Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Особенности применения торцовых фрез с керамической режущей частью и диагностирования ее состояния при чистовой обработке деталей из чугунов 13
1.1 Применение инструмента из режущей керамики при торцовом фрезеровании чугунов с повышенными механическими свойствами 13
1.2 Особенности выбора вида режущей керамики при чистовом торцовом фрезеровании деталей из чугунов с повышенными механическими свойствами 18
1.3 Существующие способы диагностирования состояния фрез, оснащенных СМП из режущей керамики, при чистовой обработке 25
Выводы по 1 главе 32
ГЛАВА 2. Исследование эксплуатационных характеристик режущей керамики при торцовом фрезеровании деталей из низколегированных чугунов 34
2.1 Методика проведения исследования 34
2.1.1 Обрабатываемый материал 34
2.1.2 Выбор инструментального материала 35
2.1.3 Станочное оборудование, оснастка и сопутствующая измерительная аппаратура
2.2 Исследование процесса формирования износа на рабочих поверхностях инструмента из смешанной режущей керамики при фрезеровании деталей из низколегированных чугунов 45
2.3 Определение критерия отказа торцовых фрез, оснащенных СМП из смешанной режущей керамики 52
2.4 Влияние износостойких покрытий на эксплуатационные характеристики торцовых фрез, оснащенных СМП из режущей керамики 59
Выводы по 2 главе 67
ГЛАВА 3. Исследование силовых параметров при чистовом торцовом фрезеровании деталей из низколегированных чугунов 69
3.1 Измерение силовых параметров при чистовом торцовом фрезеровании деталей из низколегированных чугунов 69
3.2 Исследование влияния текущего износа на силовые параметры при торцовом фрезеровании с учетом основных факторов фрезерования 78
3.3 Влияние износостойких покрытий на силовые параметры процесса 88
3.4 Установление функциональных зависимостей между факторами торцового фрезерования и силовыми параметрами 90
Выводы по 3 главе 102
ГЛАВА 4. Выявление силового диагностического признака состояния торцовых фрез 103
4.1 Моделирование силовых параметров при чистовом торцовом фрезеровании деталей из низколегированных чугунов 103
4.2 Анализ результатов моделирования силовых параметров с целью их применения в качестве диагностических признаков состояния торцовых фрез 109
4.3 Эффективность применения диагностирования состояния фрез при торцовом фрезеровании деталей из низколегированных чугунов 117
Выводы по 4 главе 121
Заключение 122
Список литературы 125
- Особенности выбора вида режущей керамики при чистовом торцовом фрезеровании деталей из чугунов с повышенными механическими свойствами
- Исследование процесса формирования износа на рабочих поверхностях инструмента из смешанной режущей керамики при фрезеровании деталей из низколегированных чугунов
- Исследование влияния текущего износа на силовые параметры при торцовом фрезеровании с учетом основных факторов фрезерования
- Анализ результатов моделирования силовых параметров с целью их применения в качестве диагностических признаков состояния торцовых фрез
Введение к работе
Актуальность работы. Текущей тенденцией развития отечественного
машиностроения является широкое применение высокотехнологичных металлорежущих станочных комплексов с ЧПУ, использующих высокоинтеллектуальные системы управления и контроля. Производственный опыт эксплуатации металлорежущих станков с ЧПУ показывает, что их эффективность в значительной степени зависит от надежности работы сложной технологической системы, где наиболее слабым звеном по надежности является применяемый режущий инструмент.
Стандартным методом обеспечения надежности работы многолезвийного
инструмента, оснащенного сменными многогранными режущими пластинами (СМП), на станках с ЧПУ является определение времени до смены инструмента исходя из высокой вероятности его безотказной работы, в течение которого вероятность отказа маловероятна. Для этого режимы резания назначаются исходя из предложенных производителем рекомендаций путем их занижения. В результате время резания до смены инструмента всегда меньше среднего времени его работы до отказа, что в совокупности приводит к определенной потере эффективности эксплуатации инструмента за счет занижения режимов резания и повышенному расходу дорогостоящего инструментального материала.
В настоящей работе предлагается в реальном времени диагностировать состояние инструмента по превалирующему признаку (критерию отказа), что обеспечивает более полную выработку ресурса инструмента, а также при необходимости позволяет существенно повысить режимы резания и соответственно производительность обработки.
Одной из распространенных групп инструментальных материалов, обладающей высокой твердостью и теплостойкостью, является режущая керамика. В настоящее время с внедрением новых технологий стало возможным обеспечивать рост эксплуатационных характеристик инструмента из режущей керамики и расширить тем самым область его применения, где особое место занимают торцовые фрезы, предназначенные для фрезерования деталей из чугунов повышенной твердости (HB 360...540).
Однако зависимости параметров процесса торцового фрезерования от его факторов
при обработке деталей из специальных низколегированных чугунов торцовыми фрезами
с СМП из режущей керамики в настоящее время изучены не достаточно, что не позволяет полноценно активно использовать системы диагностирования, встраиваемые в систему ЧПУ.
Таким образом, повышение эксплуатационных показателей торцовых фрез из режущей керамики, посредством применения в реальном времени систем диагностирования является актуальной задачей.
Степень разработанности темы. Диагностированию состояния
металлорежущего инструмента посвятили разработки и исследования отечественные ученые Лоладзе Н.Т., Синопальников В.А., Васильев СВ., Бржозовский Б.М., Кибальченко А.В., Городецкий Б.В., Григорьев С.Н., Гурин В.Д., Козочкин М.П. и др., а также иностранные специалисты W.A. Kline, М. Martelotti, R.E. DeVor, D. Montgomery. В трудах вышеперечисленных авторов даны методические указания по проведению диагностики состояния инструмента, в том числе по выявлению критерия отказа, определению момента отказа по косвенным признакам, к которым относятся различные параметры, сопровождающие процесс резания. Однако диагностирование состояния фрез, оснащенных СМП из режущей керамики при фрезеровании низколегированных чугунов повышенной твердости, где в качестве косвенных признаков используются силовые параметры, ранее практически не изучено и поэтому требует комплексных исследований.
Цель работы состоит в повышении эффективности работы торцовых фрез, оснащенных режущей керамикой, путем диагностирования их состояния по комплексу силовых параметров, включающих осевую, радиальную, тангенциальную составляющие силы резания при чистовом фрезеровании деталей из низколегированного чугуна повышенной твердости (НВ 360...540).
Для достижения цели работы необходимо решить следующие научные задачи:
выявить критерий состояния рабочих поверхностей режущих пластин из режущей керамики с его численным предельным значением при торцовом фрезеровании деталей из низколегированных чугунов повышенной твердости (НВ 360...540);
установить функциональные зависимости между усредненным временем работы до отказа СМП из режущей керамики и скоростью фрезерования как основного фактора, влияющего на стойкость к изнашиванию инструмента при рациональных режимах чистового торцового фрезерования деталей из низколегированных чугунов;
определить степень влияния изнашивания фрез на комплекс силовых параметров, действующих на единичной пластине торцовой фрезы, оснащенной СМП из режущей керамики ВОК 200 при чистовом фрезеровании деталей из низколегированных чугунов;
определить наиболее информативный силовой диагностический признак состояния торцовых фрез, оснащенных СМП из режущей керамики при чистовом фрезеровании низколегированных чугунов, путем компьютерного моделирования суммарных силовых параметров, возникающих при одновременной работе нескольких СМП;
определить эффективность применения диагностирования рассматриваемых фрез при обработке деталей из низколегированных чугунов.
Объектом исследования являются торцовые фрезы, оснащенные СМП из режущей керамики марки ВОК 200.
Предметом исследования являются закономерности влияния факторов фрезерования и критерия состояния на составляющие силы резания, возникающие при чистовом торцовом фрезеровании деталей из низколегированных чугунов фрезами, оснащенными СМП из режущей керамики ВОК 200.
Результаты, полученные автором и выносимые на защиту:
характер изнашивания торцовых фрез, оснащенных СМП из режущей керамики марки ВОК 200, при фрезеровании деталей из низколегированного чугуна ЧН3ХМДШ, заключающийся в формировании фаски износа по главной задней поверхности при одновременном характерном росте радиуса округления при вершине р (до 180200 мкм);
взаимосвязь между величиной износа торцовых фрез, оснащенных СМП из режущей керамики, и силовыми параметрами процесса резания при обработке деталей из низколегированного чугуна повышенной твердости;
взаимосвязи между глубиной резания, скоростью резания и толщиной срезаемого слоя и их влиянием на составляющие силы резания (Рх, Ру, Pz) при фрезеровании деталей из низколегированного чугуна ЧН3ХМДШ торцовыми фрезами, оснащенными СМП из режущей керамики марки ВОК 200;
рекомендации по назначению силового диагностического признака с учетом
состояния торцовых фрез, оснащенных СМП из режущей керамики в широком
диапазоне факторов резания при обработке деталей из низколегированного чугуна повышенной твердости;
- программный продукт, основанный на параметрическом синтезе заданной
модели, позволяющий комплексно исследовать составляющие силы резания,
возникающие при чистовом торцовом фрезеровании деталей из низколегированного
чугуна ЧН3ХМДШ.
Научная новизна работы заключается:
в выявленной зависимости между радиусом округления при вершине и величиной износа по главной задней поверхности, отражающей характер изнашивания СМП из режущей керамики ВОК 200 при чистовом торцовом фрезеровании низколегированного чугуна ЧН3ХМДШ;
установленном критерии отказа сборных фрез, оснащенных СМП из режущей керамики ВОК 200 в процессе их диагностирования при торцовом фрезеровании деталей из низколегированных чугунов повышенной твердости;
формализованных взаимосвязях между установленными диагностическими признаками в виде комплекса составляющих силы резания (осевая, радиальная, тангенциальная), режимов резания (скорость резания, толщина срезаемого слоя, глубина резания), а также твердостью обрабатываемого материала (НВ 360…540) и величиной фаски износа по главной задней поверхности фрез, оснащенных СМП из режущей керамики ВОК 200.
Теоретическая значимость. На основе проведенного параметрического синтеза известных математических моделей получены зависимости влияния факторов фрезерования на составляющие силы резания (Рх, Ру, Pz), при чистовой обработке деталей из низколегированного чугуна ЧН3ХМДШ (НВ 360...540) фрезами, оснащенными СМП из режущей керамики ВОК 200, с учетом принятого критерия отказа h3.
Практическая значимость работы состоит:
- в рекомендациях по рациональному выбору режимов резания с учетом
особенностей изнашивания СМП из режущей керамики марки ВОК 200, позволяющих
увеличить производительность торцовых фрез на 1525% при чистовом торцовом
фрезеровании деталей из низколегированных чугунов повышенной твердости (НВ
360...540) путем диагностирования их состояния по комплексу силовых параметров;
рекомендациях по снижению расхода инструментального материала при фрезеровании низколегированных чугунов повышенной твердости до 2540% в условиях работы фрез в диапазоне вероятности отказа P(t)=0,950,99 при коэффициенте рассеивания времени работы до отказа xfc=1,752,5;
рекомендациях по выбору диагностического силового признака состояния торцовых фрез, оснащенных СМП из режущей керамики ВОК 200, при фрезеровании деталей из низколегированного чугуна марки ЧН3ХМДШ.
Реализация работы. Работа выполнена в ФГБОУ ВО «МГТУ «СТАНКИН» в рамках проекта при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации № 14.577.21.0089 от 22 июля 2014 года, уникальный идентификатор прикладных научных исследований (проекта) RFMEFI57714X0089. Результаты работы успешно внедрены в учебный процесс по направлениям 15.03.05/15.04.05 «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств», 15.03.01 «Машиностроение» в ФГБОУ ВО «Оренбургский государственный университет», а также в ФГБОУ ВО «МГТУ «СТАНКИН». Кроме того, результаты работы активно используются в ОАО «ВНИИИНСТРУМЕНТ».
Методы и средства исследований. Экспериментальные исследования выполнены с применением современного измерительного оборудования (динамометр мод. 9257В Kistler, Швейцария) и программного комплекса Dyno Ware с помощью объединения теоретических и экспериментальных методов исследований. В исследовании для определения величины износа использовался металлографический оптический микроскоп модели SteREO Discovery.VU (Carl Zeiss, Германия). Качественные показатели обрабатываемой поверхности контролировались посредством портативного профилометра Pocket Surf EAS-2421 (Mahr GmbH, Германия). Радиус округления измеряли с использованием специального оптического 3Б-сканера MikroCAD lite (GF Mestechnik GmbH, Германия). Очаги развития износа были исследованы с использованием сканирующего электронного микроскопа VEGA 3 LMH (TESCAN, Чешская Республика).
Степень достоверности. Достоверность результатов исследований была обеспечена использованием современных средств технической диагностики с применением известных методик, проверкой теоретических зависимостей в процессе
эксплуатационных испытаний, сопряженных с предметом исследования, с применением методов математической статистики и верификацией полученных результатов.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Тема диссертационной работы соответствует паспорту научной специальности 05.02.07 -«Технология и оборудование механической и физико-технической обработки» в части п.3, п.4 раздела «Области исследований».
Апробация результатов работы. Основные положения диссертации были доложены и обсуждены на всероссийских и международных конференциях:
XVII международная научно-практическая конференция «Современные технологии в машиностроении - 2013», Пенза, 2013 г.;
VI всероссийская научно-практическая конференция «Машиностроение -традиции и инновации - 2013», Москва, 2013 г.;
II международная научно-техническая конференция по достижениям в материаловедении и инженерии (1-2 октября, ASME-2014), Дубай, ОАЭ, 2014 г.;
научно-практическая конференция ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ «Современные достижения в области создания перспективных неметаллических композиционных материалов и покрытий для авиационной и космической техники», Москва, 2016 г.;
XI международная научно-техническая конференция «», Пенза, 2016 г.;
X международная конференция «Механика, ресурс и диагностика материалов и конструкций», Екатеринбург, 2016 г.;
международная научно-техническая конференция «The International Conference on Nanomaterial, Semiconductor and Composite Materials (ICNSCM 2016)», Сингапур, 2016 г.
Публикации. По материалам диссертации опубликованы 12 печатных работ, в том числе 5 публикаций в изданиях, рекомендованных ВАК, получено 1 авторское свидетельство РФ (свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2017613179 от 13.03.2017 г.).
Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, который включает 104 наименования. Работа изложена на 140 страницах машинописного текста и включает в себя 55 рисунков, 11 таблиц и 3 приложения.
Особенности выбора вида режущей керамики при чистовом торцовом фрезеровании деталей из чугунов с повышенными механическими свойствами
Повышенные требования, предъявляемые к качественным показателям ответственных деталей машин, например, матриц штамповочных прессов или направляющие базовых поверхностей, где предъявляют повышенные требования к качественным характеристикам обрабатываемых поверхностей, могут быть осуществлены применением новых перспективных инструментальных материалов, среди которых выделяют режущую керамику, а также сверхтвердые материалы (СТМ) на основе поликристаллического кубического нитрида бора. Данные ИМ активно внедряются в процессы резания с использованием новых техник и методик обработки, например при высокоскоростном фрезеровании фрезами различного исполнения [30, 31]. Повышение скорости резания и концентрация операций на одном рабочем месте внесли существенные изменения при проектировании технологических процессов. Очень часто становится возможным не только существенно сократить операции шлифования, но и полностью заменить их фрезерованием [32, 33] для сокращения количества технологического оборудования при изготовления, например, деталей.
В работах [34, 35] указывается, что механическая обработка специальных чугунов резанием осложнена, ввиду большого количества твердых карбидов в матрице, а также неравномерностью распределения легирующих элементов, в связи с этим, при проектировании технологам приходится отказываться или использовать другие материалы, с лучшей обрабатываемостью, что нередко приводит к снижению физико-механических свойств и соответственно к снижению ресурса эксплуатации изделия [36].
В работе Гарбером М.Е., при сотрудничестве с А.Я. Гринбергом была изучена обрабатываемость резанием (точение) белых чугунов марок - 5 мм. В работе определяется степень влияния легирующих элементов (С, Сг, Мп) и структуры на обрабатываемость специальных чугунов. Например, было установлено, что при содержании в химическом составе Сг с массовой долей более 10% наблюдается резкое улучшение обрабатываемости, а при превышении 30% наблюдается обратное явление, связанное с образованием в структуре крупных заэвтектических карбидов, способствующие резкому повышению твердости. Наличие марганца ограничивается 4 мас. %, объясняется это полным распадом аустенита и невысокой твердости зернистого перлита после отжига. Авторы показывают, что сплавы сходные по твердости и наличию легирующих элементов, резко отличаются по обрабатываемости и связывают это, прежде всего со свойствами металлической основы, и количеством остаточного аустенита.
Применение чугуна при изготовлении деталей машин обусловлено высокими литейными, технологическими и эксплуатационными свойствами, которые иногда значительно превышают свойства сталей [37, 38]. Не исключением являются и специальные низколегированные чугуны с повышенной твердостью, которые имеют в качестве легирующих элементов Ni, Mo, Cr, V и др. образуя карбиды, которые способствуют повышению твердости и прочности металлической основы, но при этом значительно ухудшается обрабатываемость резанием, что приводит к интенсивному износу инструмента [39]. Поэтому инженеры-технологи при проектировании технологического процесса изделий из данных материалов стараются использовать точные методы литья в целях сокращения последующей механической обработки. Традиционно при изготовлении деталей из материалов, имеющие высокую твердость, такие как закаленные стали или специальные чугуны с повышенными физико-механическими свойствами на заключительных операциях технологи назначают операцию шлифования [40, 41]. Но процесс шлифования обладает комплексом недостатков, которые серьезным образом сказываются на качестве изделия и основном времени обработки. К основным недостаткам можно отнести выделение большого количества тепла в зоне резания и как следствие достаточно высокой вероятности образования в приповерхностном слое обрабатываемой детали прижогов и трещин. Кроме того процесс шлифования обладает существенно большими энергетическими затратами, чем процесс фрезерования, что отражается на себестоимости готовой продукции [42].
Авторы работ [43-45] приводят данные, что с развитием станочного оборудования на предприятиях наблюдается тенденция более широкого применения торцового фрезерования плоских и сопряженных с ними поверхностей изделий с высокой твердостью взамен плоскому шлифованию.
В работе [46] приводятся данные об эффективном применении оксидно-карбидной керамики при торцовом фрезеровании деталей из закаленных сталей и чугунов с твердостью HRC 40 ...55 на промышленных предприятиях НПО «Корпус» и ПАО «Уралмашзавод» (ПО «УЗТМ»). Применение керамического инструмента позволило повысить производительность обработки по сравнению со шлифованием в 56 раз. Наряду с повышением производительности обработки, в том числе и от применения торцового фрезерования удалось сократить количество поверхностных дефектов в верхних слоях изделия, так как тепло выделяемое в процессе фрезерования практически полностью концентрируется в стружке и мгновенно выводится из рабочей зоны.
Кроме того с применением современных четырех и пяти координатных станков с ЧПУ, обладающих повышенной жесткостью появилась возможность обеспечить доступ фрезы к любой стороне детали, устанавливая плоские элементы детали по нормали к шпинделю. Таким образом, полная или частичная замена плоского шлифования на торцовое фрезерование на современных станках с ЧПУ способствует повышению производительности резания.
Как было отмечено выше, операция фрезерования на современном металлообрабатывающем оборудовании при обработке низколегированных чугунов являются одними из высокопроизводительных методов механической обработки плоских поверхностей. В настоящее время наблюдается тенденция обновления технологической базы предприятий и широкое внедрение в производственные линии станков с ЧПУ, на которых выполняют до 80% всех фрезерных операций [47]. Однако, одним из наиболее уязвимых узлов технологического оборудования является режущий инструмент, который не в полной мере использует его возможности. В связи с этим огромное количество исследовательских групп по всему миру ведут непрерывный поиск новых решений данной проблемы.
Исследование процесса формирования износа на рабочих поверхностях инструмента из смешанной режущей керамики при фрезеровании деталей из низколегированных чугунов
Основным сдерживающим фактором широкого применения инструмента, оснащенного СМП из смешанной режущей керамики, является склонность к хрупкому разрушению и интенсивному образованию микро и макротрещин. Это является следствием низких прочностных свойств, невысокой теплопроводности и чувствительности смешанной РК к циклическим нагрузкам, способствующим высокой вероятности отказа инструмента из-за хрупкого разрушения в виде сколов режущей части. Особенно, отмеченное, характерно для процесса фрезерования материалов повышенной твердости, когда термомеханические нагрузки являются переменными и циклическими, что способствует трещинообразованию в объеме и поверхностном слое режущего инструмента из режущей керамики [72].
В работе [1] отмечалось, что при фрезеровании режущей керамикой закаленных сталей, особенностью изнашивания пластин является образование на передней поверхности, в области фаски, лунки в виде ярко выраженного уступа. Такой характер изнашивания передней поверхности приводит к уменьшению отрицательного значения переднего угла, вплоть положительных его значений. Это, в свою очередь, уменьшает угол , отвечающий за прочность режущего клина, что в совокупности с износом по главной задней поверхности приводит к хрупкому разрушению пластин при достижении совокупного износа определенной величины.
Следует также отметить, что при торцовом фрезеровании режущей керамикой закаленной стали радиус сопряжения передней и задней поверхностей практически не увеличивался.
Из теории и практики резания известно, что от радиуса сопряжения зависит минимальное значение толщины срезаемого слоя – , при которой начинается процесс резания, а при чистовом фрезеровании, где толщина срезаемого слоя может, как увеличиваться, при попутной схеме фрезерования, так и уменьшаться, при встречной схеме фрезерования, имеет место, скольжение в зоне контакта режущего инструмента с обрабатываемым материалом. Следствием этого является мгновенный нагрев в условиях развития высоких напряжений на локальных контактных участках СМП.
Увеличение радиуса округления р приводит к увеличению времени контакта в условиях скольжения, что вероятно, наряду с другими сложными физико-химическими явлениями определяют интенсивность изнашивания рассматриваемых СМП из РК.
С целью изучения кинетики изнашивания режущих пластин из смешанной керамики при фрезеровании деталей из НЧ для выявления критерия отказа пластин были проведены следующие эксперименты.
При исследовании радиуса округления использовался специальное измерительное оборудование - оптический 3D сканер модели MikroCAD lite фирмы GFMestechnikGmbH, Германия (рис. 2.9, а), который с помощью оптической микро проекции интерференционных полос бесконтактным способом позволил с хорошей детализацией отображать профиль главной режущей кромки (рис. 2.9, б).
Бесконтактный 3D сканер модели , Германия (а) и измеряемый профиль режущей части пластины (б) Ввиду непостоянства геометрических характеристик СМП в состоянии поставки на производство, имеет место быть определенный диапазон рассеяния, в том числе и значений радиусов округления р главной режущей кромки. Схема сканирования геометрических параметров радиусной части СМП представлены на рисунке 2.10.
Результаты сканирования представлены на рисунке 2.11. В общем случае значения радиуса округления при вершине р у пластин в состоянии поставки составляло р = 10 -г- 25 мкм, что соответствует уровню р твердосплавного инструмента и объясняется охрупчиванием режущей кромки при заточке.
В ходе исследования, изменение значений радиусов округления контролировалось в двух сечениях, согласно рис. 2.12 в начальный момент, когда СМП была острой, с промежуточным износом по главной задней поверхности h3 « 0,2 -г- 0,25 мм и при достижении предельно-допустимого значения [h3], характеризующий состояние режущего инструмента.
Согласно полученным профилограммам отмечалось, что с развитием износа до значения h3 « 0,2 -г- 0,25 мм значительно увеличивается радиус округления при вершине (рис. 2.13) с 1025 мкм до 80100 мкм, поэтому площадь контакта инструментального и обрабатываемого материалов увеличиваются, и воздействие на режущую кромку усиливается за счет возрастания растягивающих нагрузок. Кроме того, на профилограммах отсутствует износ на передней поверхности в виде, который, как известно, наблюдается при фрезеровании деталей из конструкционных и закаленных сталей.
При достижении СМП состояния близкого к предельному сохраняется тенденция роста радиуса округления до р = 180 мкм. В ходе исследования данного параметра отмечено, что при превышении критерия отказа (h3 = 0,4 мм) радиус округления при вершине мог достигать р = 280- 300 мкм, причем в 95% случаях наблюдалось хрупкое разрушение СМП в области главной режущей кромки, что способствовало сколам. Данная особенность повторялась, вне зависимости от режимов резания и разброса стойкости.
Следует отметить, что при фрезеровании НЧ в процессе резания образуется стружка надлома, состоящая из частиц, с предельной величиной не более 0,2 + 0,6 мм, в отличие от закаленных сталей, где формируется сливная стружка. Для более глубокого изучения формирования износа использовался метод сканирующей электронной микроскопии на микроскопе VEGA 3 LMH (TESCAN, Чешская Республика), который позволяет осуществлять съемку поверхности при сверхвысоком увеличении с высокой разрешающей способностью.
Исследования показали, что на передней поверхности отсутствует ярко выраженная лунка. Однако ее формирование можно наблюдать при h3 0,4 мм, как показано на рисунке 2.14, a и в увеличенном виде рисунке 2.14, б область 1. Очевидно, данный факт является следствием микро скалывания локальных участков инструментального материала в области контакта, с последующим воздействием стружки как абразивных частиц, тем самым образуя радиус р на главной режущей кромке. Преимущественно изнашивание инструмента носит абразивно-усталостный характер. Однако вдоль границы образования фаски износа на задней поверхности наблюдается фронт формирования микротрещин, возможно имеющих усталостную природу.
Исследование влияния текущего износа на силовые параметры при торцовом фрезеровании с учетом основных факторов фрезерования
Широкое использование инструментальной промышленностью износостойких покрытий, наблюдаемое с конца 80-х годов XX столетия поспособствовало резкому повышению производительности резания, что привело к росту публикационной активности, как со стороны отечественных ученых, так и иностранных исследователей [27].
В процессе исследования [93], автор отмечает существующую острую проблему в отечественной инструментальной промышленности, которая связана с недостаточной стойкостью режущего инструмента при обработке труднообрабатываемых материалов и нерациональным подходом их использования. Автор указывает на проблему связанную с высокими затратами на инструмент на современном производстве которые могут составлять до 70% от стоимости изделия, причем большую их часть составляет импортный инструмент. Поэтому особое внимание следует уделить созданию эффективных технологий упрочнения имеющегося и доступного режущего инструмента на основе опыта следующих отечественных ученых Верещака А.С., Григорьев С.Н., Табаков В.П. и др. Применение различных способов воздействия на рабочие поверхности режущего инструмента, в числе которых, легирование, азотирование, поверхностное упрочнение ионами тугоплавких соединений, например, , , и другие методы воздействия на поверхностный слой СМП высококонцентрированными источниками энергии способствуют увеличению периода стойкости режущего инструмента из режущей керамики [27,54,72,78]. Одним из наиболее известных промышленных способов, снижения контактного взаимодействия ИМ с обрабатываемым материалом, а также снижение термодинамических напряжений на режущей части инструмента, является нанесение на их рабочие поверхности различных износостойких покрытий, которые наделены функциональными свойствами, обеспечивающие стабильность и плавность процесса резания, способные повысить стойкость и прочность РИ [27,77,94,95].
При проектировании системы осаждаемого покрытия на инструментальный материал изначально требуется определить, какое функциональное назначение будет выполнять та или иная конструкция. Проведенные предварительные экспериментальные исследования, а также практический опыт применения режущей керамики при фрезеровании закаленных сталей, серых и специальных чугунов позволили выделить ряд недостатков, которые следует нивелировать, определив тем самым требуемые технические характеристики покрытия.
Согласно, описанному в данной главе характеру и динамике развития износа основным видом износа рабочих поверхностей СМП из смешанной режущей керамики при обработке низколегированных чугунов, обладающих повышенной твердостью является абразивный износ, вызванный контактным взаимодействием с обрабатываемой поверхностью, поэтому требуемое покрытие должно способствовать снижению этого вида изнашивания.
Например, фирма ISCAR, предлагает осуществлять обработку подобных обрабатываемых материалов фрезерованием СМП из твердого сплава с композиционным покрытием (Ti,Al)N марок /С808 или /С810, наносимым путем физического осаждения с конденсацией из паровой фазы (PVD), либо комбинированным способом, совмещая химический метод осаждения (CVD) и PVD метод марки D77150.
В работе [96] авторы приводят механические и функциональные свойства износостойких покрытий, однослойных типа TiN и композиционных типов (TiN + TiAlSiN + TiN), (TiN + TiAlSiN + AlSiN), (Ti,Al)N и др. полученные методами химического или физического осаждения покрытий на СМП из смешанной режущей керамики. Толщина покрытий варьировалась от 1,5 мкм до 2,2 мкм. Авторы приводят данные, что покрытия в частности TiN и (Ti,Al)N позволили увеличить микротвердность с HV0 07 = 1970 МПа (без покрытия) до HV0 07 = 3360 МПа и HV0 07 = 3620 МПа, соответственно. Кроме того покрытия показали не плохие результаты в ходе трибологических исследований, а именно покрытие (Ti,Al)N в экспериментах по схеме «ball-on-disk» (ASTM С1624-05) имело признаки разрушения лишь при нормальной нагрузке Fn = 8ОН, в отличии например от покрытия ((Ті, С)N +TiN) которое разрушилось при Fn = 15Н. Натурные эксперименты проводились при точении серого чугуна, где практически все рассматриваемые покрытия способствовали увеличению периода стойкости на 1560%.
Высокую оценку покрытиям системы (Ti,Al)N при механической обработке материалов с повышенной твердостью дают авторы работ [97, 98]. Положительное влияние износостойких покрытий систем TiN, (Ti,Al)N полученные в условиях МГТУ «СТАНКИН» на стойкость инструмента при торцевом фрезеровании представлены в работе [72]. На примере фрезерования закаленной стали и серого чугуна, было показано, что покрытия на СМП из смешанной керамики позволили повысить износостойкость на 1530%. Было отмечено, что кинетика износа у СМП не имеющих износостойкого покрытия отличалась от аналогичных пластин без покрытия, и выражалось это в менее развитом износе по передней поверхности, что подтверждает сдерживающий эффект покрытия по ширине лунки износа.
На основании выше изложенного материала, а также практического опыта было решено использовать при исследовании, в качестве износостойких покрытий две системы покрытий TiN и (Ti05Al05)N.
Предварительно производилась подготовка поверхности СМП, путем ультразвуковой очистки в специальных ваннах УЗВ 4,0 «Сапфир» в растворе ацетона. Время ультразвукового воздействия составляло 1530 минут. Затем СМП были подвержены ультразвуковому воздействию в дистиллированной воде в ванне УЗВ 28,0 «Сапфир». После очистки пластины сушились в сушильных шкафах при температуре 80С в течении 1 часа. После чего погружались в подготовленную камеру установки. Условия нанесения покрытий представлены в таблице 2.4. Покрытия были получены методом PVD в лабораторных условиях на модернизированной вакуумно-дуговой установке ВИТ - 2 (рис. 2.23), с фильтрацией паро-ионного потока и сепарацией частиц металла в плазме.
Анализ результатов моделирования силовых параметров с целью их применения в качестве диагностических признаков состояния торцовых фрез
Где CPzi, CPyi, CPxi - постоянные коэффициенты, учитывающие условия обработки в момент, когда СМП без износа, C Pz, C Pyi, СPxi - постоянные коэффициенты, учитывающие свойства обрабатываемого материала и геометрические особенности фрезы в момент, когда СМП имеет некоторый износ h3 0,4 мм. хР., уР., zP., тР.,х р., у p., z p., m Р. - степени влияния соответственно глубины фрезерования t, мгновенной толщины срезаемого слоя а, а также скорости фрезерования V, величины износа СМП по главной задней поверхности h3i. Толщина срезаемого слоя при чистовом торцовом фрезеровании щ при повороте фрезы на угол ipt и выполнении условия t г находим как щ = S incpsimpi « Szsimp, так как sincp 1. Кр,КР ,КР , К р , К р , К р - обобщенные поправочные коэффициенты, учитывающие свойства инструментального и обрабатываемого материалов, геометрические особенности фрезы соответственно в момент, когда СМП не имеет износа и когда имеет некоторый износ по главной задней поверхности.
Таким образом, математические модели для расчета тангенциальной, радиальной и осевой составляющих силы резания при повороте фрезы на угол ipt для единичной режущей пластины при различном сочетании факторов торцового фрезерования с учетом прироста параметра износа h3 будут иметь вид (3.24)-(3.26): Pzi = CPzjt Mszsmi/Oyp Zp pz + C Pzitx Pz{Szsimpiy p Vz pzthPzK Pz (3.24) Pyi = CPyitXpy(Szsinxl)dypyVZpyKPy + C Pyitx py(Szsinxl)dy pyVZ pyhPyK Py (3.25) PXi = CPxitXpx(SzsintydyPxVZpxKPx + С Pxitx Px{Szsiml)iy PxVz p-h PxKl Px (3.26) Для определения влияния износа по главной задней поверхности СМП на силовые параметры, была использована методика, предложенная В.Н. Андреевым [102], которая предусматривала выбор контрольных точек изнашивания инструмента, для чего предварительно были подготовлены режущие пластины с различной величиной износа по главной задней поверхности вплоть до [h3] = 0,35 -г- 0,4 мм. Данная процедура была реализована путем прямого измерения величины износа по главной задней поверхности через равные промежутки времени (Г = 3 мин.) с помощью оптического микроскопа. Налипов на рабочих поверхностях СМП после фрезерования НЧ не наблюдалось, поэтому износ идентифицировался без дополнительных манипуляций, связанных с их удалением. Данная методика была использована ввиду того, что процесс фрезерования является не стационарным, то есть величина износа в аналогичных условиях резания может существенно колебаться.
Степени влияния mPz, mPy, mPx были определены путем графического построения кривых в двойных логарифмических координатах для тангенциальной, радиальной и осевой составляющих силы резания от критерия состояния (рис. 3.15, а-в соответственно), с учетом поворота фрезы на определенный угол (ф = 30 + 90), при встречной схеме фрезерования по усредненным данным нескольких осциллограмм (не менее 6).
Анализ кривых позволяет констатировать, что все составляющие силы при повороте фрезы параллельны, а значит, их можно выразить через степенную функцию. Степени определялись через тангенс угла а, зная величину обоих катетов. Таким образом, для осевой силы Рх степень тРх = 0,81, для окружной силы Pz степень mPz = 0,3, а для радиальной составляющей силы резания Ру степень nip = 0,76. При построении аналогичных кривых, при попутной схеме фрезерования степенные показатели имели аналогичные значения. Степени влияния находились с помощью стандартных программ (Microsoft Office Excel 2010) реализующих метод наименьших квадратов.
Возможность определения степени остальных факторов торцевого фрезерования показана ниже. Степени влияния рассчитаны аналогичным способом. На рисунке 3.16 представлены соответствующие кривые влияния мгновенной толщины срезаемого слоя а на возникающие мгновенные значения силовых составляющих.
Кривые, представленные на рисунке 3.16, также параллельны, поэтому аналогичным образом описываются степенью влияния для каждой составляющей силы резания индивидуально: для силы Рх степень уР =0,25 , для силы Pz степень yPz = 0,6, для радиальной составляющей Ру степень уРу = 0,38. Графики при попутной и встречной схемах фрезерования симметричные.