до 0,6 им равна исходной, шероховатость поверхности с высотой микронеровностей 40...80 мкм, глубина наклепа до 0,5...0,6 ым, в поверхностном слое формируются благоприятные сжимающие напряжения,

5. В результате теоретических исследований определены составляв- • щие сила резания и Рц - Замеры показали, что силы, расс .итанные по формулам и фактически различаются не более, чем на 15Т.

6. Исследовано влияние конструкции реяущего диска на процесс ре-

зянйй. Установлено, что режущий диск должен бить установлен под углом не более 3° к обрабатываемой плоскости.

7. Установка реяусэго диска под углом к плоскости обработки позволили увеличить стойкость на X0L.I5Ä и уменьшить затраты элекгро-онергии на O.J2i.

8. Разработана рвчиш резания для обработки плоскостей,обеспечивающие повьшение производительности в I,5«2 раза.

9. Разработана математическая модель определения оптимального режима резания пра обработке запготок на фрезерном станке, пргдлолены дальнейшие пути развития: обработка ступенчатых поверхностей и резка металла с применением электрического тока.

10. Экономический эффект о? внедрения разработки по данной работе составил 52 тыс.рублей.

На основании выполненных работ разработан станок, которий отмечен дипломом молодых ученых Украиш, дипломом ВДНХ УССР, дипломом Л степени ВДНХ СССР. В 1988 году станок знспонитовался на ярмарке в Лейппиге.

Основные ползяенкя диссертации опубликованы в работах:

1. Талантов Н.В., Зарубишсий Е.У., Покинтелиш Н.И. Термофрикшонная обработка сталей//М.аайюстронтель, 1988, №5. - С.21-22.

2. Зарубиикий Е.У., Талантов Н.В., Покиигелипа Н.И, и др. Особенности процесса термофрикционной обра5откя//Резание и инструмент. СбДПЙ -Харьков, 1983, » 39. - С.54-55.

3. Зарубиикий Е.У., Покинтеяица H.H., Костина Т.П. Особенности процесса резания при твриофрикиконкой обработкз//Канструирован110 и производство транспортных малин//« - X: Ияд-во Г ГУ, 1986,» 18, С.7Э-83.

4. Зар/бицкий Е.У., Покинтелипа H.H., Дейнека И-Г. Исследование аакоиз-мерностей процесса резания при .термофрикционной обработке сталеР/ Физические процессы при резании имталлоз//Волгограя,1937.- С.68-69.

5. Зарубиикий Е.У., Покинтелиий Н.И., Плахотник Ь.Д. я др. Исследование температурных, параметров процесса термофгакиганной обрабитки коррозконостойких сталей/По имение эффективности гроцесса рззония матприалов//Золгоград, 1907. - 0.67-61.

6. Зарубиикий Е.У., Талантов Н.В., Покиктелииа Н.И. и др. Технологические прэттессы при теряофрикиионной обрябэтке/УДеп. в Ьоротиловгрзд-ском ма иностроительном институте, 1385, $ 1587, 7

7. Заруби-лкий Е.У., Покинте.-.ят Н.К., Костина Т.П. /нстгумент для tpjtvo-фрикционной обработки плоскости//Инф.лис1'',г Зсгови/эвградского МГЦНГИ, 1Э«а, № Ьд - 214. с.4..

В. Заттубипкий К.У., Кисилса J.H., Ппкинте-яца H.H. 0бра5л»*а плогги-.:

поверхностей деталей термофрикциошмм способом. Сб. Технология машиностроения, ШИЭГОНОМЙКА, Ы.: 1Э87. - С. 19-21.

Э. Зарубицкий Е.У., Покинтелица H.H., Костина Т.П. Исследование силовых зависимостей терыофрикционшй обработки ступенчатых плоскостей/, Повышение эффективности процесса резания ыат0риалов//Волгоград, 1938, - С.43-46.

10. Шкинтелит Н.И. Расчет температуры режуцего диска с использование* элементов САПР/Автоматизация технологической подготовки производства в машиностроении и приборов?роении//Тез,докл. научно-технич. конф. - Ворошиловград, 1989. - С.90.

11. Тал"нтов Н.В., Зарубкшшй Е.У., Покштелииа Н.И. Тепловые явления при теркофрикиионной обработке ступекчатых поверхностей/Конструирование и производство транспортных машин//. - X. Иэд-во ХТУ, 1983, ¡й 21. - С.28-30.

12. Зарубицкий Е.У., Иокилтелина Н.И., Костина Т.П. Терыофрикиионная обработка поверхностей труднообрабатываемых материалов/Дез. докл. нвучно-технич.конф. - Запорожье, 198?. - С.251.

13. Затубиихий Е.У., Покинтелиш Н.И., Дейнека И.Г, и др. Термофрик-цчэнная обработка плоскостей труднообрабатываемых материалов, йнф. листок Вороииловградского ИГЦШИ, 1990, № 90-005/р. - 4 с.

14. Способ разделения саготовок/Е.У.Зарубицкий, Н.И.Покинтелипа,

В.В.Варганов и др./Положительное решение на патент по заявке № 4900084/27/009609 от 31.01.91 г. (^¿¿¿a Y^

Николай Иванович ГОКШГЕЛИЦА

3АЮНОM£PiDСТИ ПРОЦЕССА ТЕРЮШ1КЦИ0НВЭЙ ОБРАЮТКИ РЕЗАНИЕМ И ГШШЕШЕ ЕГО ШШЗОДТЕЛЫЮСТИ

АВТОРЕФЕРАТ

Пог,пкс»»о К SieWIlM I5.IX.9Ir. Сормят 1/16 60x04 п.в. х,3 Зека» 476 2ир»ж 100

OtiifiBTHfo и» уч*стке onepmTHikot5 i>oniij>*$** Лугадского «»«ясстроитекь-иого институт*

ЗЧ&ОЗЧ г. Луг«яс.к к».Молодежный,20 ь