Экспериментальные исследования процесса высокоскоростной обработки с низкотемпературным охлаждением

УДК 621.91

Д.И. Седов, Т.Г. Насад

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ ОБРАБОТКИ С НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ

Рассмотрен новый способ повышения эффективности обработки титановых сплавов и других труднообрабатываемых материалов за счет сочетания высоких скоростей резания с предварительным охлаждением обрабатываемой поверхности. Приведены теплофизика и экспериментальные исследования процесса высокоскоростной обработки титановых сплавов с охлаждением поверхности детали.

Высокоскоростная обработка, охлаждение

D.I. Sedov, Т-G. Nasad

EXPERIMENTAL RESEARCHES OF PROCESS OF HIGH-SPEED PROCESSING

WITH LOWTEMPERATURE COOLING

The new way of increase of efficiency of processing of titanic alloys and other hard-processed materials at the expense of a combination of high speeds of cutting to preliminary cooling of a processed surface is considered. The thermophysics and experimental researches of process of high-speed processing of titanic alloys with cooling of a surface of a detail are resulted.

Speediest processing, cooling

В современном машиностроении неуклонно повышаются требования к качеству, надёжности и долговечности агрегатов и узлов машин и различных механизмов. Подобные требования приводят к широкому применению новых материалов с особыми физико-механическими свойствами: жаростойкие, жаропрочные, высокопрочные, нержавеющие, коррозионностойкие и другие, все эти сплавы относятся к труднообрабатываемым материалам. При обработке труднообрабатываемых материалов наблюдаются большие силы резания и более интенсивные вибрации, чем при обработке углеродистых и низколегированных конструкционных сталей при тех же условиях. Также отмечают интенсивное теплообразование и высокую температуру на поверхностях контакта с инструментом. С увеличением температуры снижается твёрдость поверхностных слоёв инструмента, усиливаются процессы диффузии и схватывания между обрабатываемым материалом и инструментом, увеличивается разрушение граней. Всё это приводит к невозможности применения производительных режимов обработки, быстрому износу инструмента, прерыванию обработки для переточки инструмента и наладки станка и, следовательно, многократному увеличению времени обработки детали [1, 3].

Современные условия рынка также накладывают жесткие рамки конкурентоспособности и рентабельности на производителей в области машиностроения как для отдельно взятого предприятия, так и для отрасли в целом. Исключительной особенностью для российского машиностроения является то, что примерно 60% территории, на которой сосредоточено до 80% полезных ископаемых, находится в зоне вечной мерзлоты, к ним относятся районы Арктики, крайнего севера, Сибири и дальневосточного региона. Одним из существенных препятствий для развития обрабатывающего производства являются продолжительные отрицательные температуры на протяжении календарного года, что означает колоссальные затраты в виде тепловых потерь и нагрева заготовок до температуры + 15 ^ +20°С. Данная особенность

129

в совокупности с затратами на транспортировку к основным потребителям сводит к нулю конкурентоспособность в данных регионах.

Ниже на рис. 1 и 2 приведены климатические особенности географического положения Российской Федерации и стран бывшего Советского Союза [4].

Для компенсации транспортных затрат в данных регионах необходимо в области машиностроения производить конечный высокотехнологичный продукт, показателем которого является соотношение массы т (объёма V) изделия к его рыночной стоимости С (уменьшение массы (объёма) при высокой стоимости на рынке) т или — •

Очевидным является развитие полных циклов производства от добычи до конечного продукта, однако в таком случае мы сталкиваемся с такой более сложной задачей как тепловые потери и затраты на нагрев заготовки. Для решения данной проблемы возможно применение комбинированных способов с внесением дополнительных потоков энергии в зону резания. Системный анализ в [1], разработанный профессором Насад Т.Г., Кирюшиным И.Е, Кирюши-ным Д.Е. показал, что для осуществления эффективной обработки с комбинированием энергий необходимо обеспечить управление тепловым фактором с целью обеспечения в зоне деформации оптимальных температур для контактирующей пары инструмент - деталь.

Рис. 1. Средняя температура воздуха за январь на территории бывшего Советского Союза

В рамках системного анализа предложен комбинированный метод на основе высокоскоростного точения в сочетании низкотемпературным резанием. Суть предложенного комбинированного метода высокоскоростного точения с дополнительным охлаждением заключается во взаимной компенсации недостатков одного метода за счёт другого, в частности, компенсация высоких температур в зоне резания применительно к титановым сплавам [1, 2].

При условии региональной направленности предложенного комбинированного метода необходимость дополнительного охлаждения (до - 20° С) заготовок сводится к поддержанию уже холодного состояния обрабатываемого материала и выравнивания температуры (-18° С) ^ (- 20° С) - порог хладноломкости углеродистых сталей, что снижает затраты на охлаждение.

В ходе исследования процесса высокоскоростного точения с дополнительным охлаждением были проведены теоретические и практические исследования температурных полей ВСО с предварительным охлаждением заготовки.

Общую мощность тепловыделения при ВСО полагают эквивалентной механической работе деформирования и работе сил трения на контактных площадках [1] и находят по формуле (1). С учётом предварительного охлаждения можно записать:

W += Ш+т Щ+Тт W2+т - ШОХ,

где W+ , Wlт , - соответственно мощности тепловыделения источников, возникающих в процессе обработки в области плоскости сдвига, на передней и задней поверхности инструмента; Wox - мощность дополнительного стока (предварительное охлаждение).

Знак «-» показывает, что рассматривается процесс резания с дополнительной энерги-

Рис. 2. Карта вечной мерзлоты северного полушария, 62% территории Росси и приходится

на «многолетнюю криолитзону» [4]

Запишем систему уравнений, характеризующих распределение теплоты между контактирующими телами:

Ут = W(т т т Wp = Р X (&у W(т = Ь У-т У1+ - У1т

У=

ш; = у1+ т У2+

где , ШИ, Шр - соответственно теплота в стружке, изделии и резце; Ь* - доля, характеризующая часть теплоты деформации, передаваемой стружке; У1+, - тепловая мощность итоговых потоков теплоты.

Расчёт интенсивности итоговых потоков теплообмена между стружкой, резцом и деталью выполняется на основе попарного сравнения температур [1] и совместного решения уравнений (3):

и 0 с = 0 2

(1 + с)0 Д + 0,75^ Ьс

0 с =01

щ

V

($1Т - 4 ) = 0,75

ю 1

4 •

\ЫХ

V

Ьс

(1 + с)0 Д + 0,75

ю 1

Ьсл ТТ

лЮ

V

14—

В ходе теоретических исследований были определены диапазоны влияния предварительного охлаждения в сочетании с высокоскоростным резанием на распределение потоков теплоты в зоне резания для титановых сплавов:

• При высокоскоростном точении с дополнительным охлаждением титановых сплавов с

увеличением скорости резания с 80 до 120 м/мин происходит снижение теплового потока на 8,5 -11,2 %.

• Предварительное охлаждение заготовки от 293°К (+20°С) до 250°К (-20°С) снижает те-

пловую нагрузку 5,34-8,7%.

• Совокупное снижение температуры в зоне резания составляет 15 - 19%.

Для получения результатов по комбинированному методу были проведены также практические исследования тепловых процессов, протекающих в зоне резания, при высокоскоростном точении охлаждённых заготовок.

Было проведено изучение термоЭДС. Исследованы пары Т15К6 - Ст45, Т15К6 -30ХГСН, Т15К6 - ВТ2-1. Точение заготовок диаметром 35, 60, 90 мм и длинной 150 - 300 мм из сталей Ст45, 30ХГСН, ВТ2-1 проводили в зажатом патроне с поджатым задним вращающимся центром на токарном станке 16К20. Использовали стандартные прямые резцы с механическим креплением режущих пластин.

ТермоЭДС при резании фиксировали цифровым осциллографом С8-2.

Исследования проводили в следующем диапазоне режимов:

скорость резания V = 80 - 120 м/мин, подача Б = 0,2 м/об, глубина резания X = 0,5 мм, температура заготовки Т = (-28°С) - (+20°С).

На основании проведенных экспериментов была выявлена зависимость температуры зоны резания от режимов и температуры заготовки, полученная методом планирования экспериментов с преобразованием исследуемого параметра и факторов. В результате уравнение линейной регрессии, выраженное через действительные значения исследуемых параметров, будет иметь вид:

Для Ст45:

0 = 458 + 0,782 х Т + 1,348 х V

Для сплава ВТ2-1:

0 = 386,5 + 0,7145 х Т + 0.897 х V

Для 30ХГСН:

0 = 345,4434 + 0,8509 х Т + 0.9678 х V

где 0 - температура в

зоне резания, Т - температура заготовки, V - скорость резания.

На рис. 3 приведены зависимости итоговой температуры от скорости резания и температуры заготовки. 132

Рис. 3. Экспериментальные зависимости температуры в зоне резания от скорости и температуры заготовки для а) - для Ст 45, б) для ВТ2-1 в) для 30ХГСН

©"С

Екгсн

1200

Е&сгснох

1060

920 730

640

500

-----

V

§0 96 104 112 120

V м/мин

Выводы

1. Полученные экспериментальные данные находятся в пределах теоретически расчитанных диапазонов тепловых потоков

2. Во всех случаях ВСО с предварительным охлаждением происходит снижение температуры в зоне резания, что влияет на выходные параметры качества изделия, в частности проведённые измерения показали снижение шероховатости поверхности в 1,5 - 2 раза.

ЛИТЕРАТУРА

1. Насад Т.Г. Высокоскоростная обработка труднообрабатываемых материалов / Т.Г. Насад, И.Е. Кирюшин, Д.Е. Кирюшин. Саратов: СГТУ, 2009. 148 с.

2. Насад Т.Г. Влияние теплового фактора на формирование качества поверхности деталей при высокоскоростной обработке с фрикционным нагревом зоны резания / Т.Г. Насад, А. А, Шевченко // Технический вуз - наука, образование и производство в регионе: материалы Всерос. науч.-техн. конф. / Тол. гос. ун-т. Тольятти, 3-4 октября 2001. Тольятти, 2001. С. 79-85.

3. Резников А. Н. Теплофизика процессов механической обработки материалов / А.Н. Резников. М.: Машиностроение, 1982. 279 с.

4. www.beliona.ru

Насад Татьяна Геннадиевна -

доктор технических наук, профессор, заведующая кафедрой «Технология и оборудование электрофизических и электрохимических методов обработки» Энгельсского технологического института Саратовского государственного технического университета Седов Дмитрий Игоревич -аспирант кафедры «Технология и оборудование электрофизических и электрохимических методов обработки» Энгельсского технологического института Саратовского государственного технического университета

Статья поступила в редакцию 16.05.2011, принята к опубликованию 24.06.2011

УДК 621.91.01

А.Н. Селиванов, Т.Г. Насад

РАСЧЕТ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОБРАБОТКИ ВАЛОВ МЕТОДОМ ВЫСОКОСКОРОСТНОГО ФРЕЗОТОЧЕНИЯ

Приводятся экономические расчеты, характеризующие обработку валов методом высокоскоростного фрезоточения. Рассчитывается стоимость обработки заготовки длиной один метр.

Валы, фрезоточение, высокоскоростное резание, себестоимость

A.N. Selivanov, T.G. Nasad

CALCULATION OF ECONOMIC EFFICIENCY OF PROCESSING OF SHAFT BY THE METHOD HIGH-SPEED TURN-MILLING

The economic calculations characterizing processing of shaft by a method high-speed turn-milling are resulted. Cost of processing of preparation long one meter pays off.

Shafts, turn-milling, high speed cutting, price cost

Повышение производительности и снижение себестоимости изготавливаемой продукции всегда являлись актуальными задачами производства. Обычно такие задачи решаются за счет применения современного высокопроизводительного оборудования, разработки и внедрения прогрессивного режущего инструмента, инструментальных материалов и схем резания. Все это связано с вложением денежных средств в большом количестве. При этом увеличение производительности обычно не превышает 20%, а увеличение себестоимости может достигать 20±5%.

Перед внедрением новых технологий и методов обработки в производство проводится экономический анализ для оценки результатов хозяйственной деятельности с целью выявления резервов и путей их мобилизации.

Nasad Tatiyana Gennadievna -

Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of the Department of «Technology and Equipment of Electro-chemical and Electro-physical Processing Methods» of Engels Technological Institute (branch) of Saratov State Technical University

Sedov Dmitrij Igorevich -

post-graduate faculty «Technology of Electrochemical and Electro-physical Processing Methods» of Engels Technological Institute (branch) of Saratov State Technical University