Перспективы применения минералокерамики и термоупрочненных сталей в качестве инструментального материала при выглаживании

редаваемого в теплообменнике теплового потока можно осуществить, воздействуя на расход горячей или холодной жидкости. Размеры теплообменника определяются количеством передаваемого в нем теплового потока Фто, водяными эквивалентами жидкостей Wг и Wx, начальным температурным напором между температурами горячей и холодной жидкости и коэффициентом теплопередачи кт. Коэффициент теплопередачи зависит в основном от коэффициентов теплоотдачи ааг и аах от стенок к горячей и холодной жидкости:

Расчеты по формуле (20) показали, что теплообменниками с выбранными характеристиками можно стабилизировать температуру охлаждающей жидкости в пределах ±2°С при мощности шлифования до 20 кВт и разнице температуры технической воды в процессе шлифования не менее 10°С.

Список литературы

1. Брон Л.С., Тартаковский Ж.Э. Гидравлический привод агрегатных

станков и автоматическихлиний.-М.Машиностроение, 1974.-328 с.

кт :=

*

аг + ах

При проектировании теплообменников нужно учитывать два требования: теплообменники должны иметь большую поверхность теплообмена и быть достаточно компактными, чтобы не увеличивать площадь, занимаемую станком. Были рассмотрены две схемы теплообменников:

1 схема. Теплообменник представляет собой систему двух труб разного диаметра, расположенных под днищем бака охлаждения. Труба меньшего диаметра, по которой пропускается нагретая жидкость, расположена внутри трубы большего диаметра, по которой пропускается техническая вода в качестве охладителя. Площадь теплоотдающей поверхности теплообменника F1 = 2,32м2.

2 схема. Теплообменник представляет собой систему параллельно - последовательно соединенных тепло-обменных устройств на базе масляных радиаторов автомобиля. Радиаторы располагались в баке с нагретой жидкостью, по ним пропускалась техническая вода. Площадь теплоотводящей поверхности F2 = 2,4м2.

Расчет коэффициента теплопередачи показал следующее:

КТ1 = 0,578 кВт/м2к или К,.^ =1,35 кВт/к,

К^ =0,5 кВт/м2к или К.^2=1,23 кВт/к.

Рассмотрим работу бака с теплообменником. Согласно [1], уравнения теплопередачи для бака с теплообменником при установившейся температуре будут:

Q - К • F • дтд0П := К1 • Fl • дт ,

К1 • ^ • дт := Св • р в • Ов • (твых - Твх) ,

ДТ := т бака + дт

т вхв + т выхв

д0П

2

При решении системы уравнений (19) можно рассчитать следующие величины:

а) при известной теплопередающей способности теплообменника и допустимой нестабильности температуры в индивидуальном баке охлаждения, температуре охлаждающей воды расход технической воды:

Q - К • F •дтдоп

О в :=-т-т,

( О • К • F •дтдоп |

2 • Св •р в -I Тбака - Твхв + дТдоп--к • ^- I

б) при известном количестве технической воды найти необходимые параметры теплообменника

К1 • :=

О - к • г • дт

доп

тбака твхв + дт

д - к • г • дт

доп

доп

2 • Св•Рв• Ов

Мосталыгин Г.П., Марфицын В.В., Мосталыгин А.Г. Курганский государственный университет, г. Курган

ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ МИНЕРАЛОКЕРАМИКИ И ТЕРМОУПРОЧНЕННЫХ СТАЛЕЙ В КАЧЕСТВЕ ИНСТРУМЕНТАЛЬНОГО МАТЕРИАЛА ПРИ ВЫГЛАЖИВАНИИ

Рассматриваются вопросы перспективности применения минералокерамики и термоупрочненных сталей в качестве инструментального материала для рабочей части выглаживателей на основе комплексных исследований.

Современные условия многономенклатурного производства с небольшими объемами изготавливаемых изделий диктуют необходимость применения экономичных технологических процессов механической обработки, обеспечивающих требуемые параметры качества поверхностного слоя деталей.

Методы поверхностного пластического деформирования (ППД) в полной мере отвечают вышеназванным требованиям.

В результате ППД формируются такие важнейшие параметры поверхностного слоя, как шероховатость и микротвердость. Исследованиями отечественных и зарубежных авторов доказано, что наиболее эффективным и экологически чистым методом является процесс выглаживания. Совершенствование процесса, снижение себестоимости может быть достигнуто применением недорогих и недефицитных материалов рабочей части инструментов, позволяющих получать требуемые параметры поверхностного слоя деталей.

В процессы выглаживания рабочая часть инструмента с определенной силой внедряется в поверхностный слой материала изделия и перемещается по обрабатываемой поверхности. Очевидно, что рабочая часть инструмента должна обладать особыми свойствами. Важнейшими из них являются: высокая твердость, износостойкость, антиадгезионная способность, низкий коэффициент трения по обрабатываемому материалу, высокий предел прочности на сжатие, высокая предельная температура эксплуатации.

Анализ физико-механических свойств современных инструментальных материалов, применяемых для обработки поверхностей изделий, позволил сделать следующий вывод. Наиболее высокими свойствами обладает природный алмаз, что определяет его наибольшую применяемость в качестве рабочей части выглаживателя. Однако алмазы имеют повышенную хрупкость, невысо-

кую предельную температуру эксплуатации (10330К) и уступают многим инструментальным материалам по прочности на изгиб и сжатие. Вышеназванные причины ограничивают возможность применения алмазных выглажи-вателей на прерывистых поверхностях, в условиях возникновения ударных нагрузок на инструмент, высоких скоростях обработки. Кроме этого, материал является дефицитным и дорогим.

В настоящее время как в России, так и за рубежом большое внимание уделяется современному инструментальному материалу-минералокерамике [1].

Минералокерамика уступает по твердости алмазу, однако имеет более высокий предел прочности при сжатии. К свойствам, определяющим его высокие эксплуатационные возможности, относятся: высокая предельная температура эксплуатации (18000К и выше); высокий предел прочности при сжатии (более 3000 МПа); при обработке черных металлов не наблюдается явление адгезии между поверхностью инструмента и поверхностью изделия; некоторые марки превосходят по стойкости твердые сплавы; стоимость значительно ниже алмаза.

Ограничением применения минералокерамики в качестве инструментального материала является адгезионное взаимодействие с рядом применяемых в машиностроении конструкционных материалов. Это обстоятельство инициировало поиск нового инструментального материала, отвечающего вышеназванным требованиям к материалу рабочей части выглаживателей.

В качестве таких материалов предлагается использовать термоупрочненные стали, технология получения которых разработана в Курганском государственном университете [2, 3].

На основании вышеизложенного была сформулирована задача исследования: обосновать использование минералокерамики и термоупрочненной стали в качестве рабочей части выглаживателей. Основными направлениями экспериментальных исследований были выбраны следующие:

- измерение значений температуры в зоне контакта "инструмент-д етал ь";

- исследование стойкости рабочей части выглажи-вателей.

Для проведения исследований был выбран способ выглаживания с жестким закреплением инструмента. При данном способе выглаживания происходит принудительное исправление погрешностей формы деталей как в продольном, так и в поперечном направлении, повышение точности размеров.

Принята цилиндрическая форма рабочей поверхности выглаживателей из минералокерамики и термоупрочненной стали. Выбор данной формы был основан на следующих положениях:

- выглаживание проводилось по наружным поверхностям цилиндрических деталей;

- геометрия инструмента не требует точной выверки инструмента на станке;

- цилиндрическая форма имеет больший период стойкости по сравнению со сферической формой, применяемой для алмазов;

- возможна переустановка инструмента по образующей его цилиндрической части относительно оси центров станка, что сокращает число переточек и приводит к повышению стойкости инструмента;

- обеспечиваются меньшие вибрации, чем у инструментов сферической формы, а следовательно, более высокие параметры качества поверхностного слоя деталей;

- для цилиндрической формы получение значений

минимальной шероховатости поверхности сдвигается в сторону больших значений продольных подач (повышение производительности процесса).

В качестве инструментального материала применялись термоупрочненные методом электроконтактного термоупрочнения (ЭТУ) стали и инструментальная минералокерамика марок В-3 и ВОК-60. Шероховатость рабочей части инструмента соответствовала Ra 0,015...0,02 мкм.

Определение возможности применения минералокерамики и термоупрочненной стали связано с установлением значений температуры в зоне контакта "инструмент-деталь".

Был предложен оригинальный способ, при котором измерение температуры осуществлялось в процессе выглаживания. Один из электродов термопары представлял собой никелевую фольгу толщиной менее 0,01 мм, находящуюся непосредственно в инструменте. В качестве другого электрода использовалась деталь. Деталь закреплялась на оправке в центрах токарного станка и соединялась проводниками через вращающийся центр, ртутную ванночку с электронным автоматическим потенциометром. Для измерения температуры детали придавалось вращение, а инструмент подводился к поверхности, внедрялся на заданную величину, и затем включалась подача Sпр. При этом потенциометр регистрировал значения контактных температур в зоне обработки.

Важным с точки зрения правильности определения максимальной температуры является учет особенностей деформирования обрабатываемой поверхности. Движение инструмента по поверхности детали сопровождается появлением перед ним волны деформации. В зависимости от значений параметров режимов выглаживания (сила выглаживания, продольная подача, радиус инструмента) дуга, по которой происходит контакт инструмента с поверхностью образца, может изменяться по величине за счет увеличения или уменьшения валика выдавливаемого металла. Точка, в которой развивается максимальная температура, будет находиться на дуге контакта.

Применение данного способа дает возможность поиска точки контакта инструмента с деталью, в которой развивается максимальная температура. Сохранение контакта инструмента с деталью в течение длительного времени позволяет устанавливаться определенному градиенту температуры в фольге, а следовательно, снижает погрешность измерения температуры.

Так, для выглаживания образцов из стали 45 при реализации сглаживающе - упрочняющего режима обработки (Ш 60 мм - образец, п=500 мин-1, Рх=200Н, s=0,1 мм/об) максимальные значения температур в зоне контакта "инструмент-деталь" для минералокерамических выглаживателей и изготовленных из термоупрочненной стали составляют 350-3800 С.

Расхождение значений контактных температур, полученных по теоретической зависимости [4] и в результате экспериментальных исследований, не превышает 2,5-4,5%.

Таким образом, величины контактных температур значительно ниже предельных температур эксплуатации минералокерамики и термоупрочненных сталей.

Экспериментальные исследования по определению стойкости выглаживателей проводились для трех групп материалов с твердостью: 90.180 НВ (Бр. 9-4-1); 180.220 НВ (сталь 40Х); 220.250 НВ (сталь 45ХНМФА).

В качестве критерия износа рабочей части выгла-живателя принималось значение среднего арифметического отклонения профиля поверхности ^а), превышающее минимально получаемое значение на один уровень.

СЕРИЯ «ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ», ВЫПУСК 1

95

Так, для Бр. 9-4-1 при минимальной подаче S= 0,050 мм/об возможно получение шероховатости Ra=0,050 мкм. Эксперимент прекращался при достижении предпочтительного (ГОСТ 2789-73 в редакции 1990 года) значения Ra=0,100 мкм.

Результаты исследований приведены в таблице 1.

На основании полученных данных можно сделать вывод, что наиболее целесообразными областями применения минералокерамических выглаживателей являются материалы 2 и 3 групп твердости, а для термоупроч-ненных сталей - 1 и 2 групп. Ограниченность применения минералокерамики для материалов 1 группы обусловлена адгезионным взаимодействием с рядом цветных сплавов.

Таблица 1

По предварительным данным исследований, при оптимальных режимах выглаживания минералокерами-ческим инструментом степень наклепа составляет 1,5-2,2, глубина наклепа 0,18-0,26 мм. Сжимающие остаточные напряжения первого рода достигают 1320 МПа. Износостойкость выглаженной поверхности в 1,6-4,9 раза выше износостойкости поверхности, подвергнутой чистовому точению. Выглаживание минералокерамическим инструментом повышает предел выносливости на 18-38 %, что не ниже повышения предела выносливости при выглаживании алмазным инструментом.

Комплексными исследованиями состояния поверхностного слоя установлено, что при сглаживающе-упроч-няющих режимах выглаживания в тонком поверхностном слое обрабатываемых деталей происходят фазовые превращения, связанные с действием температурного фактора. Микроструктура выглаженной поверхности представляет собой мелкодисперсную бейнитную структуру

Материалы, полученные в результате экспериментально-теоретических исследований, позволяют говорить о перспективности применения минералокерамики и термоупрочненных сталей в качестве инструментальных материалов в процессе выглаживания.

Список литературы

1. Ceramic insight Softening futurechock- Tooland Products.- 1989.- № 11.-

Р. 66-70.

2. АС 1650767 (СССР) С 23С8/64 Способ обработки стальных изделий /

Ю.Г. Гуревич, А.П. Кузьмичева, Д.Е. Дорфман, Н.Д. Багрецов -заявлено 14.12.88, опубл. 23.05.91, Бюл. № 19.

3. Гуревич Ю.Г., Мосталыгин Г.П., Марфицын В.В.и др. Износостой-

кость сталей после электроконтактного термоупрочнения // Износостойкость машин: Тез. докл. Всесоюзн. научн. техн. конф. - Брянск, 1991. - 93 с.

4. Башков Г.П. Выглаживание восстановленных деталей. - М.: Машиностроение, 1979. - 80 с.Остапчук А.К., Канаев А.С. Курганский государственный университет, г. Курган

НЕПРЕРЫВНЫЙ КОНТРОЛЬ СОСТОЯНИЯ РЕЖУЩИХ ИНСТРУМЕНТОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СИГНАЛОВ ВИБРОАКУСТИКИ

В данной статье рассмотрены вопросы по контролю и износу режущего и выглаживающего инструмента. Показана взаимосвязь износа инструмента и вибрациями технологической системы. Предложен метод оценки износа инструмента и шероховатости поверхности в процессе обработки.

Непрерывный контроль состояния режущих инструментов в процессе обработки является актуальной задачей, осуществляемой с целью предотвращения повреждения станков и дорогостоящих деталей, а также для оптимизации использования станков при минимальном вмешательстве оператора в их работу.

Решение проблемы непрерывного измерения износа инструмента позволит более рационально использовать ресурс инструмента и устранить опасность преждевременного его разрушения. Анализ существующих методов непрерывного контроля износа режущего инструмента показал, что наиболее перспективным с практической точки зрения является метод, основанный на использовании в качестве характеристики износа уровня вибрации как при резании, так и при методах ППД, в частности в,ыглаживании. Определение износа инструмента по изменению уровня вибрации при обработке дает лишь приблизительную картину интенсивности износа. Предварительные эксперименты показали, что при увеличении износа инструмента увеличивается общий уровень вибрации технологической системы. Максимальное увеличение отмечено для составляющей вибрации по оси Z, а минимальное - по оси Х. Кроме того, анализ суммарных сигналов вибрации показал, что спектр сигналов содержит определенные частоты, пригодные для определения износа инструмента. Датчик, размещенный, например, на револьверной головке токарного станка, может осуществлять детектирование этих колебаний. При этом в полученном от датчика сигнале имеется характеристический признак условий резания. Если условия резания меняются, например, вследствие износа инструмента, то меняется и характеристический признак. Подобным же образом определенный характеристический сигнал, который может быть идентифицирован, создается и при поломке инструмента. Износ и возникновение источника виброакустического сигнала обусловлены следующими факторами: пластической деформацией в зонах сдвига; растрескиванием; скольжением стружки вдоль передней поверхности инструмента; трением задней поверхности инструмента о деталь и т.д.

Анализ указанных факторов позволяет применительно к износу инструмента создать модель, связывающую эффективную величину виброакустического сигнала VRms с параметрами процесса резания.

Были проведены работы по определению разрушения и износа инструмента в условиях точения и выглажи-

Эффективность выглаживания при различных условиях

Материал выглажива-теля Радиус выглажи-вателя, мм Обрабатываемый материал Режим обработки Стойкость в часах машинного времени

n, мин" 1 s, мм/об h,„, мкм

Минералокерамика ВОК-60 6,5 Бр. 9-4-1 250 0,05 30 60 90 10,5-12,5 9,2-11,2 7,9-10,0

Термоупрочненная сталь 11,5-13,2 10,1-11,4 9,1-10,2

Минералокерамика ВОК-60 6,5 сталь40Х 250 0,05 30 60 90 8,5-10,7 8,5-9,1 7,5-8,3

Термоупрочненная сталь 8,5-9,2 7,8-8,5 7,5-8,3

Минералокерамика ВОК-60 5,5 сталь 45ХНМФА 250 0,05 30 60 90 7,5-8,5 6,7-7,2 8,5-6,3

Термоупрочненная сталь 5,1-6,1 4,5-5,0 3,1-4,1