Особенности формирования высоты микронеровностей при токарной обработке коррозионно-стойких сталей и разработка математических моделей для расчета задаваемого значения параметра шероховатости r a обрабатываемой поверхности

ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ РЕЗАНИЕМ

УДК 621.9.015

Особенности формирования высоты микронеровностей при токарной обработке коррозионно-стойких сталей и разработка математических моделей для расчета задаваемого значения параметра шероховатости Ra обрабатываемой поверхности

А. Л. Плотников, А. С. Сергеев, Н. Г. Зайцева

Рассмотрены особенности формирования высоты микронеровностей с позиций реальной схемы резания, предложены математические модели расчета параметра шероховатости Яа для использования в САПР ТП.

Ключевые слова: шероховатость, теплопроводность, коррозионно-стойкие стали, контактные процессы, САПР ТП.

Введение

Обработка коррозионно-стойких сталей сопряжена с низким качеством получаемых поверхностей, повышенным износом инструмента и, как следствие, вынужденным занижением режимов резания. Однако степень использования представленных материалов в промышленности велика и проблема обеспечения качества обработанной поверхности является актуальной. Среди показателей качества обработки важное значение имеет параметр шероховатости Яа, значение которого закладывается в технологический процесс механической обработки на стадии проектирования. При этом задаваемая величина Яа в условиях получистового и чистового точения выступает в качестве основного ограничения при выборе режимов обработки.

Развитие компьютерных технологий в металлообработке предполагает широкое использование систем автоматического проектирования на стадии подготовки технологического процесса (САПР ТП). В структуре САПР ТП в обязательном порядке содержится модуль расчета режимов обработки. Алгоритмы расчета основных параметров обработки для конструкционных и легированных сталей, таких как составляющие силы резания, ско-

рость резания, мощность резания, точность обработки и качество обработанной поверхности, построены на математических моделях указанных параметров, содержащихся в справочно-нормативной литературе. Однако в справочно-нормативной литературе по резанию труднообрабатываемых материалов [1] отсутствуют методики и математические модели расчета параметров шероховатости при точении коррозионно-стойких сталей, что затрудняет работу САПР ТП. Необходимо разработать надежные математические модели расчета параметра шероховатости Яа при точении заготовок из коррозионно-стойких сталей и тем самым расширить возможности использования САПР ТП в практике металлообработки.

Разработка математических моделей

Отсутствие математических моделей основных параметров обработки труднообрабатываемых сталей приводит к тому, что в практике металлообработки приходится использовать заводские руководящие технологические материалы (РТМ) по выбору режимов резания и геометрии инструмента для обеспечения заданного класса шероховатости. Эти реко-

мендованные табличные значения различаются на каждом заводе или в одной отрасли. Использование их в САПР ТП не дает гарантии сходимости расчетных значений с действительными, и остается нерешенной задача автоматизированного выбора рациональных режимов резания на стадии проектирования.

Как известно, при обработке конструкционных и легированных сталей параметр Яа снижается при увеличении скорости обработки, что связано с уменьшением теплопроводности этих сталей и ростом температуры и, как следствие, с уменьшением доли хрупкого и увеличением доли вязкого разрушения.

По-иному изменяется коэффициент теплопроводности у сталей мартенситного, аусте-нитного и мартенситно-ферритного классов [стали типа 12Х18Н10Т, 03Х18Н9, 20X13, 14Х17Н2, ЭИ961 (13Х11Н2В2МФ)]: с ростом температуры при росте скорости резания коэффициент теплопроводности стали увеличивается (рис. 1). Следует ожидать, что формирование шероховатости обработанной поверхности этой группы сталей будет отличаться от формирования при обработке углеродистых и конструкционных сталей.

При этом логично предположить, что характер изменения шероховатости в зависимости от скорости резания (температуры резания) должен быть диаметрально противоположным, учитывая иной характер зави-

к, Вт/(м • °С) 60

50

40

30

20

10

Н—'

ст45

ЭИ961

12Х18Н10Т

20X13

17Х18Н9

14Х17Н2

18ХГТ

30Х

0

20 100 200300400500600 700 800 Т, °С

Рис. 1. Изменение теплопроводности к аустенитно-го, мартенситного, мартенситно-ферритного классов коррозионно-стойких сталей и конструкционных углеродистых сталей при увеличении температуры Т [2]

симости теплопроводности этих сталей от температуры. Экспериментальные исследования по влиянию скорости резания на высоту микронеровности при обработке серии коррозионно-стойких сталей твердосплавными инструментами подтвердили эти предположения для зоны высоких скоростей.

На рис. 2 приведены графические зависимости параметра шероховатости Яа от скорости резания в диапазоне 10-90 м/мин при глубине резания 1 мм, подаче 0,11 мм/об для контактных пар «сталь — твердый сплав»: 14Х17Н2 — Т5К10, ЭИ961 — ОС4225, ЭИ961 — ВК8. Скоростной диапазон экспериментальных исследований выбран в соответствии с рекомендациями по токарной обработке коррозионно-стойких сталей твердосплавными режущими пластинами [1]. Микронеровности обработанных поверхностей регистрировались с помощью профилографа-профилометра «Абрис-ПМ 7» — первичного преобразователя по ГОСТ 19300-86, степень точности 1.

Но, как видно из рис. 2, зависимость Яа от скорости резания в исследованном диапазоне неоднозначна. Выявлены два диапазона скоростей, где характер зависимости диаметрально противоположный. Начиная со скорости 10 м/мин наблюдается снижение шероховатости, минимальное значение шероховатости лежит в интервале 30-40 м/мин, затем по мере увеличения скорости резания оно снова увеличивается, что абсолютно не похоже на характер изменения микронеровностей при обработке углеродистых и конструкционных сталей. Чем вызван такой характер изменения? Теоретические основы условной схемы стружкообразования не дают исчерпывающего ответа на этот вопрос.

А. И. Исаев в работе [3], рассматривая влияние рабочих параметров токарной обработки и геометрии инструмента на высоту микронеровностей, подчеркивает роль пластической деформации металла в механизме их образования. Там же показано отрицательное влияние нароста металла на передней поверхности инструмента на качество обработанной поверхности в диапазоне низких скоростей. Однако полученные экспериментальные зависимости высоты микронеровностей в низком диапазоне скоростей обработки коррозионных сталей нельзя объяснить влиянием классического нароста хотя бы потому, что одинаковое значение величины Яа (4 мкм) при обработке, например, стали 14Х17Н2 (рис. 2) получено и на скорости 15 м/мин, что можно предпо-

Яа, мкм

6 5 4 3 2 1 0 <

А К--

V к. i У / / N с-- ---

\ у К. > —«

-- 1 1 —

V, м/м

10 20 30 40 50 60 70 80 90

14Х17Н2-Т5К10 5,90 2,19 1,84 3,10 4,08 4,39 4,39 4,41 4,49

ЭИ961-ОС4225 5,40 3,30 2,80 2,58 2,06 2,62 2,40 2,00 1,79

ЭИ961-ВК8 5,00 3,54 3,18 2,12 3,04 2,64 4,00 3,28 3,10

Рис. 2. Изменение параметра Яа при увеличении скорости резания V

ложительно объяснить влиянием классического нароста, и на скорости 50 м/мин, где нароста по условиям обработки нет. Такие же парадоксы наблюдаются и при обработке других марок коррозионно-стойких сталей.

Нестандартный характер изменения высоты микронеровностей от скорости резания в низком диапазоне скоростей объясняется с позиций реальной схемы резания, разработанной Н. В. Талантовым [4], влиянием особого вида контактного взаимодействия, наличием в зоне контактных пластических деформаций так называемой зоны относительного застоя (рис. 3), изменяющей по аналогии с наростом передний угол резца у в пределах его отрицательного значения.

Существование зоны относительного застоя связано с определенным количественным отношением коэффициентов теплопроводности инструментального и обрабатываемого материала ЛиДст. Чем меньше это отношение, тем шире скоростной диапазон существования

ШЙ I

Рис. 3. Микрошлиф корня стружки [4]:

1 — твердый сплав ВК6; 2 — зона относительного застоя; 3 — сталь 12Х18Н10Т; V = 22,5 м/мин; 5 = 0,3 мм/об, г = 1,5 мм

этой зоны. Если соотношение ^и/^ст больше, равно единице или незначительно меньше ее, зона относительного застоя не образуется. В работе [4] подчеркивается, что зона относительного застоя — это не нарост в классическом виде. Микротвердость ее примерно вдвое меньше микротвердости нароста, в ее пределах существует пластическое течение металла. Высота зоны относительного застоя изменяется при изменении скорости резания коррозионно-стойких сталей, так как изменяется отношение ЛиДст. Образование зоны относительного застоя, начиная с определенной скорости резания, увеличивает условный передний угол инструмента в пределах его отрицательного значения. Это приводит к увеличению высоты микронеровностей. При дальнейшем увеличении скорости резания (температуры в зоне резания) зона относительного застоя уменьшается, уменьшается и значение условного переднего угла, что приводит к уменьшению высоты микронеровности. В интервале 30-40 м/мин зона относительного застоя исчезает и дальнейший рост Яа при увеличении скорости резания во втором скоростном диапазоне происходит по другому механизму.

Но вернемся к первому (низкому) скоростному диапазону. Если положения реальной схемы резания о роли зоны относительного застоя в формировании высоты микронеровностей верны, тогда ее влияние должно проявиться и на характере изменения горизонтальных составляющих силы резания через изменение переднего угла (размера зоны относительного застоя). В работе [4] указывается,

2

1

P 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100

что явления, происходящие в зоне p, H

контактных пластических деформаций, определяют характер изменения в первую очередь горизонтальных составляющих силы резания.

На рис. 4 и 5 представлены графики изменения составляющих силы резания в том же скоростном диапазоне, что и на графиках рис. 2.

Обращает на себя внимание характер изменения составляющей силы резания Ру, повторяющий график изменения величины Ra в низком скоростном диапазоне. Силу резания измеряли тензометрическим токарным динамометром DKM 2010 (фирмы TeLC, Германия), интегрированным с персональным компьютером, который обеспечивает высокую точность измерения составляющих силы резания (погрешность измерения 0,1 %). Гипотеза об одинаковом влиянии в диапазоне низких скоростей зоны относительного застоя на изменение микронеровностей и изменение составляющей Ру подтверждается.

Что касается механизма формирования микронеровностей во втором (высоком) скоростном диапазоне, то он проявляется через влияние теплоты, поступающей в заготовку и связанной с увеличивающейся теплопроводностью этих сталей, точнее с изменением отношения Аи/Аст. Это отношение определяет

P, H 1400

1200

1000

800

600

400

200

м/мин

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

—*—Px 600 600 600 600 590 600 640 600 600 600

-*-Py 650 550 490 590 600 680 650 600 650 640

Pz 860 780 750 680 640 670 700 685 680 690

Рис. 4. Изменение составляющих силы резания при токарной обработке стали 14Х17Н2 твердосплавным резцом ТТ7К12 в диапазоне скоростей 10-100 м/мин

долю (процентное отношение) хрупкого или вязкого разрушения. В данном случае повышение теплопроводности коррозионно-стойких сталей из-за роста температуры резания (скорости резания) приводит к увеличению доли хрупкого разрушения, т. е. к увеличению Ra. Это согласуется с металловедческим аспектом [5] об изменении температурного интервала разрушения (порога хладноломкости) сталей, имеющих объемоцентрирован-ную кубическую или гексогональную решетку, когда вязкое разрушение при высокой температуре сменяется на хрупкое.

В результате проведенных экспериментальных исследований разработаны математические модели для расчета параметра шероховатости обрабатываемой поверхности Ra заготовок из сталей аустенитного, мартенситного и мартенситно-ферритно-го классов для двух различных диапазонов скоростей резания [6]: от 41 до 120 м/мин —

v, м/мин

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

-*-Px 740 780 770 810 825 810 835 800 790 780

--Py 800 665 535 570 810 705 800 740 725 725

Pz 1150 1000 900 875 875 870 870 845 840 825

Ra = 10,8

¿0,7g0,239v0,322

Рис. 5. Изменение составляющих силы резания при токарной обработке стали ЭИ961 твердосплавным резцом Т15К6 в диапазоне скоростей 10-100 м/мин

£0,756

от 10 до 40 м/мин —

¿0,189 s0,279

R = 109 —_—_

a £0,647v0,298 '

v

Таблица

Контактная пара (режимы резания) Значение параметра Ra, мкм Ошибка, %

расчетное по (1) расчетное по (2) опытное

03Х18Н9-ВК8 (t = 1 мм, S = 0,15 мм/об, v = 80 м/мин, Е = 17,4 мВ) 3,25 - 3,2 1,5

20Х13-ВК8 (t = 1 мм, S = 0,09 мм/об, v = 100 м/мин, Е = 23,6 мВ) 2,45 - 2,6 5,7

14Х17Н2-Т5К10 (t = 1 мм, S = 0,11 мм/об, v = 80 м/мин, Е = 18 мВ) 2,94 - 3,05 3,6

12Х18Н10Т-Т5К10 (t = 1 мм, S = 0,09 мм/об, v = 100 м/мин, Е = 15,9 мВ) 3,31 - 3,33 0,6

3H961-GC4225 (t = 1 мм, S = 0,09 мм/об, v = 90 м/мин, Е = 3,7 мВ) 2,85 - 2,96 3,7

14Х17Н2-Т5К10 (t = 1 мм, S = 0,11 мм/об, v = 40 м/мин, Е = 18,0 мВ) - 3,02 3,09 2,3

3H961-GC4225 (t = 1 мм, S = 0,09 мм/об, v = 30 м/мин, Е = 18,5 мВ) - 3,06 2,80 9,3

12Х18Н10Т-Т5К10 (t = 1 мм, S = 0,09 мм/об, v = 40 м/мин, Е = 15,9 мВ) - 2,90 3,10 6,4

где Е — значение термоЭДС пробного прохода контактной пары «инструмент — заготовка», мВ; г — глубина резания, мм; 5 — подача, мм/об; V — скорость резания, м/мин.

В таблице приведены результаты сравнения рассчитанных по формулам (1), (2) и опытных значений параметра шероховатости Яа.

Модели обеспечивают совпадение расчетного и измеренного значений с ошибкой, не превышающей 10 %.

Выводы

Особенностью предложенных математических моделей по расчету параметра шероховатости Яа, является то, что введение в уравнения (1), (2) термоЭДС пробного прохода как комплексной оценки свойств контактных пар повышает точность определения параметра Яа. Это позволяет при допустимом ТУ разбросе физико-механических и теплофизических свойств со стороны твердого сплава и обрабатываемых сталей оперативно учитывать сочетание свойств контактных пар и геометрии инструмента [7]. Разработанные математические модели могут быть использованы для построения алгоритмов автоматизированного расчета на этапе проектирования технологи-

ческого процесса токарной обработки коррозионно-стойких сталей в САПР ТП или самой системой ЧПУ станка, содержащей модуль расчета режимов резания.

Литература

1. Режимы резания труднообрабатываемых материалов: справ. /Я. Л. Гуревич, М. В. Горохов, В. И. Захаров [и др.]. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1986. 240 с.

2. Стали и сплавы. Марочник: справ. / В. Г. Сорокин [и др.]; под ред. В. Г. Сорокина, М. А. Герасьева. М.: Интермет инжиниринг, 2001. 608 с.

3. Исаев А. И. Микрогеометрия поверхности при токарной обработке. М.; Л.: Изд-во Академии наук СССР, 1950. 106 с.

4. Талантов Н. В. Физические основы процесса резания, изнашивания и разрушения инструмента. М.: Машиностроение, 1992. 240 с.

5. Гуляев А. П. Металловедение: учеб. 5-е изд. перераб. М.: Металлургия, 1977. 648 с.

6. Свид. о гос. регистрации программы для ЭВМ № 2013618267 от 4 сент. 2013 г. РФ. Расчет величины среднего арифметического отклонения профиля обработанной поверхности при точении коррозионно-стойких сталей твердосплавным инструментом / Н. Г. Зайцева, А. С. Сергеев, А. Л. Плотников; ВолгГТУ. 2013.

7. Плотников А. Л., Таубе А. О. Управление режимами резания на токарных станках с ЧПУ. Волгоград: Политехник, 2003. 184 с.