Проблемы управления качеством обработки и моделирование процесса формирования шероховатости поверхности при точении

Тип работы:
Реферат
Предмет:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

УДК 621.9. 015
Н. Г. Зайцева, А. Р. Ингеманссон, Д. В. Крайнев, А. С. Сергеев
ПРОБЛЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ КАЧЕСТВОМ ОБРАБОТКИ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ФОРМИРОВАНИЯ ШЕРОХОВАТОСТИ ПОВЕРХНОСТИ ПРИ ТОЧЕНИИ
Волгоградский государственный технический университет E-mail: techmash@vstu. ru
Проанализированы существующие методики прогнозирования шероховатости обработанной поверхности при токарной обработке, разработана формула для расчета среднего арифметического отклонения профиля Ra при точении коррозионно-стойких сталей.
Ключевые слова: математическая модель, шероховатость, точение, опережающее пластическое деформирование (ОПД), коррозионно-стойкая сталь.
Existing techniques of prediction of the machined surface roughness definition at turning are analyzed, formula for calculating the arithmetic mean deviation of profile for the turning of stainless steels is developed.
Key words: mathematical model, roughness, turning, advancing plastic deformation (APD), stainless steel.
На современном уровне развития машиностроения вопрос управления качеством выпускаемых изделий является одним из приоритетных. Важно заранее планировать и прогнозировать качество обработки поверхностей выпускаемых деталей.
С развитием техники все большее применение находят материалы, обладающие специальными свойствами. Примером таких материалов являются коррозионно-стойкие стали, которые широко используются в различных отраслях промышленности: энергетическом, химическом, транспортном, атомном машиностроении и др.
Коррозионно-стойкие стали традиционно относятся к классу труднообрабатываемых материалов. Механическая обработка коррозионно-стойких сталей характеризуется низким качеством получаемых поверхностей, повышенным износом инструмента, и, как следствие, вынужденным занижением режимов резания, поэтому исследования в этой области представляют значительную ценность для практики механической обработки.
Одним из способов повышения эффективности процесса обработки коррозионно-стойких сталей является способ резания с опережающим пластическим деформированием (ОПД) по обрабатываемой поверхности, который совмещает в себе два приема — поверхностное пластическое деформирование, создающее необходимые глубину и степень наклепа, и последующий съем предварительно деформированного металла в виде стружки. Применение ОПД обеспечивает комплексное повышение эффективности процесса точения. Однако отсутствие на сегодняшний день математических
зависимостей и методик, позволяющих определить улучшение параметров микрогеометрии обработанной поверхности при использовании ОПД и внести соответствующие коррективы в базовый технологический процесс, в том числе на этапе проектирования, является существенным препятствием для успешного применения способа точения в практике механической обработки.
В задаче управления качеством поверхностного слоя деталей машин при обработке резанием актуальным направлением является разработка моделей, адекватно отражающих процесс формирования шероховатости обработанной поверхности. При разработке моделей перспективной является задача выявления не обособленного влияния входных параметров обработки, а их совокупного воздействия на процесс формирования новой поверхности. Следовательно, учету подлежат различные факторы, определяющие характер протекания физических процессов в зоне резания. В качестве входной информации следует учитывать теплофизические и физико-механические свойства инструментального и обрабатываемого материалов, режимы резания, характер технологической среды и др.
При проведении литературного анализа был обнаружен ряд математических зависимостей, описывающих формирование шероховатости поверхности для разных сталей. В справочнике [1] для получистового и чистового точения сталей (Ст3, 20,45,70) рекомендована следующая формула:
Ra = к0
sk (90° + у) к rk ¦
(1)
Для получистового и чистового растачивания стали 40Х предложена зависимость:
Яа = 76,2-
0,57 0,03. 0,04 5 V Уст
100,040, 08 г 0,2а0,34(50 + у)°'35'- (2)
В формулах (1) и (2): г — радиус при вершине резца, мм- у, а — передний и задний углы резца, град.- 5 — подача, мм/об- t — глубина резания, мм- V — скорость резания, м/мин- уст — жесткость станка, Н/мм- к0, к1, к2, к3, к4 — поправочные коэффициенты.
В работе С. П. Семенова [2] приведена формула для оценки шероховатости поверхности при тонком растачивании резцами из твердых сплавов Т15К6, Т30К4 деталей из сталей 35, 40, 45, 50, 40Х, 45Х и серых чугунов:
Яа =
& gt-0,16 «0,45 ,"0,82
Ґ • 5 • ф1
у0& gt-49 • г0,25
(3)
(
Rz =
(
А. Ш. Шифриным и Л. М. Резницким [3] предложена формула для определения наибольшей высоты микронеровностей при точении хромистой коррозионно-стойкой стали 3Х13:
Н = 10,7 •¦
где t — глубина резания, мм- я — подача, мм/об- ф1 — вспомогательный угол в плане, град- V — скорость резания, м/с- г — радиус сопряжения главной и вспомогательной режущих кромок, мм.
(4)
где Нтах — наибольшая высота микронеровностей, мкм.
Приведенная формула рекомендуется для значений глубины резания до 1 мм, подачи до 0,5 мм/об и скорости резания от 100 до 360 м/мин и учитывает только два параметра — подачу и скорость резания. Данное обстоятельство, а также тот факт, что зависимость предложена для стали одной марки при определенных режимах резания, не обеспечивает возможности ее широкого применения в практике механической обработки.
В работе И. Е. Кирюшина [4] приводится расчетная зависимость для определения высоты микронеровностей при точении:
0,6625а1 сг 00
л п ¦ 0,115 тт-0,57 0,345 л I t I. л о 0,57 0,075
4,38іи аУ0 а{ АІ - І +А вра г1
т '-
2
Т, а -°, 4381И0,025
а?(р°, 26т0'49_и°с0Ь°04г1п0−0Д (1 — 0,458іпу)

(5)
где а1 — толщина среза, являющаяся функцией подачи, мм- t — глубина резания, мм- 00 — температура в зоне резания, °С- V — скорость резания, м/с- X, Хр — коэффициенты теплопроводности обрабатываемого и инструментального материалов, дж/м-с-град- у, а — передний и задний углы резца, град.- в, в — угол заострения и угол в плане при вершине резца, радиан- г1 — радиус округления режущей кромки, мм- тр — сопротивление обрабатываемого материала пластическому сдвигу, МПа- а — коэффициент температуропроводности обрабатываемого материала, м2/с- Ь — суммарная длина рабочих частей режущих кромок, м- С0, п0 — коэффициенты, зависящие от соотношения радиуса округления режущей кромки г1 и толщины среза а1- сг -удельная объемная теплоемкость обрабатываемого материала, дж/м3 °С
Формула (5) рекомендована для широкого круга марок сталей, в том числе коррозионностойких, учитывает значительное количество факторов, влияющих на величину параметра шероховатости. Однако затруднения при вычислениях представляет сложность и трудоем-
кость (особенно в производственных условиях) измерения температуры в зоне резания для материалов каждой конкретной пары заготовка-инструмент. Кроме того, в промышленных условиях сложно определять значения коэффициентов С0, п0.
В зарубежной печати [5] представлена формула для расчета величины среднего арифметического отклонения профиля обработанной поверхности при чистовом точении закаленной углеродистой стали ЛК1 1053 (российский аналог — сталь 50Г) инструментом с режущими пластинами из кубического нитрида бора (КНБ):
Яа =Гг V, (6)
где Л0, х, у, г — поправочные коэффициенты- /-продольная подача (0,05−0,15), мм/об- г — радиус сопряжения главной и вспомогательной режущих кромок (0,8- 1,2- 1,6), мм- Vс — скорость резания (1,5−3,05), м/с.
В работе Н. Б. Демкина и Э. В. Рыжова [6] приведена формула для чистового точения закаленной стали ХВГ (НЯС 60−62) резцом из композита 10 (гексанита-Р):
Яа = 4,4
1: 0,01 •, 15 • г0,4
(7)
где 5 — продольная подача (0,02−0,1), мм/об- t — глубина резания (0,05−0,5), мм- V — скорость резания (50−170), м/мин- г — радиус сопряжения главной и вспомогательной режущих кромок (0,1−1,0), мм.
Проведенный анализ имеющихся в литературе зависимостей для определения значений параметров шероховатости поверхностей, полученных точением, установил, что рассмотренные методики применимы в основном для обработки конструкционных легированных сталей. Таким образом, разработка математической модели формирования шероховатости обработанной поверхности при традиционном точении и точении с ОПД является актуальной задачей, решение которой направлено на обеспечение возможности управления выходными параметрами процесса резания.
В производственных условиях без особых сложностей и материальных затрат возможно регулирование режимов резания, осуществление выбора наиболее подходящего инструментального материала. Данные приемы влияния на качество обработки наименее трудоемки. Таким образом, для построения математической модели формирования шероховатости обработанной поверхности при чистовом точении с ОПД и традиционном точении коррозионностойких сталей выделяется четыре основных фактора: скорость резания, подача, коэффици-
ент теплопроводности инструментального материала (как характеристика, определяющая тепловой баланс зоны резания), а также фактор влияния ОПД — коэффициент ОПД АОпд-
Исследования выполнялись для чистового точения (глубина резания tр = 0,5 мм) коррозионно-стойкой стали 20Х13 (сортовой прокат, состояние поставки, о0,2 = 440 МПа). Инструмент был представлен сменными многогранными твердосплавными пластинами (СМП) тригональной формы W (ф = 95°- ф! = 5°- а = 0°- (180 1832−1991)) — радиус сопряжения главной и вспомогательной режущих кромок г = 0,8 мм. СМП такой геометрии являются наиболее универсальными для операций получистового и чистового точения. Эксперименты выполнялись на токарно-винторезном станке модели 1М63 с бесступенчатым регулированием скорости вращения шпинделя. Для осуществления точения с ОПД обрабатываемой поверхности использовалось сконструированное и изготовленное приспособление. Обработка выполнялась без смазочноохлаждающих технологических сред (СОТС).
Режим осуществления ОПД описывался коэффициентом АОпд:
К =
^ОПД
и
(8)
где йнак — глубина наклепанного поверхностного слоя, мм- tp — глубина резания, мм.
Принятые в исследовании натуральные и безразмерные значения факторов представлены в таблице.
Натуральные значения факторов
I
р
Факторы Натуральные значения
Нормированное значение (уровень) -1 0 +1
Скорость резания, м/мин 90 135 180
Коэффициент теплопроводности инструментального материала, Вт/м-К 11 (ТН20) 27 (Т15К6) 50 (ВК6)
Продольная подача, мм/об 0,083 0,166 0,256
Коэффицент КОПд 0,001 1,6 3,2
На основе данных полного факторного эксперимента была получена регрессионная математическая модель влияния основных параметров обработки традиционным точением и точением с ОПД на величину среднего арифметического отклонения профиля Яа обработанной поверхности [7, 8], которая реализуется в виде следующей зависимости:
Яа = 1,33 • Vод • Я0,16 • SО& gt-A • КОПД-0'04, (9)
где — скорость резания, м/мин- X — коэффициент теплопроводности инструментального материала, Вт/мК- 8о — продольная подача, мм/об- КОПд — коэффициент ОПД.
При традиционном точении коэффициент ОПД равен 0,001.
Таким образом, представлена проблема необходимости создания надежной математической модели для определения параметров каче-
ства, обработанной поверхности при точении коррозионно-стойких сталей. Такую модель предполагается использовать в режиме автоматического расчета режимов резания, обеспечивающих получение заданных величин характеристик шероховатости обработанной поверхности, в современных системах ЧПУ. Разработана зависимость, позволяющая рассчитать величину среднего арифметического отклонения профиля Яа получаемой поверхности при традиционном точении и точении с ОПД, внести необходимые коррективы в базовый технологический процесс, и, тем самым, расширяющая возможности применения способа резания с ОПД для повышения эффективности механической обработки коррозионно-стойких сталей.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Справочник технолога-машиностpоигелЯ'- В 2 т. Т. 1 / под ред. А. Г. Косиловой и Р. К. Мещерякова. — 4-е изд. -М.: Машиностроение, 1985. — 656 с.
2. Технологический расчет шероховатости поверхностей и производительности обработки деталей судового машиностроения / С. П. Семенов // Труды Ленинградского кораблестроительного института. — 1959. — Вып. 27. -С. 139−150.
3. Шифрин, А. Ш. Обработка резанием коррозионностойких, жаропрочных и титановых сталей и сплавов / А. Ш. Шифрин, Л. М. Резницкий. — М. -Л.: Машиностроение, 1964. — 448 с.
4. Кирюшин, И. Е. Обеспечение качества поверхностного слоя деталей при высокоскоростном торцевом фрезеровании закаленных сталей [Электронный ресурс]: дис. к.т.н. / И. Е. Кирюшин, 2007. — Режим доступа: http: //dissza-kaz. com/catalog/obespechenie kachestva poverhnostnogo slova detaley pri visokoskorostnom tortsevom frezerovanii zaka. html.
5. Jing Ying Zhang. Process optimization of finish turning of hardened steels / Ying Zhang Jing, Y. Liang Steven // Materials and Manufacturing Processes / - 2007. — № 22. — Р. 107−113.
6. Демкин, Н. Б. Качество поверхности и контакт деталей машин / Н. Б. Демкин, Э. В. Рыжов. — М.: Машиностроение, 1981. — 244 с.
7. Математическая модель формирования шероховатости обработанной поверхности при точении с опережающим пластическим деформированием коррозионностойких сталей / А. Р. Ингеманссон, Н. Г. Зайцева, Ю. Л. Чигиринский, Д. В. Крайнев // Металлообработка. — 2012. -№ 1. — C. 11−15.
8. Свид. о гос. регистрации программы для ЭВМ № 2 012 611 474 от 8 фев. 2012 г. РФ. МПК (нет). Расчет величины среднего арифметического отклонения профиля обработанной поверхности при точении с опережающим пластическим деформированием и традиционном точении / Ю. Н. Полянчиков, Ю. Л. Чигиринский, Д. В. Крайнев, А. Р. Ингеманссон, Н. Г. Зайцева, А. В. Раздрогин- заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «ВолгГТУ». -№ 2 012 611 474- заявл. 14. 12. 2011- опубл. 8. 02. 2012.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой