Использование анизотропных свойств листового проката для изготовления виброустойчивого инструмента

Вышеизложенные факторы, естественно, оказывают влияние на результаты измерений.

С учетом вышеизложенное было проведено совмещение построенного геометрического образа поперечного сечения с круглограммой для соответствующего сечения. При наложении максимальная разность между линией геометрического образа и линией круглограм-мы в радиальном направлении не превышает 0,86 мкм. Среднеарифметическая величина отклонений равна 0,46 мкм. Это доказывает, что разработанная система определения точности изготовления деталей гарантирует точность измерений 0,5 мкм.

Предлагаемый метод найдет применение для оценки точности изготовления деталей, определению силы резания, диагностике состояния резца и другим проблемам, что получило отражение в других статьях.

Литература

1. Патент 2123923 Российская Федерация. В23<<15/00, В23В25/06. Способ диагностики токар-

ных станков по параметрам точности и устройство для его осуществления / В. В. Юркевич; заявитель и патентообладатель Московский государственный технологический университет «Стан-кин». № 99121630/02; заявл. 06.11.1997; опубл.

27.12.1998. Бюл. 36. 6 с.

2. Патент 2124966 Российская Федерация. В23В25/06, 001М13/02. Способ диагностики шпиндельного узла / В. В. Юркевич, А. В. Пуш; заявитель и патентообладатель Московский государственный технологический университет «Стан-кин». № 99121630/02; заявл. 14.11.1999; опубл.

20.01.1999. Бюл. 2 5 с.

3. Патент 2154565 Российская Федерация. В23<15/007. Устройство диагностики токарных станков по параметрам точности изготавливаемой детали / В. В. Юркевич; заявитель и патентообладатель Московский государственный технологический университет «Станкин». № 99121630/02; заявл. 14.10.1999; опубл. 20.08.2000. Бюл. 23. 4 с.

4. Патент 2190503 Российская Федерация. В23В25/06, В23<17/20. Устройство определения погрешностей изготовления детали на токарном станке / В. В. Юркевич; заявитель и патентообладатель Московский государственный технологический университет «Станкин». № 99121630/02; заявл. 01.11.2000; опубл. 10.10.2002. Бюл. 28. 6 с.

УДК 531.39: 621.9.014.8

использование анизотропных свойств листового проката для изготовления виброустойчивого инструмента1

В. В. Максаров, Ю. Ольт, П. В. Леонидов, П. П. Лимин

Введение

Вибрации, возникающие в процессе механической обработки, существенно затрудняют эксплуатацию технологического оборудования, работающего в автоматизированном цикле, являются причиной преждевременного износа инструмента, аварий станков и приспособлений. Динамическая устойчивость технологической системы и снижение уровня вибраций, возникающих в процессе резания, являются

1 Работа выполнена в рамках реализации федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009—2013 годы.

залогом стабильности стружкообразования, это считается особенно важным при автоматизации технологического процесса [1]. Таким образом, задача обеспечения устойчивости технологической системы за счет снижения уровня автоколебаний является одной из важнейших в области лезвийной обработки, что приобретает особую актуальность при чистовой обработке изделий на автоматических станках и станках с числовым программным управлением [2, 3].

Изучению автоколебаний при резании металлов с целью понять природу процессов стружкообразования при точении и оценить

важность обеспечения устойчивости технологической системы при механической обработке посвящен ряд фундаментальных исследований. Благодаря анализу и классификации методов и способов обеспечения динамической стабильности технологической системы можно утверждать, что в той или иной степени все эти методы позволяют повысить устойчивость технологической системы, разработанные на их основе способы успешно находят практическое применение при механической обработке. Однако в настоящее время не существует универсального метода, позволяющего эффективно бороться с вибрациями, возникающими при точении.

При чистовой токарной обработке наиболее уязвимой с точки зрения динамической стабильности является подсистема «инструмент». На технологическую систему воздействует внешняя периодическая сила, вызывающая колебательный процесс с частотой, равной частоте возмущающей силы, или сложные периодические процессы, обусловленные нелинейными свойствами системы, вследствие этого возникают собственные затухающие и вынужденные колебания, параметрические возбуждаемые колебания и автоколебания системы. Интенсивность вынужденных колебаний особенно велика в условиях резонансных режимов, которые недопустимы в качестве рабочих режимов при чистовой обработке на металлорежущих станках.

Постановка задачи

Одним из наиболее эффективных способов, позволяющих обеспечивать устойчивость парциальной технологической подсистемы «инструмент» при чистовой обработке тел вращения, является создание демпфирующего инструмента, который оснащен многослойной державкой, обладающей анизотропными свойствами. Особенность процесса точения таким инструментом заключается в снижении уровня автоколебаний, возникающих в процессе резания, за счет упорядоченной разо-риентации текстуры анизотропных пластин сборной многослойной державки, позволяющей эффективно рассеивать энергию колебательной волны на границе перехода между пластинами державки. Этот метод дает возможность существенно повысить стойкость режущей кромки инструмента и расширить технологические возможности по выбору эффективных режимов резания, обеспечивающих выполнение требований по размерной и геометрической точности, качеству обрабатываемой поверхности.

Разработка инструмента с многослойной державкой

Метод создания демпфирующего инструмента с многослойной державкой, обладающей анизотропными свойствами, предполагает использование анизотропии свойств пластин державки, создающейся в результате обработки давлением. Пластическая деформация сталей горячей прокаткой приводит к изменению направления волокон макроструктуры, структурных составляющих и включений вдоль ее направления, наряду с кристаллографической текстурой образуется механическая текстура деформации. Державку режущего инструмента предлагается изготавливать из пакета пластин, контактирующих между собой по плоскостям, параллельным опорной поверхности державки (рис. 1). Пластины вырезаются из листового проката с продольной, поперечной и вертикальной ориентацией по плоскости относительно направления их прокатки, а затем собираются в пакет с учетом угла ра-зориентировки текстуры между пластинами. При колебаниях, возникающих в процессе механической обработки, характеристика поведения стержня державки при малых деформациях описывается с помощью закона Гука, с учетом сопротивлений трения в неподвижных соединениях между пластинами и внутреннего трения в материале державки. Обусловленные наличием текстуры материала неупругие эффекты внутреннего трения, связанные с перемещениями дислокаций, вызывают необратимые гистерезисные потери энергии внутри металла державки при механических колебаниях [4]. Для достижения наибольшего демпфирующего эффекта разориентация текстуры деформации в двух соседних пластинах

^ Направление прокатки ^

Рис. 1. Схема вырезки пластин для державки из листового проката:

1 — пластина с вертикальной ориентировкой прокатки;

2 — пластина с поперечной ориентировкой прокатки;

3 — пластина с продольной ориентировкой прокатки; Ь — длина пластины; В — ширина пластины

1

2

К

3

Рис. 2. Конструкция державки проходного резца с пластинами, имеющие направленную текстуру:

Py — радиальная сила резания; Pz — тангенциальная сила резания

должна быть максимальна. Тогда при переходе границы раздела колебательная волна меняет свое направление, в результате чего происходит рассеяние энергии колебаний. Если величина разориентации текстуры деформации мала, диссипация энергии незначительна. Поэтому в предлагаемом техническом решении пластины державки должны быть ориентированы таким образом, чтобы при переходе от одной пластины к другой текстура деформации изменялась на 90 ± 10 ° относительно действия на державку основной (тангенциальной) составляющей силы резания.

На рис. 2 приведена конструкция державки проходного резца с пластинами, имеющими направленную текстуру. Плоскость пластины 1 имеет вертикальную ориентировку относительно направления прокатки, а ее сечение — продольную ориентировку. Плоскость пластины 2 ориентирована поперек направления прокатки, а плоскость ее поперечного сечения — вдоль направления прокатки. Пластина 3 вырезана так, что ее плоскость имеет продольную ориентировку относительно направления прокатки. При этом плоскость поперечного сечения пластины 3 имеет поперечную ориентировку относительно направления прокатки. Таким образом, все пластины имеют различную текстуру деформации в своей плоскости и в своем сечении, обладают различными физико-механическими, в том числе демпфирующими, свойствами относительно действия нагружающих державку сил (составляющих силы резания) [1, 2]. Под действием силы резания в верхних слоях державки возникают преимущественно максимальные растягивающие напряжения Ср, а в нижних опорных — сжимающие напряжения Ссж.

Для стабилизации прочности различных зон и увеличения прочности и надежности всей державки ориентация текстуры деформации в пластинах сборной державки относительно

сил резания должна соответствовать дополнительным условиям. Известно, что максимальное сопротивление растягивающим напряжениям прокатанный металл оказывает в продольном направлении, а минимальное — в вертикальном направлении относительно направления прокатки. И наоборот, максимальным сопротивлением сжимающим напряжениям прокатанный металл обладает в вертикальном направлении, а минимальным — в продольном. Сопротивление металла в поперечном направлении и устойчивость к растягивающим и сжимающим напряжениям имеют промежуточные значения. Направление текстуры прокатки в опорной пластине ориентировано параллельно тангенциальной составляющей силы резания. В пластине с закрепленным режущим клином направление прокатки ориентировано параллельно радиальной составляющей силы резания, а плоскость прокатки располагается перпендикулярно тангенциальной составляющей силы резания.

Резец состоит из режущей пластины 4 и составной державки, выполненной из набора пластин 1-3 с различными ориентировками текстуры деформации относительно действия сил резания. Пластины склеены между собой по плоскостям, параллельным опорной поверхности 1 державки. Пластина 1 служит опорной пластиной державки. Направление прокатки в пластине 1 ориентировано параллельно тангенциальной составляющей силы резания Рг.

На средней пластине 2 закреплен режущий клин 4. Направление прокатки в пластине 3 ориентировано параллельно радиальной составляющей силы резания Ру. Плоскость прокатки в пластине 2 ориентирована перпендикулярно тангенциальной составляющей силы резания Рг. В этом случае поперечное направление прокатки в пластине ориентируется параллельно действию осевой составляющей силы резания Рх. Направление прокатки в средней пластине 3 параллельно действию осевой составляющей силы резания Рх. Таким образом, между пластинами 2 и 3 выдерживают прямой угол в текстуре деформации, что обеспечивает дополнительное рассеивание энергии возникающих при резании колебаний. Колебания, возникающие под действием максимальной составляющей силы резания — тангенциальной силы Рг, распространяются через поперечное сечение пластин державки. При предлагаемой ориентировке пластин плоскость поперечного сечения опорной пластины державки имеет вертикальную ориентировку относительно плоскости прокатки, плоскость сечения

2

Р

г

средней пластины — продольную ориентировку, а плоскость сечения верхней пластины — поперечную ориентировку.

Энергия возникающих в процессе резания колебаний инструмента не только гасится вяз-коупорным слоем клея, но и рассеивается внутри пластин, составляющих державку, вследствие анизотропии механических и физических свойств прокатанных (текстурованных) материалов, в том числе анизотропии частот и логарифмических декрементов собственных колебаний. При разориентировке текстуры деформации на угол а в двух соседних пластинах, отличный от 90 ± 10° (а < 80° и а > 100°), степень диссипации энергии уменьшается.

Для большинства реальных конструкционных материалов характерна анизотропия механических свойств, которая обусловлена особенностями их внутреннего строения и технологией производства [5, 6]. В значительной мере еще на стадии кристаллизации слитка неоднородность структур формируется в виде дендритной ликвации, зависящей от химического состава, технологии выплавки стали, способа ее раскисления и модифицирования и размера отливаемого слитка, который наряду с температурой разливки определяет скорость затвердевания охлаждения слитка. Литая структура характеризуется крупными кристаллами первичной кристаллизации, по границам которых располагаются прослойки, обогащенные примесями и неметаллическими включениями.

Деформирование (ковка и прокатка) литой структуры приводит к дроблению кристаллитов и вытягиванию их межкристаллитных прослоек, содержащих неметаллические включения, в направлении наиболее интенсивного течения металла. При деформации достаточно большой степени неметаллические включения образуют полосчатость макроструктуры, что усиливает анизотропию свойств листового проката. На микроуровне анизотропия свойств пластически деформированных поликристаллов связана с тремя типами текстур: механической, дислокационной и кристаллографической [4, 5]. Кристаллографическая текстура обусловливает фундаментальное

воздействие на все виды анизотропии кристаллических тел [7].

Таким образом, выбор оптимального состава, технологии производства структуры металлических материалов следует производить с учетом анизотропии. При этом анизотропию целесообразно оценивать по результатам различных испытаний. Наиболее распространенной является оценка анизотропии по соотношению прочности, пластичности и ударной вязкости в различных направлениях относительно направления прокатки. Ценные сведения об анизотропии могут быть получены при анализе макро- и микроизломов разноо-риентированных образцов.

В качестве материала для исследования анизотропии механических свойств горячекатаной стали использовали листовой прокат из конструкционной стали 34ХН4МФДА промышленной выплавки, слитки которой были прокованы на брамы и прокатаны со степенью обжатия, равной 7, в виде листов толщиной 70 мм. В начале прокатки температура составляла 1100-200 °С, температура окончания прокатки 900-900 °С, охлаждения с температуры прокатки производилось на воздухе. Термическая обработка листа состояла из двойной закалки с температуры 850-880 °С и высокого отпуска при температуре 590-620 °С с охлаждением в воде.

Образцы для проведения испытаний были вырезаны вдоль направления прокатки х, перпендикулярно направлению прокатки у и перпендикулярно плоскости листа г. Испытания на статическое растяжение проводили на цилиндрических образцах для чего использовали машину 1пв1гоп-5000 (1пв1гоп, США), а испытания на ударный изгиб (ударную вязкость) — на образцах размером 10 х 10 х 55 мм с радиусом надреза 1 мм на маятниковом копре с запасом энергии удара 4635 Дж. Результаты испытаний приведены в таблице.

Как показывают данные, при испытании образцы, вырезанные поперек волокна, имеют пониженные механические свойства по сравнению с образцами, вырезанными вдоль волокна. Степень анизотропии металла в плоскости у-х составляет 4-6 % по прочностным характеристикам и 11-15 % — по пластическим. Направление

Механические свойства листовой стали в различных направлениях

Механическое свойство Направление испытаний

х у г Ку-х Кг-у

Временное сопротивление, МПа 1278,0 1225,0 1153,0 0,96 0,94

Предел текучести, МПа 1209,0 1140,0 1126,0 0,94 0,98

Относительное удлинение, % 15,7 13,5 3,8 0,85 0,28

Сужение поперечного сечения, % 55,8 50,1 8,8 0,89 0,18

Ударная вязкость, КДж/см 78,0 67,0 25,0 0,86 0,37

волокна сказывается преимущественно на пластичности и вязкости стали. Наиболее значительно анизотропия проявляется в направлении, перпендикулярном направлению прокатки г (пространственная анизотропия. Степень анизотропии образцов, перпендикулярных плоскости прокатки, по прочностным характеристикам также не велика, и находится в пределах 2-4 %, в то время как относительное удлинение уменьшается в 3 раза, а сужение поперечного сечения — в 6 раз.

Известно, что результаты испытаний гладких образцов во многих случаях характеризуют средние, а не локальные свойства материала [5]. Наличие концентратора напряжений и динамический характер нагружения при испытании на ударный изгиб часто приводят к результатам, отличающимся от результатов статических испытаний гладких образцов, а разрушение при этом может носить более хрупкий характер. Поскольку ударная вязкость является одновременно функцией и прочности, и пластичности, эта характеристика металла наиболее чувствительна к анизотропии [4]. Основные причины анизотропии ударной вязкости стальных изделий — механическая текстура, главным образом волокнистость, ориентированное расположение оксидных, сульфидных и оксисульфидных включений и кристаллографическая текстура. Анизотропия ударной вязкости в плоскости прокатки не превышает 14 %, объемная анизотропия составляет 63 %, значения ударной вязкости поперечных и вертикальных образцов отличаются почти в 3 раза.

Поскольку на анизотропию ударной вязкости непосредственное влияние оказывают деформированные в направлении прокатки неметаллические включения, в процессе исследования дополнительно определяли содержание примесей в стали, в том числе серы и кислорода, которые полностью переходят в оксидные и сульфидные включения [8].

Содержание некоторых элементов и примесей в стали:

Мп.....0,47 %;

Р.......0,013 %;

Б.......0,018 %;

81......0,26 %;

О.......0,0048 %;

N.......0,007 %;

А1......0,014 %;

Се......0,002 %.

Микроструктура исследуемой стали, выявленная травлением в 4 %-м спиртовом растворе азотной кислоты, показана на рис. 3. После

Рис. 3. Микроструктура стали 34Х4МФДА после окончательной термической обработки. х400

Рис. 4. Величина действительного аустенитно-го зерна стали после окончательной термической обработки. х100

окончательной термической обработки микроструктура представляет собой мелкодисперсный сорбит отпуска. Согласно ГОСТ 5639-82, действительное зерно аустенита стали выявленное травлением в подогретом до 70 °С пересыщенном твердом растворе пикриновой кислоты с добавлением поверхностно-активного вещества синтола (рис. 4). Зерно аусте-нита равноосное и соответствует номерам 8-9. Судя по рис. 3, 4, на микроструктурном уровне анизотропия металла не проявляется.

Неметаллические включения в исследуемой стали показаны на рис. 5, а, б. Анизотропия свойств усиливается вытянутыми после прокатки строчками неметаллических включений, представляющими собой сульфидные и оксидные включения.

Микрофрактографический анализ изломов проводили на растровом электронном микроскопе PSEM-500 (Philips). Фрактографические анализ позволил установить, что поверхность

Рис. 5. Неметаллические включения в различных участках исследуемой стали: а — х100; б — х200

Рис. 6. Изломы продольных (а) и поперечных (б) образцов. х430

Рис. 7. Скопления в изломах оксидных неметаллических включений: а — х40; б — х320

Рис. 8. Оксисульфидные (а) и эвтектические сульфидные (б) включения в изломах: а — х640; б — х160

изломов образцов, вырезанных в продольном х (рис. 6, а) и поперечном у (рис. 6, б) направлениях относительно направления прокатки имеет вязкий ямочный характер, что соответствует вязкому внутризеренному разрушению.

Иной вид изломов наблюдается в образцах, вырезанных в вертикальном направлении (рис. 7, 8). Фрактографический анализ позволил установить, что излом имеет слоистое строение, состоящее из террас, соединенных

пластическими вязкими перемычками. Плоскость террас заполнена преимущественно оксидными и оксисульфидными включениями. В некоторых изломах встречались также грубые раскатанные эвтектические сульфиды марганца (рис. 8, а) и небольшие участки хрупкого межзеренное и квизахрупкого внутри-зеренного разрушения (рис. 8, б). Результаты микрофрактографического анализ показали, что в изломах образцов, вырезанных и поперечном или продольном направлении, распространение трещины при разрушении происходит по вязкому внутризеренному механизму.

В изломах вертикальных образцов разрушение происходило преимущественно в местах скоплений неметаллических включений различных размеров и морфологии. Разрушение основного металла, свободного от неметаллических включений, не превышало 20 % от площади излома и представляло собой преимущественно вязкое внутризеренное разрушение. Отдельные небольшие участки квазихрупкого внутризеренного разрушения и хрупкое внутризеренное разрушение обнаружено вблизи эвтектических сульфидов марганца.

На всех этапах технологических переделов при производстве ответственных изделий необходимо учитывать анизотропные свойства конструкционных материалов, влияющие на них факторы [8], а также возможность создания изделий с заданной или регулируемой анизотропией. Известно, что анизотропия механических свойств обусловливает аномальное изменение скоростей упругих волн, траектории их распространения и коэффициента рассеивания (затухания), это определяет возможность использовать характерную для большинства реальных конструкционных материалов анизотропность для разработки и создания конструкции державки режущего инструмента с повышенными демпфирующими характеристиками.

Испытание режущего инструмента, державка которого изготовлена с повышенными демпфирующими характеристиками, проводилась на станке мод. 16Б16Т1 (ОАО «Средне-волжский станкостроительный завод», Самара) в процессе операции точения закрепленной в центрах заготовки из стали 40Х с твердостью HRC 50. Заготовка имела диаметр 60 мм, длину 320 мм. В качестве режущего инструмента применяли два резца с одинаковым сечением 25 х 18 мм и длиной 150 мм, изготовленные из стали 40Х с твердостью HRC 63. В качестве режущего материала использовали режущую керамику марки ВОК-63 формы 2010-0162. В качестве прототипа рассматривали державку, изготовленную из трех пластин с одинаковой поперечной ориентировкой плоскости пластины.

Державка с повышенными демпфирующими характеристиками изготавливалась из трех пластин с различной ориентацией текстуры деформации. В обоих случаях пластины склеивали между собой клеем марки «Циокрин» (ТУ 6-09-30-96). Испытания инструмента проводили в режиме резания: скорость резания — 120 м/мин, подача — 0,15 мм/об, глубина резания — 1,0 мм. При установке преобразователя по оси х на предлагаемой державке в процессе обработки получена амплитуда колебаний в 1,7-2,0 раза меньше, чем на державке, изготовленной по известному способу. Если период стойкости составляет 60 мин, износ задней поверхности режущей пластины при в 1,6-1,8 раз меньше, шероховатость обработанной поверхности в 1,7-1,9 раз ниже. Логарифмический декремент собственных затухающих колебаний державки по оси х, закрепленной в инструментальном магазине, в 2,5-3,0 раза выше по сравнению трехслойной державкой с одинаковой ориентировкой текстуры деформации в соседних пластинах.

Сравнительные испытания в процессе механической обработки заготовок позволяют установить, что при использовании державок с неодинаково ориентированной структурой в пластинах обеспечивается более эффективное динамическое гашение колебаний, так как повышается коэффициент поглощения и демпфирования колебаний за счет большой диссипа-тивной силы сопротивления материала державки с ориентированной в разных направлениях текстурой деформации металла. Кроме того, вытянутые неметаллические включения, располагающиеся вдоль границ, слабо связанные с металлической матрицей (оксидные включения) или резко отличающиеся от нее по упругим характеристикам (пленочные эвтектические сульфиды), а также микроскопические несплошности металла вблизи границ неметаллических включений, располагающиеся по-разному в отношении прилагаемого в процессе точения внешнего воздействия, усиливают рассеивание энергии колебаний.

Выводы

Анизотропия механических свойств, связанная с механической текстурой деформации, обусловливает изменение скоростей

упругих волн, траектории их распространения и коэффициента рассеивания (затухания) в различных направлениях, это определяет возможность использовать характерную для большинства конструкционных материалов анизотропность для разработки и создания конструкции державки режущего инструмента с повышенными демпфирующими характеристиками.

Использование виброустойчивых свойств державок с такими характеристиками целесообразно прежде всего при чистовой и тонкой обработке на высоких скоростных режимах резания, при малой жесткости заготовок, переменной, непрерывной или разрывной поверхности обработки, когда предъявляются повышенные требования к геометрической точности обрабатываемого профиля детали и шероховатости поверхности.

Литература

1. Вейц В. Л., Максаров В. В. Моделирование процесса стружкообразования при лезвийной механической обработке // Станки и инструмент. 2002. № 4. С. 13-15.

2. Леонидов П. В., Максаров В. В., Ольт Ю., Ша-рашов А. Н. Повышение эффективности процесса тонкой лезвийной обработки при точении за счет анизотропных свойств режущего инструмента // Металлообработка. 2010. № 1. С. 16-23.

3. Maksarov V., Olt J. Materjalide Loiketeooria ja Loikurid. Tartu: Eesti Maaulikool, 2008. 132 lk.

4. Микляев П. Г., Фридман Я. Б. Анизотропия механических свойств металла. М.: Металлургия, 1986. 224 с.

5. Вишняков Я. Д., Пискарев В. Д. Управление остаточными напряжениями в металлах и сплавах. М.: Металлургия, 1989. 254 с.

6. Бородкина М. М., Спектор Э. Н. Рентгенографический анализ текстуры металлов и сплавов. М.: Металлургия, 1981. 272 с.

7. Вишняков Я. Д., Бабрэко А. Д. Владимиров С. А. Теория образования текстур в металла и сплавах. М.: Наука, 1979. 329 с.

8. Глебов А. Г., Духовный А. С. Влияние неметаллических включений на сопротивление разрушению толстолистового высокопрочного проката // Прочность и разрушение сталей при низких температурах: Сб. науч. тр. М.: Металлургия, 1990. С. 86-94.