Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Анализ литературных данных и постановка задач исследований 10
1.1 Особенности обрабатываемости деталей из алюминиевых сплавов при наружном точении 10
1.2 Использование СОТС для повышения обрабатываемости деталей из алюминиевых сплавов при наружном точении 15
1.3 Особенности электрохимической обработки наружных поверхностей деталей из алюминиевых сплавов 18
1.4 Повышение эффективности механической обработки электрическим воздействием при наружном точении 24
1.5 Износостойкость режущего инструмента при обработке деталей из алюминиевых сплавов 29
Выводы 35
Глава 2 Методика проведения исследований 36
2.1 Объект исследований, приборы и оборудование 36
2.2 Построение эксперимента для получения модели процесса формирования поверхности и исследование степени влияния факторов, воздействующих на формирование качества поверхности 38
2.3 Планирование эксперимента для получения модели процесса формирования поверхности. Полный факторный эксперимент .39
2.4 Оптимизация шероховатости поверхности с помощью полного факторного эксперимента 42
2.4.1 Требования для оптимизации 42
2.4.2 Анализ с несколькими выходными параметрами 44
2.4.3 Характеристика факторов и требования к ним з
2.5 Выбор математической модели формирования качества поверхности ВЫВОДЫ 49
ГЛАВА 3 Теоретические и экспериментальные исследо ваниялезвийной анодно–механической обработки заготовок из алюминиевых сплавов 50
3.1 Анализ существующих схем токарной лезвийной анодно–механической обработки 50
3.2 Формирование параметров шероховатости детали при лезвийной токарной анодно–механической обработке 57
3.3 Влияние режимов лезвийной токарной анодно–механической обработки на шероховатость обработанной поверхности деталей из алюминиевых сплавов 59
Выводы 80
ГЛАВА 4 Разработка математической модели и оптими зация условийлезвийной токарной анодно–механической обработкизаготовок из алюминиевых сплавов 81
4.1 Разработка математической модели формирования шероховатости поверхности деталей из алюминиевых сплавов при лезвийной токарной анодно– механической обработке 81
4.2 Критерии оптимизации условий формирования качества поверхности деталей из алюминиевых сплавов 85
4.3 Требования, предъявляемые к критериям оптимизации условий формирования качества поверхности деталей из алюминиевых сплавов при лезвийной токарной анодно–механической обработке 86
4.4 Решение задачи с несколькими выходными параметрами при определении критериев оптимизации условий формирования качества поверхности деталей из алюминиевых сплавов при лезвийной токарной анодно– механической обработке 87
4.5 Характеристика факторов, влияющих на критерии оптимизации качества при проведении эксперимента, и требования к ним 89
4.6 Планирование эксперимента, выбор факторов, влияющих на критерий оптимизации качества поверхности деталей из алюминиевых сплавов 90
4.7 Полный факторный эксперимент по исследованию формирования поверхности деталей из алюминиевых сплавов при лезвийной токарной анодно– механической обработке 94
4.8 Оптимизация условий обработки деталей из алюминиевых сплавов на операциях развёртывания при лезвийной анодно–механической обработке.106
4.8.1 Экспериментальные результаты на операциях развёртывания при лезвийной анодно–механической обработке 107
4.9 Планирование эксперимента, выбор факторов, влияющих на критерий оптимизации шероховатости поверхности на операциях развёртывания при лезвийной анодно–механической обработке 112
Выводы 121
ГЛАВА 5 Исследование стойкости режущего токарного инструмента при лезвийной анодно–механической обработке 122
5.1 Размерный износ режущего токарного инструмента при чистовой лезвийной анодно–механической обработке 125
5.2 Стойкость режущего токарного инструмента при лезвийной анодно– механической обработке на черновых режимах резания .121
Выводы 132
Заключение 133
Список сокращений и условных обозначений 135
Список литературы
- Особенности электрохимической обработки наружных поверхностей деталей из алюминиевых сплавов
- Планирование эксперимента для получения модели процесса формирования поверхности. Полный факторный эксперимент
- Влияние режимов лезвийной токарной анодно–механической обработки на шероховатость обработанной поверхности деталей из алюминиевых сплавов
- Требования, предъявляемые к критериям оптимизации условий формирования качества поверхности деталей из алюминиевых сплавов при лезвийной токарной анодно–механической обработке
Особенности электрохимической обработки наружных поверхностей деталей из алюминиевых сплавов
В настоящее время алюминиевые сплавы благодаря своим физико-механическим свойствам (высокая прочность, достаточная коррозионная стойкость и малый удельный вес) нашли широкое применение в различных отраслях современного машиностроения.
Алюминиевые сплавы при обработке резанием вызывают интенсивные адгезионные явления, вследствие их повышенной вязкости [83]. Это приводит к интенсивному налипанию обрабатываемого материала на рабочие поверхности режущего инструмента и негативно влияет на его стойкость и шероховатость обработанной поверхности [2,20,83].
Алюминиевые сплавы обладают достаточно хорошей обрабатываемостью, но при их лезвийной обработке получается достаточно низкая шероховатость обработанной поверхности [35,98], а также при сухой (без применения СОЖ) чистовой обработке возникают значительные тепловые деформации [7,101].
Значительный вклад в исследовании влияния условий резания на обработку алюминиевых сплавов внесли А.Т. Туманов, Б.А. Колачев, В.К. Худяков, В.М. Белецкий, Г.А. Кривов, Г.И. Грановский, И.А. Колобнев, И.В. Пименов, М.В. Альтман, М.Б. Гордон, М.Е. Дрица, О.А. Романова, С.И. Алаи, С.И. Коря-гин, У. Болтон и др.
Анализ литературы показал перспективность использования комбинированного способа электромеханической обработки алюминиевых сплавов с целью улучшение шероховатости обработанной поверхности. Работы В.Н. По дураева, А.А. Шишкина, А.Л. Винницкого, В.Н. Кускова, И.М. Ковенского, И. В. Кулешова, Н.Н. Прохорова и др. показали, что совместное механическое и электрохимическое воздействие значительно повышает эффективность процесса обработки. Однако эти работы посвящены комбинированной абразивной и электрохимической обработке. Но работы Цыпкина, Е.Н. и Иноземцева, В.Е. показали эффективность комбинированной лезвийной и электрохимической обработки.
Литературные данные по обработке алюминиевых сплавов резанием немногочисленны. В целом всеми исследователями отмечена гораздо лучшая обрабатываемость их по сравнению с черными металлами [73,83], что связано с определенными физико-механическими свойствами: высокая теплопроводность, невысокое сопротивление резанию, относительно низкая ударная вязкость, небольшие значения модулей упругости первого и второго рода, большой коэффициент трения по стали, малый удельный вес. Совокупность этих свойств такова, что, например, температура резания значительно ниже, а пластическая деформация срезаемого слоя (усадка стружки) гораздо больше, чем при обработке черных металлов [79].
Алюминий и его сплавы по обрабатываемости можно разделить на две группы. К первой следует отнести чистый алюминий и его сплавы, не содержащие большого количества кремния (до 3-5 %). В процессе резания этих металлов износ режущих инструментов невелик. Вторая группа- это сплавы, литые с относительно высоким содержанием кремния (до 9 % и выше). Твердые включения – силициды – очень сильно изнашивают инструмент [7,79].
Низкая температура резания является, очевидно, основной причиной того, что при обработке алюминиевых сплавов стойкость режущих инструментов значительно выше, чем при резании сталей [14,27].
При использовании любых инструментальных материалов обработка алюминия отличается высокой скоростью резания и стойкостью инструмента [79]. Однако при обработке алюминия наблюдается образование нароста при скорости резания 1,5м/с. Поэтому рекомендуемые значения скорости резания при обработке алюминиевых сплавов обычно составляют 1,5-15м/с [20,62,79]. В целом закономерности формирования шероховатости при точении алюминиевых сплавов резцами из разных инструментальных материалов одни и те же, однако, каждый конкретный инструментальный материал имеет свои особенности обработки [3,62,79].
Высокие скорости резания при обработке сплавов на основе алюминия могут быть применены без существенной опасности теплового повреждения инструмента, поскольку в этих случаях температура резания не настолько высока, чтобы вызвать ускоренный износ инструмента [79].
Проведенные при обработке алюминиевых сплавов исследования показали [30,82,84], что сопротивление обрабатываемого материала пластическому сдвигу в адиабатических условиях резания мало зависит от скорости деформации. Предлагается считать, что высокоскоростная обработка происходит при таких скоростях, когда на резце полностью исчезает нарост, и далее до скоростей, обеспечивающих минимальное значение силы. Дальнейшее повышение скорости приводит уже к росту силы резания из-за действия инерционных сил, и в таких условиях происходит сверхскоростная обработка [84].
Ряд исследований [19,20,108] показал, что при высокоскоростном резании действующие на инструмент силы стабилизируются. При высокоскоростном резании в плоскости сдвига имеет место экстремальная скорость деформации. Подобная нестабильность обусловлена сочетанием теплового размягчения и упрочнения материала в плоскости сдвига. Исследователи не всегда единодушны относительно механизма образования тепла в плоскости сдвига. В качестве объяснения выдвигают теорию пластической деформации, теорию дислокаций, волны напряжения, ударные процессы, динамическое разрушение или пластическое течение.
Планирование эксперимента для получения модели процесса формирования поверхности. Полный факторный эксперимент
Установлено, что условия лезвийной анодно–механической обработки способствуют изменению структуры поверхностного слоя обрабатываемого материала. В процессе данной работы проведено множество опытов, подтверждающих влияние на изменения в поверхностном слое таких факторов, как: напряжение, величина тока, концентрация раствора, скорость резания, подача, глубина резания, материал применяемого инструмента, величина радиуса вершины резца, геометрия режущего инструмента, жёсткость системы СПИД.
Первоначальной задачей в процессе исследования качества поверхности силуминов при лезвийной анодно–механической обработке являлось определение возможностей получения оптимальной шероховатости поверхностного слоя, максимально приближенного к заданному техническими требованиями, при обработке тем или иным инструментальным материалом. В процессе обработки были выбраны те скоростные режимы, которые рекомендовались для каждого вида материала соответственно.
Как показали результаты обработки, наиболее близкие значения к техническим требованиям были получены с применением твердосплавного резца с чашечным резцом из твёрдого сплава Т5К10, чистота полученной поверхности превышала требуемое значение.
Дальнейшее исследование проводилось с применением твёрдосплавного режущего инструмента. При проведении практических экспериментов рассматривались различные комбинации напряжения, величины тока, скорости обработки, подачи, глубины резания, величины радиуса при вершине режущего инструмента. По окончании практической части работы проводились замеры шероховатости полученной поверхности. Кроме того, проводились повторные эксперименты, характеризующиеся соблюдением определённой комбинации условий обработки. Целью данных исследований является выяснение характера взаимодействия различных комбинаций исходных факторов, влияющих на качество поверхностного слоя при обработке, совокупность которых представляет условия процесса резания.
В настоящее время в научно-исследовательских работах одновременно с физическими моделями всё большее распространение получают абстрактные математические модели [1,57]. Планирование эксперимента напрямую имеет связь с разработкой и исследованием математической модели объекта исследования. Планирование эксперимента – это процедура выбора числа и условий проведения опытов, необходимых и достаточных для решения поставленной задачи с требуемой точностью. Здесь существенно следующее: - стремление к минимизации общего числа опытов. - одновременное варьирование всех переменных, определяющих процессов, по специальным правилам – алгоритмам. - использование математического аппарата, формализующего многие действия экспериментатора. - выбор четкой стратегии, позволяющей принимать обоснованные реше ния после каждой серии экспериментов. Задачи, для решения которых может использоваться планирование эксперимента, чрезвычайно разнообразны. К ним относятся: поиск оптимальных условий, построение интерполяционных формул, выбор существенных факторов, оценка и уточнение констант теоретических моделей, выбор наиболее при 40 емлемых из некоторого множества гипотез о механизме явлений, исследование диаграмм состав – свойство и т.д. Поиск оптимальных условий является одной из наиболее распространенных научно-технических задач. Они возникают в тот момент, когда установлена возможность проведения процесса и необходимо найти наилучшие (оптимальные) условия его реализации.
Для проведения планирования эксперимента необходимо иметь объект исследования [1,57]. Для его описания удобно пользоваться представлением о кибернетической системе, которую называют чёрным ящиком. Стрелки справа изображают численные характеристики целей исследования. Они представляют выходные параметры, обозначаются (у) и называются параметрами оптимизации. В литературе встречаются другие названия: критерий оптимизации, целевая функция, выход «черного ящика» и т.д.
Для проведения эксперимента необходимо иметь возможность воздействовать на поведение черного ящика. Все способы такого воздействия принято обозначать (х) и называть факторами. Их называют также входами «черного ящика» [1]. Представление математической модели в виде чёрного ящика показано на рисунке 2.2. Рисунок 2.2 - Математическая модель - «черный ящик» Под математической моделью понимается уравнение, связывающее параметр оптимизации с факторами. Это уравнение в общем виде можно записать так: Y = p(x,x,x ,хЛ (2.1) где - является функцией отклика. Геометрический аналог функции отклика -поверхность отклика.
Каждый фактор [1,56] может принимать в опыте одно из нескольких значений. Эти значения называются уровнями. Для облегчения построения «черного ящика» и эксперимента фактор должен иметь определенное число дискретных уровней. Фиксированный набор уровней факторов определяет одно из возможных состояний «черного ящика». Одновременно это есть условие проведения одного из возможных опытов. Если перебрать все возможные наборы состояний, то получается множество различных состояний «черного ящика». Одновременно это будет число возможных различных опытов.
Число возможных опытов определяют по выражению [1]: N = рк (2.2) где: N - число опытов; р - число уровней; к - число факторов. Выполнение исследований посредством планирования эксперимента требует выполнения некоторых требований. Основными из них являются условия воспроизводимости результатов эксперимента и управляемость эксперимента. Если повторить некоторые опыты через неравные промежутки времени и сравнить результаты, в нашем случае - значения параметра оптимизации, то разброс их значений характеризует воспроизводимость результатов. Если он не превышает некоторой заданной величины, то объект удовлетворяет требованию воспроизводимости результатов. Планирование эксперимента предполагает активное вмешательство в процесс и возможность выбора в каждом опыте тех уровней факторов, которые представляют интерес, поэтому такой эксперимент называют активным. Объект, на котором возможен активный эксперимент, называется управляемым.
Влияние режимов лезвийной токарной анодно–механической обработки на шероховатость обработанной поверхности деталей из алюминиевых сплавов
При использовании третьей схемы лезвийной АМО удаление обрабатываемого материала происходит в две стадии, которые реализуются последовательно. Сначала идет удаление с образованием стружки, затем анодное растворение обрабатываемого материала.
При этом большое влияние на формирующийся рельеф поверхности оказывают условия обработки и состояния используемого технологического оборудования, а также эффективность используемой СОТС [42, 57, 90].
На втором этапе происходит анодное растворение в новой оборудованной поверхности, обработанной перед этим механическим методом.
Известно [17], что ЭХО, обеспечивающая процесс анодного растворения, эффективно снижает высоту микронеровностей обрабатываемой поверхности, определяющую величину шероховатостей последней. Этот параметр качества поверхности определяет эксплуатационные свойства деталей, а именно фрикционные и прочностные (усталостные) свойства [56, 61].
При использовании ЭХО реализуется механизм анодно-анионной активации (ААА) в среде водных нейтральных растворах неорганических солей [39,65].
Получаемая при этом шероховатость зависит от состава и концентрации электролита, а также параметров налагаемого электрического поля (сила и напряжение тока). Эти параметры определяют образующийся в процессе ЭХО микрорельеф обработанной поверхности через «образование поверхностных пленок, имеющих различную растворимость и полупроводниковую проводимость разного типа и приводящих к разной степени пассивации. Проведение процесса анодного растворения в потенциостатическом режиме способствует выравниванию микронеровностей и уменьшает погрешность формообразования» [5,16,82].
В процессе предварительной механической обработки деталей особенно обладающих сложной конфигурацией на обработанной поверхности формируется градиент остаточных напряжений [79]. Это определяет формирование неоднородности свойств на поверхности и ухудшает эксплуатационные характеристики детали. Последующая ЭХО в результате анодного растворения обрабатываемого материала нивелирует образующуюся неоднородность в слое снимаемого при этом припуска.
В процессе анодного растворения происходит пассивация обработанной поверхности из-за интенсивного её окисления [13,33,45]. Особенно это характерно для алюминиевых сплавов, которые имеют большое сродство к кислороду [44, 71]. Так как образование пленки происходит неравномерно, то и производительность процесса анодного растворения по обрабатываемой поверхности будет неравномерной.
Это объясняется тем, что сопротивление окисных пленок препятствует импульсу тока вплоть до его прекращения [29,38]. Таким образом, окисление обрабатываемой поверхности приводит к значительному уменьшению производительности процесса ЭХО и ухудшение шероховатости обработанной поверхности. Кроме того, окисление поверхности деталей из алюминиевых сплавов происходит в обычной воздушной атмосфере и в процессе предварительной механической обработки, предшествующей ЭХО. Использование третьей схемы лезвийной АМО обеспечивает эффективную комбинацию механического и электрохимического воздействия на обрабатываемую поверхность. Предварительная механическая обработка обеспечивает эффективное удаление окислов с поверхности обрабатываемой детали. А практически сразу начавшийся процесс анодного растворения в результате ЭХО не дает возможности образования окисного слоя на обрабатываемой поверхности. Это обеспечивает большую производительность ЭХО. Равномерное растворение обрабатываемого поверхностного слоя обеспечивает улучшенную шероховатость формирующейся при этом поверхности. Высота микронеровностей определяется по формуле Rш = Ra(мех) - Ra(эхо) (3.1) Rш = высота микронеровностей поверхности после лезвийной АМО Ra(мех) = высота микронеровностей снимаемая при механической об работке Ra(эхо) = высота микронеровности снимаемая при электрохимической обработке.
Требования, предъявляемые к критериям оптимизации условий формирования качества поверхности деталей из алюминиевых сплавов при лезвийной токарной анодно–механической обработке
Рациональный выбор режимов обработки, использование режущего инструмента с минимальным радиусом при вершине способствуют уменьшению шероховатости на обработанной поверхности силуминов. В процессе резания с применением раствора электролита имеется возможность регулировать параметры обработки деталей. С помощью изменения значений выходного напряжения, а также изменения концентрации присадки в виде раствора и изменения соотношения присадки, возможно, оказывать влияние на скорость травления, регулировать толщину удаляемого слоя материала. Необходимо учитывать, что процесс комбинированной обработки также необходимо строго контролировать, так как полученный результат зависит от скорости резания, концентрации электролита, напряжения и величины тока материала.
Заготовки, подвергаемые травлению, выбираются одного размера. Факторами, изменение которых оказывает влияние на формирование шероховатости поверхностного слоя при лезвийной анодно–механической обработке, являются: входное напряжение, величина тока, концентрация добавляемого раствора и скорость резания. При проведении текущих экспериментов был использован метод, сочетающий в себе как механическую чистовую обработку, так и электрохимическое травление.
Процесс самой обработки заключается в проведении операции резания, при которой во время обработки в зону контакта режущего инструмента и поверхности заготовки подаётся электролит без предварительной подготовки поверхности. Подача электролита осуществляется таким образом, чтобы охватить зону контакта «инструмент – заготовка» и участок поверхности после зоны контакта. Время на лезвийной анодно–механической обработку в таком случае ограничивается режимами электрохимической обработки и длиной обрабатываемой поверхности.
Учитывая, что длина заготовок из силумина составляет около 70мм, весь процесс лезвийной анодно–механической обработки резанием и травлением длится менее полутора минут. При таких условиях для достижения требуемых значении шероховатости поверхности силуминов необходимо использовать высокую концентрацию раствора хлорида натрия NaCl, с добавлением нитрита натрия NaNO3, а также относительно высокий электрический ток. Необходимо также учитывать, что в условиях такой обработки нежелательно подавать в зону резания слишком большую струю электродов, так как жидкость будет распространяться одновременно на большой участок поверхности заготовки. В результате одна часть электролита будет попадать на поверхность, ещё необработанную режущим инструментом, а другая часть раствора будет более длительное время воздействовать на обработанный участок поверхности силуминов, который подвергается чистовой обработке в первую очередь, что приведёт к перетравливанию этого участка. Кроме этого, необходимо обеспечить надёжный контакт заготовки с анодом, в качестве которого служит провод из нержавеющей стали, катодом является стержень из меди, имеющий диаметр около 3 мм. Катод находится в ёмкости с электролитом, к которой подсоединяется также насос для стабилизации давления в ёмкости с раствором электролита. Ёмкость располагается рядом с обрабатываемой заготовкой, подача раствора на обработанную поверхность осуществляется через шланг, выходная горловина которого закреплена над зоной обработки. В процессе комбинированного способа чистовой обработки рассматривались различные условия, оказывающие воздействие на обрабатываемую поверхность силуминов, а также их влияние на формирование шероховатости поверхности. В условиях такого резания варьировались такие параметры, как: концентрация раствора NaCl, добавляемого в электролит, скорость резания, напряжение источника питания.
Сама установка для лезвийной анодно–механической обработки, её схема описываются во второй главе.
В результате проведённой обработки резанием с электролитом удаляемый с поверхности деталей слой материала составил около 70 мм, среднее время комбинированной обработки составило около 90 секунд. Заготовки трави 74 лись в растворе из NaCl на водной основе с разной концентрацией реактива в воде, которая имела соотношение: 200, 300 и 400 г/литр.
Лезвийная анодно–механическая обработка твёрдосплавным инструментом подвергались заготовки из АЛ2. Заготовки обрабатывались в течение равного времени на обработку, но при разных значениях тока и напряжения, при различной выдержке интервала времени комбинированного процесса точения и травления, но при одном значении тока и напряжения. Кроме этого, часть заготовок подверглась обработке в условиях разной концентрации водного раствора хлорида натрия NaCl (20%, 30%, 40%), оставшиеся заготовки были обработаны при постоянном значении напряжения, тока, концентрации применяемого раствора хлорида натрия, но на разных скоростях, то есть при изменяющемся интервале времени на операцию.
Все экспериментальные данные, полученные в результате лезвийной анодно–механической обработки, были достигнуты при значениях напряжения, которые изменялись соответственно в диапазонах 12– 24В.
Наилучшие результаты обработки были получены при значении напряжения 24В. При этом наилучшее значение шероховатости поверхности силуминов после обработки составило около Ra= 0,57 мкм, процесс резания с применением электрода длился в течение 60секунд.
Исследование результатов процесса обработки с электролитом показало, что увеличение напряжения в цепи способствует увеличению скорости удаления стружки с поверхностного слоя силуминов. Таким образом, при постоянном времени на операцию процесса обработки с электродом, которое составило 60 секунд и при напряжении 12В была зафиксирована полученная шероховатость поверхности материала около Ra = 0,93мкм, при этом за тот же временной интервал при напряжении 18В шероховатость поверхности силумина составила уже Ra = 0,87мкм.
Из приведённых графиков следует, что уменьшению шероховатости, а значит и съёма поверхностного слоя силуминов способствует повышение на 75 пряжения, проходящего через электрод, а также увеличение концентрации раствора электролита. Помимо перечисленных факторов необходимо учитывать свойства самого материала, подвергаемого механической обработке.
