| |
АНГЛИЙСКИЙ |
Среди важнейших задач современного машиностроения особое место уделяется повышению эффективности обработки деталей машин. Эта задача включает в себя достижение наиболее высокой производительности обработки с обеспечением заданного уровня качества поверхностного слоя деталей. В современном производстве технологическое обеспечение параметров состояния поверхностей деталей недостаточно обосновано. Это влечет за собой либо завышение требований к этим параметрам, что приводит к повышению стоимости деталей машин, либо происходит занижение требований, вследствие чего снижается надежность. Обеспечение качества обрабатываемой поверхности с достижением максимально возможной производительности обработки – важнейшее задание, решаемое при проектировании технологических процессов изготовления деталей. Одним из резервов повышения производительности является выбор рациональных параметров процесса резания. В связи с этим очень актуальны исследования с определением параметров оптимальных режимов резания, обеспечивающих максимальную производительность для заданных условий обработки и требований к качеству обрабатываемых поверхностей.
В настоящее время проведено много исследований в области повышения качества поверхностей и установлена тенденция стремления к замене на отделочных операциях шлифования тонким точением. Поэтому одним из перспективных путей решения этой задачи является использование высокоскоростной обработки инструментами, оснащенными синтетическими сверхтвердыми материалами (СТМ).
В настоящее время проводится большое количество исследований по нахождению оптимальной системы параметров качества поверхностей деталей машин, которая бы наиболее полно отображала их эксплуатационные свойства. В исследованиях Исаева А.И. [1], Макарова А.Д. [2], Маталина А.А. [3], Проскурякова Ю.Г. [4], Рыжова Е.В. [5], Силина С.С. [6], Ящерицына П.И. [7], Дальского А.М. [8], Шнейдера Ю.Г. [9], Суслова А.Г. [10] и др. выполнен анализ многочисленных факторов, которые влияют на параметры поверхностного слоя деталей машин, установлены взаимосвязи между этими параметрами при различных методах обработки, обнаруженные пути управления качеством поверхности.
Такими учеными как В.Ф. Романов и Г. В. Боровский [19] были проведены исследования, которые показали, что для материалов на основе кубического нитрида бора (PCBN), имеющих мелкозернистую структуру и керамическое соединение, которое образуется в процессе синтеза, интенсивность износа незначительна даже при получистовом фрезеровании серого чугуна со скоростью v=3000 - 4000 м/мин. Ограничением для использования этих материалов при высокоскоростной обработке является их стойкость к термоудару.
Цель работы – повышение качества поверхностного слоя и эффективности обработки деталей за счет обоснованного выбора технологических методов механообработки, а также разработка рекомендаций по выбору режимов резания.
Основные задачи исследования:
1. Теоретическое исследование закономерностей формирования поверхностного слоя деталей типа "тела вращения" и анализ технологических возможностей метода тонкого точения.2. Прогнозирования эксплуатационных свойств деталей типа "тела вращения" по режимам резания при обработке внешних поверхностей вращения.
3. Анализ экспериментальных данных и влияния параметров механической обработки на шероховатость при обработке точением инструментами, оснащенными синтетическими сверхтвердыми материалами.
4. Разработка рекомендаций по выбору режимов резания, которые обеспечивают наиболее экономическое получение необходимых параметров состояния поверхностного слоя деталей типа "тела вращения".5. Расчет параметров поверхностного слоя деталей типа "тела вращения" с учетом их эксплуатационных свойств на базе математического пакета прикладных программ Mathcad 2001 Professional.
Современный уровень развития металлообработки, которая характеризуется широким внедрением конструктивных и инструментальных материалов, высокопродуктивного оборудования и адаптивных систем управления, выдвигает принципиально новые требования к проектированию технологических систем. Успешная реализация этих требований связана с использованием знаний по оптимизации принятых проектных решений.
Научная новизна заключается в оптимизации, осуществляемой с использованием одного из наиболее распространенных в настоящее время методов линейного программирования, позволяющего осуществлять одновременную оптимизацию скорости резания и подачи по критерию максимальной производительности с учетом действующих при механообработке ограничений.
Успешное развитие современной прецизионной техники, повышение требований к точности обработки и качества поверхностей деталей машин и приборов, повышение скоростей и нагрузок, широкое применение в технике твердых сплавов, труднообрабатываемых сталей и искусственных материалов немыслимы без широкого использования алмазов в промышленности. Применение их особенно эффективно при обработке наиболее твердых труднообрабатываемых материалов: твердых сплавов, полупроводников, закаленных сталей, керамики и др.
Технологические особенности эффективного применения инструментов из СТМ обусловлены спецификой их физико-механических свойств и высокой стоимостью. Поэтому при внедрении такого инструмента целесообразно проводить технико-экономическое обоснование области применения и выбора режимов резания методом оптимизации с наложением технических ограничений на показатели процесса. Основой такого подхода является установление зависимости основных показателей процесса резания, например, сил резания, температуры резания, периода стойкости инструмента и режимов обработки: глубины, подачи, скорости, твердости обрабатываемого материала, геометрии инструмента.
Высокоскоростная обработка резанием деталей из черных и цветных металлов является новой прогрессивной технологией, которая в данное время интенсивно разрабатывается и внедряется в практику. Высокоскоростным стоит считать резание, при котором скорость вырастает в 10 и более раз по сравнению с уровнем, который установился для данного обрабатываемого материала. Уровень скоростей резания сталей и чугунов в машиностроении в настоящее время составляет 100-300 м/мин, а закаленных сталей на порядок ниже. Рост скорости ограничивается теплофизическими характеристиками традиционных инструментальных материалов – твердых сплавов и быстрорежущих сталей.
Вместе с тем, только скорость резания может служить реальным источником существенного повышения производительности и снижения себестоимости обработки, потому что благодаря усовершенствованию заготовительных операций сокращаются допуски, и значения глубины резания имеют тенденцию к уменьшению. Важной предпосылкой для развития высокоскоростного резания является автоматизация процессов и оборудования, что позволяет реализовать скорости 500 - 5000 м/мин и более на современных станках с ЧПУ, которые обрабатывают в центрах и автоматических линиях.
Раньше при работе на универсальных станках с ручным управлением это было практически невозможно не только по техническим причинам, но и в связи со сложностями обеспечения требований техники безопасности и преодоления психологического барьера у станочников. Увеличение на порядок скоростей резания возможно только на базе создания и внедрения качественно новых инструментальных материалов, которые владеют соответствующими теплофизическими характеристиками. Это синтетические сверхтвердые материалы на основе поликристаллических алмазов (PCD), кубического нитрида бора (PCBN) и керамические материалы на основе А1203 и Si2N2.
Высокие твердость и износостойкость при t=1000-1200oC PCBN и керамических материалов позволяют обрабатывать изделия при скоростях резания на порядок выше скоростей, которые допускаются при использовании твердосплавного инструмента. Однако сниженные, сравнительно с твердосплавным инструментом, прочностные характеристики ограничивали до недавнего времени область применения инструмента из PCBN и керамики получистовой и чистовой обработкой чугуна и стали, причем в основном при безостановочном точении. Усовершенствование технологии производства PCBN и керамики, а также появление на рынке инструментальных материалов керамики на основе Si позволило расширить область применения PCBN и керамики на получистовую, а в отдельных случаях и на черновую обработку.
Одной из основных разработок последних лет по повышению качества алмазных инструментов машиностроительного применения является технология металлизации алмазных порошков. Технология позволяет получить достаточно крепкие Ni- и Cu-покрытие на алмазных порошках зернистостью от 1000 мкм до 40 мкм. При этом величина покрытия может плавно изменяться от 10% до 75% прироста веса в зависимости от назначения алмазного инструмента. Отличительной чертой технологии является тот факт, что для ее реализации не требуются высокодефицитные дорогие химические реагенты. Инструментальные материалы данных классов, которые выпускаются в настоящее время, а также керамика на основе А1203, армированная нитевидными монокристаллами Si в количестве до 30 - 40% имеют достаточно высокую прочность на изгиб и вязкость разрушения.
Основная область применения инструмента из PCBN - это чистовая и получистовая обработка серых, высокопрочных и беленых чугунов и закаленных сталей, в основном в условиях автоматизированного производства на базе станков с ЧПУ, многоцелевых станков, автоматических линий, специальных скоростных станков. Инструменты из PCD используются для точения, растачивания, резания и фрезерования сплавов на основе алюминия и меди, композиционных неметаллических материалов, твердых вольфрамокобальтовых сплавов.
Нитридная керамика на основе Si отличается высоким сопротивлением к знакопеременным нагрузкам, повышенной ударной прочностью. Основной областью применения нитридной керамики является обработка серых чугунов с пластинчатым графитом с высокими скоростями резания. Она рекомендуется для точения с ударом и неравномерным допуском (v = 300-800 м/мин, глубина резания до 3 мм), для предварительного и получистового фрезерования (v = 400- 1200 м/мин, глубина резания до 4 мм). Однако при получистовом фрезеровании серого чугуна уже при скорости v=1000 м/мин имеет место несомненное преимущество PCBN перед керамическими материалами на основе Si.
Новая керамика на основе А1203, которая имеет повышенные прочностные характеристики, рекомендуется для обработки серых чугунов (со скоростью до 600 м/мин) и сталей (со скоростью до 500 м/мин), а также закаленных сталей. Пластины размером 15,875 х 8 мм позволяют вести обработку незакаленных сталей и серых чугунов с глубиной резания до 6-8 мм. Повышенные прочностные характеристики армированной керамики на основе А1203, позволяют расширить область ее применения при прерывистой обработке. Данная керамика рекомендуется также для обработки никелевых сплавов.
Разработано и выпускается широкая номенклатура инструмента из PCBN, PCD и керамика для высокоскоростного резания:
Инструменты могут оснащаться как напайными режущими элементами (цилиндрические и прямоугольные вставки, твердосплавные многогранные пластины с напайкой в одной из вершин PCBN или PCD), так и переменными круглыми или многогранными пластинами цельной или двухслойной конструкции. К инструменту с пластинами из PCD предъявляются повышенные требования по твердости конструкции, точности изготовления (особенно для многозубого инструмента, в том числе торцевых фрез) и качества опорных и базовых поверхностей гнезд под пластины, что связано с высокой стоимостью пластин. Наиболее эффективное использование пластин PCD при высокоскоростном торцевом чистовом фрезеровании алюминиевых сплавов и цветных металлов обеспечивают высокоскоростные фрезы, ориентация положения пластин в которых осуществляется в осевом, радиальном и угловом направлениях.
Угловая ориентация позволяет поставить режущие кромки пластин параллельно обрабатываемой поверхности, что на операции чистового точения обеспечивает необходимую точность и шероховатость поверхности. Соединение механизмов радиальной и угловой ориентации в один механизм обеспечивает значительное упрощение конструкции и технологии изготовления инструмента. Торцевые фрезы данной конструкции, оснащенные специальными фрезерными пластинами с фасками из PCD которые обеспечивают торцевое битье кромок в пределах 0,005 мм, радиальное битье 0,01 мм и угловое положение 2o. Это дает возможность на операциях высокоскоростного чистового фрезерования достичь максимальной производительности при высокой точности обработки и низкой шероховатости обработанной поверхности. К преимуществам данной конструкции также принадлежит компактность и надежность механизма тонкой регуляции битья кромок, который обеспечивает равномерную нагрузку зубьев, и, следовательно, надежную работу пластин из PCD. Диаметры фрез 160-400 мм, z = 8-20, положительные осевой и радиальный передние углы + 4°.
Повышение производительности и качества обработки плоскостей чугунных, а также закаленных стальных деталей на современном автоматизированном оборудовании обеспечивается внедрением гаммы торцевых фрез d=20-800 мм с механическим креплением сменных пластин из PCBN и керамики различных марок. При обработке серых высокопрочных чугунов повышение производительности обеспечивается за счет использования высокоскоростного точения со скоростью v =500-3000 м/мин. Следовательно, при высокоскоростном торцевом фрезеровании чугунных корпусных деталей на станках типа «обрабатывающий центр» кассетными регулируемыми фрезами с пластинами из PCBN различных марок и форморазмеров обеспечивается повышение производительности резания и стойкости инструмента в 3-6 раз.
Для растачивания отверстий в корпусных деталях из чугунов любой твердости используются головки расточные регулируемые с переменными пластинами из PCBN. Головки используются в условиях автоматизированного производства, на специальных станках, автоматических линиях, станках с ЧПУ, гибких производственных модулях и системах. Режимы резания, которые рекомендуются: скорость 500-800 м/мин; подача 0,05...0,3 мм; глубина 0,5...2,0 мм.
Использование СТМ также очень распространено при шлифовании. Например, для обработки многогранных твердосплавных пластин используются специальные круги [20]. Разнообразие кругов, их свойства и области применения рассматривались многими учеными [21], [22], [23], [24]. Экономический эффект от внедрения инструмента из PCD, PCBN и керамики при высокоскоростной обработке деталей из черных и цветных металлов обеспечивается за счет увеличения скорости резания в 5-15 раз и производительности обработки в 1,5-4 раза, а в некоторых случаях до 6-10 раз; повышение качества обработанной поверхности и увеличение стойкости инструмента как минимум на порядок, а для инструментов из PCD до 50 - 100 раз, а также за счет замены шлифования высокотвердых деталей лезвийной обработкой.
Одной из основных предпосылок повышения качества деталей и точности обработки труднообрабатываемых конструкционных материалов является создание и эффективное применение новых сверхтвердых материалов, в связи с чем, оптимизация процессов механической обработки с использованием инструментов из сверхтвердых материалов весьма актуальна.
Сверхтвердые материалы на основе сверхтвердых модификаций нитрида бора, немного уступая алмазу по твердости, характеризуются высокой термостойкостью, которая достигает 15000С, высоким сопротивлением термическим ударам и циклическим нагрузкам, а также слабым химическим взаимодействием с железом. Установлено, что в процессе резания эльборовыми резцами стружкообразование, силы резания и тепловые явления имеют специфические особенности. На усадку стружки, кроме скорости резания, подачи и твердости обрабатываемого материала, большое влияние оказывает износ резца. При обработке эльборовыми резцами закаленных сталей возникают высокие удельные силы и температуры резания, при которых резец достигает в некоторых случаях красностойкости. Они влияют не только на стойкость инструмента, но и на точность и качество поверхностного слоя деталей через термические деформации.
Несмотря на достаточно большое количество исследований по использованию инструментов из сверхтвердых материалов, вопросы регламентации рациональной области их применения и расчеты оптимальных режимов резания остаются достаточно актуальными.
Одним из наиболее распространенных методов оптимизации в настоящее время является метод линейного программирования, позволяющий осуществлять одновременную оптимизацию скорости резания и подачи с учетом действующих при резании ограничений по критерию максимальной производительности. Для линейной целевой функции и линейных ограничений достаточно хорошо разработан и широко используется графический метод поиска оптимальных режимов резания. Несмотря на простоту и наглядность, этот метод не позволяет теоретически анализировать получаемые результаты в зависимости от условий обработки. Выполненные в этом направлении разработки не учитывают особенностей функционирования инструментов из сверхтвердых материалов.
Цель представляемой работы – установить взаимосвязь оптимальных режимов резания с условиями механообработки и показателями качества обработанной поверхности при токарной обработке инструментами из сверхтвердых материалов.
Целевая функция - производительность обработки, максимум которой достигается при минимуме основного времени, или максимуме произведения n∙s→max (n, s - частота вращения и подача).
При токарной обработке инструментами из сверхтвердых материалов рассматриваются ограничения по возможностям режущего инструмента, по предельно допустимой шероховатости обработанной поверхности Raдоп, по предельно допустимой температуре резания Qдоп, кинематические ограничения, которые могут быть представлены в следующем виде:
В результате линеаризации целевой функции и ограничений путем логарифмирования определена математическая модель процесса резания при токарной обработке инструментами из сверхтвердых материалов, выраженная системой линейных неравенств, графически представленных рис. 1:
Примеры определения оптимальных режимов резания приведенные для тонкой токарной обработки вала диаметром D=200мм, длиной L =300мм из стали Р18 (НRC 62...64) и из стали 45 ХВГ (НRC 60...62) резцами из эльбора (геометрические параметры: передний угол 5°, радиус при вершине r = 0,5мм; стойкость T = 300мин., глубина резания t = 0,5мм); шероховатость обработанной поверхности Raдоп = 0,32 мкм.
Для заданных условий обработки принятые следующие коэффициенты и показатели:
коэффициенты и показатели, характеризующие степень влияния глубины, подачи и стойкости на скорость резания: CV =2,933 103; KV = 1,1 (Р18); KV = 1,2 (ХВГ); xv= 0,182; yv= 0,303; m = 0,606 [2];
коэффициенты и показатели, которые характеризуют степень влияния подачи, переднего угла, радиуса при вершине и скорости v на шероховатость обработанной поверхности: k0= 0,68; k1=0,77;k2= 0,28; k3=0,24; k4= 0,56;
коэффициенты и показатели, которые характеризуют степень влияния глубины, подачи и стойкости на температуру резания:
- для стали Р18: Ct =278; xt = 0,08; yt= 0,23; nt = 0,42; Qдоп= 1000°С;
- для стали ХВГ:Ct =490; xt = 0,09; yt= 0,12; nt = 0,2; Qдоп= 800°С.
С их учетом определены следующие значения параметров bi:
- для стали Р18: b1= 5,213; b2 = -2,932; b3= -2,996; b4= 1,03; b5= 2,526; b6 = 7,601;
- для стали ХВГ: b1 = 5,3; b2= -2,932; b3 = -2,996; b4 = 1,03; b5 = 2,526; b6 = 7,601.
На рис. 1 графически представленная схема определения оптимальных режимов резания тонкой токарной обработки стали ХВГ и стали Р18.
Точка С в многоугольниках АВС, в которой целевая функция принимает максимальное значение, является точкой пересечения ограничений по возможностям режущего инструмента и по допустимой температуре резания, когда максимально допустимое из условий структурно-фазовых преобразований обрабатываемой поверхности температура для стали ХВГ Qдоп= 800°С; в то же время она является точкой пересечения ограничений по возможностям режущего инструмента и по предельно допустимой шероховатости обработанной поверхности, когда максимально допустимая из условий структурно-фазовых преобразований обрабатываемой поверхности температура для стали Р18 Qдоп= 1000°С.
Для заданных условий механообработки определены следующие результаты расчета оптимальных режимов резания:
Согласно паспортным данным станка принятые следующие режимы резания: nопт = 315об/мин; sопт= 0,15мм/об; vопт = 200м/мин.
На основании выполненного анализа ограничений, для любых условий токарной обработки инструментами из сверхтвердых материалов оптимальная подача и скорость резания могут быть определены следующим образом:
Таким образом, с использованием метода линейного программирования установлены аналитические взаимосвязи оптимальных режимов резания с условиями механообработки и показателями качества обработанной поверхности при токарной обработке инструментами из сверхтвердых материалов с учетом весьма важных для них температурных ограничений. На основании полученных результатов разработаны рекомендации по выбору оптимальных режимов резания в любых условиях токарной обработки инструментами из сверхтвердых материалов.
Технологические особенности эффективного применения инструментов из СТМ обусловлены спецификой их физико-механических свойств и высокой стоимостью. Основная классификация поликристаллических сверхтвердых материалов приведена в табл.1.
Уступая твердым сплавам по прочности, СТМ имеют значительное преимущество по твердости и термостойкости, что и определяют их высокую износостойкость при высоких скоростях резания и безударной нагрузке. Резцы предназначены для чистовой и получистовой обработки деталей из чугуна и закаленных сталей, а также из цветных сплавов на основе меди на специальных станках, станках с ЧПУ и гибких производственных модулях в условиях автоматизированного производства. Наиболее полно и эффективно инструмент из СТМ применяют при обработке чугуна.
В данной работе применяются резцы с эльборовыми пластинами. Эльбор – уникальный инструментальный материал, который совмещает высокую твердость с высокой температурной стойкостью (1300°С сравнительно с 650° С у алмаза) и химической инертностью[13]. Благодаря этим свойствам инструменты из эльбора значительно эффективнее алмазных инструментов при обработке закаленных сталей, а также жаропрочных и титановых сплавов. Высокая стоимость инструментов из эльбора с избытком перекрывается повышенной стойкостью и отсутствием брака.
Проведен анализ существующих методов повышения качества поверхностей деталей, в том числе экологически чистых технологических методов на основании использования новых методов высокоскоростной обработки.
Доказана возможность и экономическая целесообразность достижения этого уровня свойств с использованием прогрессивных методов обработки – тонкого точения.
Рассмотрены вопросы современного состояния проблемы применения сверхтвердых материалов, в том числе новых марок инструментальных материалов, конструкций инструментов и регламентов их использования.