СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ И КОЛИЧЕСТВЕННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДЕФЕКТОВ СВЕРЛЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF DETECTION AND QUANTITATIVE DETERMINATION OF DRILLING DEFECTS AND DEVICE TO THIS END

Настоящее изобретение относится к области обработки металлов режущим инструментом, вращающимся вокруг своей оси; в частности, оно касается сверления отверстий при помощи твердосплавного сверла.
Для осуществления сверления отверстий в детали последнюю зажимают между губками тисков, а сами тиски закрепляют на верстаке. После этого сверло соответствующего диаметра приближают к поверхности детали и приводят во вращение одновременно перемещая его в осевом направлении для его углубления в материал. Сверло 10, пример которого показан на фиг.1, содержит головку 11 в виде заостренного усеченного конуса с одной или несколькими режущими кромками 12, износ Vb которых измеряют по задней поверхности. Сверло содержит спиралевидные желобки 13, предназначенные для удаления стружки. Наружный край желобков образует ленточку 14. Сверло 10 удерживается в съемном патроне 2, который устанавливают в шпинделе, направляемом соответствующими средствами. Приводное устройство для сверла содержит первый привод, вращающий шпиндель вокруг его оси, и второй привод, обеспечивающий осевое перемещение шпинделя, как показано на фиг.2. Это устройство для механической обработки оснащено также системой 3 наружной смазки или внутренней смазки через сверло. Сама деталь 4 удерживается зажатой в тисках 5.
В отсутствие дефектов отверстие выглядит в виде цилиндра диаметром, соответствующим диаметру сверла, и его стенки содержат равномерные риски, перпендикулярные к оси отверстия. Однако, при некоторых условиях обработки, геометрии отверстия и износа инструмента отверстие может содержать некоторое количество дефектов, образовавшихся за счет осаждения материала в результате плохого удаления стружки или из-за локального изменения металлургической структуры, связанного с сочетанием механического и термического воздействия.
Можно определить три основных типа дефектов:
Первый дефект, называемый прилипанием дробленой стружки и в дальнейшем обозначаемый CCI, можно наблюдать на внутренней стенке отверстия. Речь идет о фрагментах стружки, прикипевших к поверхности отверстия в направлении, перпендикулярном к оси отверстия.
Второй дефект, называемый линией сдвига материала и в дальнейшем обозначаемый ВМС, возникает в результате интенсивного перемешивания большого количества стружки и материала на поверхности отверстия во время фазы сверления. Этот материал расплющивается на поверхности отверстия во время обработки, затем заглаживается ленточками сверла во время его подъема, оставляя множество рисок на поверхности отверстия.
Третий наблюдаемый дефект называется зоной термомеханического влияния и обозначается ZATM. В отличие от двух предыдущих дефектов в данном случае механическое воздействие сочетается с гораздо более сильным термическим воздействием, существенно изменяя микроструктуру стенки отверстия на большей глубине и по всей глубине, или на части глубины между входом и выходом отверстия.
Настоящая патентная заявка не ограничивается только этими типовыми дефектами, и в рамках настоящего изобретения можно рассматривать многие другие дефекты. Их обнаружение и количественная характеристика будут зависеть в этом случае от их МП-сигнатуры.
Причины возникновения дефектов могут быть самыми разными. Среди причин дефектов можно выборочно указать следующие:
- Недостаточная смазка из-за отказа масляного насоса, неправильного направления струи масла или неправильной пропорции между маслом и водой и т.д.;
- Плохое удаление стружки, в частности, при выполнении глубоких и/или наклонных отверстий, в которых скапливание материала происходит очень часто;
- Плохой выбор или плохое программирование параметров резания (в частности, резание на скорости, превышающей критическую, или недостаточная скорость поступательного перемещения);
- Износ и/или плохая заточка инструмента или дефект его покрытия;
- Неправильный подбор патрона;
- Плохая балансировка шпинделя;
- Неправильное положение инструмента в патроне;
- Плохое зажатие детали в тисках;
- Неправильный выбор инструмента: геометрия, тип, материал и т.д.;
- Слишком короткий перерыв между сверлением отверстий, в частности, при сверлении SL.
Объект изобретения
В области авиационной промышленности и, в частности, при изготовлении деталей, которые являются критическими с точки зрения, например, безопасности, наличие одного или нескольких вышеупомянутых дефектов является нежелательным.
В связи с этим стараются обнаружить их присутствие и определить их количественную характеристику как можно раньше, то есть, в частности, во время сверления заготовки, чтобы отбраковать деталь или выбрать наиболее приемлемый способ устранения дефектов во время этапов чистовой обработки.
Кроме того, знание типа дефекта, его серьезности и его влияния на механические свойства может позволить осуществлять контроль за качеством деталей, не прибегая систематически к методам неразрушающего контроля, что в результате дает существенный выигрыш во времени.
Главной задачей настоящего изобретения является обнаружение, по меньшей мере, одного из вышеуказанных типов дефектов, рассматриваемых отдельно или в комбинации, при помощи неразрушающих средств при сверлении отверстия.
Задачей настоящего изобретения является также количественное определение типового или типовых дефектов.
Задачей настоящего изобретения является также обнаружение, по меньшей мере, одного дефекта на основании трехмерных измерений, производимых в зависимости от времени во время операции сверления, причем определение таких параметров предпочтительно может производиться при помощи обычного измерительного стола, не требующего наличия сложных датчиков.
Сущность изобретения
плато
плато
max
mах
max
плато
mах
плато
Fzmax
Fzплато
Сmах
Сплато
плато
плато
max
mах
плато
плато
крит.
крит.
сред
сред
сред
сред
сред
сред
Fzсред
Fzсред
Ссред
Ссред
Объектом настоящего изобретения является способ обнаружения и, в случае необходимости, количественного определения дефектов сверления в металлической детали, при этом сверление осуществляют при помощи сверла, характеризующийся тем, что определяют в зависимости от времени совокупность значений, по меньшей мере, одного из осевого усилия прохождения сверла в металлическом материале Fz(t) и момента сил C(t), возникающих во время, по меньшей мере, части операции сверления, выделяют из них значения Fz и С, соответствующих горизонтальному участку кривой на графике и свидетельствующих об отсутствии дефекта, значения Fz и С, соответствующих максимальным значениям и свидетельствующих о наличии дефекта, и определяют соотношения Fz/Fz и/или С/С и/или, в случае необходимости, соотношения участков Участок/Участок и/или Участок/Участок, которые являются участками под кривыми Fz(t) или C(t), нижними границами которых являются Fzили С, а верхними границами - Fz или С, приведенные к участкам под кривыми Fz(t) или C(t), верхними границами которых являются Fz или С, а затем используют полученные совокупности значений для выявления типа дефекта и степени его серьезности, и, с другой стороны, определяют совокупность значений, связанных с износом по скосу Vb сверла, таким как Nb, соответствующим критическому числу просверленных отверстий для Vb=0,3 мм (заточка сверла), а также Vb* и Nb*, соответствующим первому появлению рассматриваемого дефекта, а также выделение значений Fz(Nb) и С(Nb) в зависимости от числа просверленных отверстий, соответствующих средним значениям сигналов на входе режущих кромок в материал, и определение соотношений Fz(Nb)/Fz(Nb=1) и/или С(Nb)/С(Nb=1) и/или, в случае необходимости, соотношение участков Участок(Nb)/Участок(Nb=1) и/или Участок(Nb)/ Участок(Nb=1) таким образом, чтобы составить представление о появлении дефекта, связанного с износом.
Количественное определение дефектов осуществляют путем определения критериев серьезности дефекта в зависимости от этих усилий и/или параметров резания и геометрических параметров и/или параметров износа по скосу сверла. Кроме этих дефектов, любой другой дефект, порождающий избыток усилия или момента сил без истинного отображения на сигналах значения плато и/или максимального значения, обрабатывают, в частности, путем анализа участков. Значение плато выводят в этом случае из пробного сверления с теми же параметрами резания, при этом никакой дефект не проявляется в случае, если причины дефекта не связаны с параметрами резания (Vc, f).
Таким образом, способ в соответствии с настоящим изобретением характеризуется, по меньшей мере, одним из следующих отличительных признаков:
- анализ сигналов усилия Fz и момента C, выведенного из поперечных усилий (Fx и Fy);
- расчет соотношений между максимальным значением и минимальным значением (значение плато) усилия прохождения (Fz) и момента (С);
- расчет участков под кривыми сигналов, а также расчет их соотношений;
- расчет длин заусенцев (Lb), углов наклона рисок (β'), оставленных носиками или ленточками во время подъема сверла;
- расчет времени сверления (tp) и времени очистки (td) в качестве средств контроля за ошибкой программирования;
- наблюдение за цветовыми ореолами на входе и/или выходе отверстия в качестве неразрушающего средства детектирования морфологии ZATM и оценки затронутой глубины;
- анализ последствий износа по Vb сверла по форме сигналов и их характеристическим параметрам.
0
4
Объектом настоящего изобретения является также устройство для осуществления способа, содержащее средство отображения и обработки поперечных Fx, Fy и осевого Fz усилий в зависимости от времени между t и t, средство хранения данных, характеризующих сигналы, для обнаружения и количественного определения дефектов и средство отображения и обработки этих данных, а также данных, связанных с износом по скосу сверла.
Далее следует более подробное описание изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг.1 изображает вид сверла с головкой в виде заостренного усеченного конуса и с двумя режущими кромками.
Фиг.2 - вид устройства сверления.
Фиг.3 - схему системы определения усилий Fz и С.
Фиг.4 - различные этапы сверления и геометрические параметры, связанные со сверлением.
Фиг.5 - изменение во времени осевого усилия Fz для отверстия без дефектов.
Фиг.6 - изменение во времени момента С для отверстия без дефектов.
Фиг.7 - вид поверхности типового полуотверстия, где
Фото 7а - поверхность, на которой наблюдаются риски от обработки и спиралевидные царапины;
Фото 7b со сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) - риски от обработки, отстоящие друг от друга на половину прохода, и спиралевидная царапина с наклоном под углом β';
Фото 7с с оптического микроскопа (ОМ) - состояние микроструктуры на краю отверстия без дефекта, где наблюдается очень легкая деформированная зона.
Фиг.8 - вид типового полуотверстия с дефектом CCI, где
СЭМ-картография 8а - множество дробленых стружек, имеющих направление, перпендикулярное к оси отверстия, и равномерно распределенных от входа к выходу отверстия;
ОМ-фото 8b - вид плохого прилипания отдельной стружки с продольного разреза типового отверстия с CCI;
ОМ-фото 8с - вид более или менее заглубленной отдельной стружки с хорошим прилипанием к поверхности отверстия;
ОМ-фото 8d - вид заусенца на выходе типового отверстия с CCI.
Фиг.9 - изменение во времени усилия Fz в случае CCI.
Фиг.10 - изменение во времени момента С в случае CCI.
Фиг. 11 - вид типового полуотверстия с CCI+BMC, где
ОМ-фото 11а поверхности, на которой наблюдается множество спиралевидных царапин на поверхности отверстия, направленных под углом β';
ОМ-фото 11b по продольному разрезу: фото 11с, 11d, 11e и 11f - увеличенный вид в четырех разных местах края отверстия;
ОМ-фото 11с - вид линии сдвига материала MCI со смежной линией пластической деформации DPI для типового отверстия с CCI+BMC;
ОМ-фото 11d - вид заусенца на выходе типового отверстия с CCI+BMC;
ОМ-фото 11е - вид дробленой стружки CI2, заглубленной в сдвиг материала МС2 c линией пластической деформации DP2;
ОМ-фото 11f - вид дробленой стружки CI3, прикипевшей к сдвигу материала МС3 с линией пластической деформации DP3.
Фиг.12 - изменение во времени усилия Fz в случае типового отверстия с комбинацией дефектов (CCI+BMC).
Фиг.13 - изменение во времени момента С в случае типового отверстия с комбинацией дефектов (CCI+BMC).
Фиг.14 - вид типового отверстия с комбинацией дефектов CCI+BMC+ZATM, где
Фото 14а - продольный разрез: фото 14b, 14c, 14d и 14е - увеличенный вид в разных местах края отверстия.
ОМ-фото 14b - дробленая стружка CI4, заглубленная в сдвинутый материал МС4 с зоной пластической деформации DP4;
ОМ-фото 14с - дробленая стружка CI5, прикипевшая на сдвинутом материале MC5 с зоной рекристаллизации ZR5;
ОМ-фото 14d - дробленая стружка CI6, заглубленная в ZATM6;
СЭМ-фото 14е - локализованная ZATM на выходе типового отверстия с CCI+BMC+ZATM;
Фото 14f - два ОМ-фото, где показана форма ZATM по продольным разрезам: треугольная ZATM (ZATMt7) и прямоугольная ZATM (ZATMr7);
Фото 14g - два ОМ-фото, где показаны цветовые ореолы на входе и на выходе типового отверстия с CCI+BMC+ZATMr.
Фиг.15 - изменение во времени усилия Fz в случае типового отверстия с комбинацией дефектов (CCI+BMC+ZATM).
Фиг.16 - изменение во времени момента С в случае типового отверстия с комбинацией дефектов (CCI+BMC+ZATM).
max
плато
Фиг.17 - график соотношения Fz/Fz в зависимости от времени сверления tp в случае типового отверстия с CCI+BMC+ZATM.
Фиг.18 - график Е в зависимости от Vc в логарифмическом масштабе в случае типового отверстия с CCI+BMC+ZATM.
max
Фиг.19 - график, показывающий измеренную ZATM в зависимости от произведения  в случае типового отверстия с CCI+BMC+ZATM.
max
Cmax
max
Фиг.20 - график, показывающий измеренную ZATM в зависимости от максимальной энергии E, рассеянной при резании, выведенной из максимального момента C, Vc, D и времени сверления tp, в случае типового отверстия с CCI+BMC+ZATM.
Фиг.21 - кривую, показывающую фронтальный износ Vb в зависимости от числа просверленных отверстий, при оптимальном условии резания СОМ и при другом условии резания вне СОМ, при котором первое отверстие, просверленное при помощи нового инструмента, не имеет дефектов.
крит.
крит.
Фиг.22 - кривую, показывающую Vb/Vb в зависимости от Nb/Nb, при оптимальном условии резания СОМ и при другом условии резания вне СОМ, при котором первое отверстие, просверленное при помощи нового инструмента, не имеет дефектов.
крит.
крит.
Фиг.23 - главную кривую, показывающую для условия СОМ и условия вне СОМ стандартный фронтальный износ Vb*/Vb в зависимости от Nb*/Nb, соответствующий появлению дефекта для данной совокупности инструмент/материал.
Фиг.24 - запись типовых сигналов МП для условия СОМ и условия вне СОМ после определенного числа Nb просверленных отверстий и фронтальный износ Vb сверла для рассматриваемой совокупности инструмент/материал.
cp
cp
Фиг.25 - график, показывающий Fz(Nb)/Fz(Nb=1) в зависимости от Nb для условия СОМ и условия вне СОМ.
cp
cp
крит.
cp
cp
Фиг.26 - график, показывающий Fz(Nb)/Fz(Nb=1) в зависимости от стандартного износа Vb/Vb, для определения критерия обнаружения Fz*(Nb*)/Fz(Nb=1) рассматриваемого дефекта (CCI), не зависящего от условий резания, и для рассматриваемой совокупности инструмент/материал.
Фиг.27 - пример записи усилия и момента для типового отверстия без дефекта (AL Vc=8м/мин f=0,08мм/об).
Фиг.28 - пример записи усилия и момента для типового отверстия с CCI (SL Vc=15м/мин f=0,02мм/об).
Фиг.29 - пример записи усилия и момента для типового отверстия с CCI+ВМС (SL Vc=20м/мин f=0,02мм/об).
Фиг.30 - пример записи усилия и момента для типового отверстия с CCI+BMC+ZATM (SL Vc=55м/мин f=0,02мм/об).
max
плато,
Фиг.31 - пример графика, показывающего соотношение Fz/Fz в зависимости от времени сверления tp в случае типового отверстия с CCI+BMC+ZATM и для совокупности инструмент с покрытием WC-Co/материал Inconel 718TR.
Фиг.32 - пример графика, показывающего Е в зависимости от Vc в логарифмическом масштабе, в случае типового отверстия с CCI+BMC+ZATM и для совокупности инструмент с покрытием WC-Co/материал Inconel 718TR.
max
Фиг.33 - пример графика, показывающего значения измеренной ZATM, в зависимости от произведения в случае типового отверстия с CCI+BMC+ZATM и для совокупности инструмент с покрытием WC-Co/материал Inconel 718TR.
max
max
max
Фиг.34 - пример графика, показывающего значения измеренной ZATM, в зависимости от максимальной энергии Ес, рассеянной при резании, выведенной из максимального момента С, Vc, D, времени сверления tp, в случае типового отверстия с CCI+BMC+ZATM и для совокупности инструмент с покрытием WC-Co/материал Inconel 718TR.
Фиг.35 - пример кривой, показывающей фронтальный износ Vb, в зависимости от числа просверленных отверстий при оптимальном условии резания AL Vc=8мм/мин f=0,08мм/об (СОМ) и при другом условии резания AL Vc=15мм/мин f=0,02мм/об (вне СОМ), при котором первое отверстие, просверленное новым инструментом, не имеет дефектов.
крит.
крит.
Фиг.36 - пример кривой, показывающей Vb/Vb, в зависимости от Nb/Nb при оптимальном условии резания AL Vc=8мм/мин f=0,08мм/об (СОМ) и при другом условии резания AL Vc=15мм/мин f=0,02мм/об (вне СОМ), при котором первое отверстие, просверленное новым инструментом, не имеет дефектов.
крит.
Фиг.37 - пример главной кривой, показывающей, при оптимальном условии резания AL Vc=8мм/мин f=0,08мм/об (СОМ) и при другом условии резания AL Vc=15мм/мин f=0,02мм/об (вне СОМ), стандартный фронтальный износ Vb*/Vb, соответствующий появлению рассматриваемого дефекта (CCI+BMC) для данной совокупности инструмент/материал.
Фиг.38 - пример записи типовых сигналов МП усилия Fz при оптимальном условии резания AL Vc=8мм/мин f=0,08мм/об (СОМ) и при другом условии резания AL Vc=15мм/мин f=0,02мм/об (вне СОМ) после определенного числа просверленных отверстий и фронтальный износ Vb сверла для рассматриваемой совокупности инструмент/материал.
cp
cp
Фиг.39 - пример графика, показывающего Fz(Nb)/Fz(Nb=1), в зависимости от Nb при условии резания СОМ AL Vc=8мм/мин f=0,08мм/об и при другом условии резания вне СОМ AL Vc=15мм/мин f=0,02мм/об.
cp
cp
крит.
cp
cp
Фиг.40 - пример графика, показывающего Fz(Nb)/Fz(Nb=1), в зависимости от стандартного износа Vb/Vb для определения критерия обнаружения Fz*(Nb*)/Fz(Nb=1) рассматриваемого дефекта (CCI+BMC) независимо от условий резания и для совокупности инструмент с покрытием WC-Co/материал Inconel 718TR.
Фиг.41 - пример записи типовых сигналов МП момента С при оптимальном условии резания AL Vc=8мм/мин f=0,08мм/об (СОМ) и при другом условии резания AL Vc=15мм/мин f=0,02мм/об (вне СОМ) после определенного числа просверленных отверстий и фронтальный износ Vb сверла для рассматриваемой совокупности инструмент/материал.
cpед
cpед
Фиг.42 - пример графика, показывающего С(Nb)/С(Nb=1) в зависимости от Nb при оптимальном условии резания AL Vc=8мм/мин f=0,08мм/об (СОМ) и при другом условии резания AL Vc=15мм/мин f=0,02мм/об (вне СОМ).
cpед
cpед
крит.
cpед
cpед
Фиг.43 - пример графика, показывающего С(Nb)/С(Nb=1), в зависимости от стандартного износа Vb/Vb для определения критерия обнаружения С*(Nb*)/С(Nb=1) рассматриваемого дефекта (CCI+BMC) независимо от условий резания и для совокупности инструмент с покрытием WC-Co/материал Inconel 718TR.
0
0
Как показано на фиг.3, где изображена система 50 сбора сигналов Fz и С, параметры осевого усилия прохождения (Fz) сверла 10 в материале и момент (С), выведенный из поперечных усилий, регистрируются в зависимости от времени при помощи системы сбора. Эта система содержит стол 51 трехмерного измерения усилий, оборудованный пьезоэлектрическими датчиками, на котором закреплены тиски 5 и деталь 4, не показанные на этой фигуре. Эти датчики записывают сигналы, характеризующие поперечные усилия (Fx, Fy) и осевое усилие (Fz), которые затем усиливаются усилителем 52. После усиления сигналы дискретизируются при помощи платы считывания (колодки) 53, соединенной с микрокомпьютером 54. После этого программа считывания сигнала обеспечивает различные виды обработки для облегчения временного анализа усилий резания, например, такие как фильтрация сигналов Fz и С при помощи фильтра нижних частот. Момент С, создаваемый сверлом 10 на детали, является линейной комбинацией поперечных усилий Fx и Fy. В точке М стола измерения, определенной координатами х и у, момент соответствует следующему уравнению: С=С+х.Fy-y.Fx, где С является значением момента в точке (х=0 и y=0).
0
4
На фиг.4 показаны различные этапы операции сверления в металлической плите 4 толщиной Lp. Сверло 10 диаметром D с режущей частью 11 в виде усеченного конуса вводят в контакт с деталью в момент времени t. Ниже перечислены последовательные периоды до момента времени t, обозначающего завершение очистки.
1
0
t-t: вход режущей части 11 сверла,
2
1
t-t: фаза сверления уголками 12 сверла,
3
2
t-t: выход режущей части 11 сверла,
4
3
t-t: трение между ленточкой 14 и поверхностью отверстия непосредственно перед подъемом сверла,
2
0
t-t: фаза сверления по длине Lp без очистки режущей части,
3
0
t-t: сверление отверстия с очисткой режущей части 11,
4
2
t-t: очистка сверла на длине Ld непосредственно перед его подъемом.
крит.
Оптимальные параметры резания, в частности, периферическая скорость (Vc) и проход за оборот (f) для данных сверла и материала, находятся в узком диапазоне, определенном стандартом Инструмент-Материал (стандарт AFNOR NF Е 66-520-8). Этот диапазон, называемый рабочим, обеспечивает максимальный срок службы сверла и позволяет свести к минимуму специфические усилия Кса и Kct. Отмечается, что диапазон без дефектов, определенный для нового сверла на одно отверстие, является гораздо более широким, чем рабочий диапазон сверла (СОМ). Вместе с тем, после выполнения определенного числа отверстий Nb*, гораздо меньшего, чем число, соответствующее критерию износа по скосу (Vb=0,3), появляется дефект, требующий заточки сверла. Так, оказалось, что СОМ больше сохраняет сверло, чем материал. Действительно, диапазон без дефекта сужается и даже исчезает в зависимости от степени износа по скосу кромок сверла, причем до его заточки.
Была разработана матрица испытаний таким образом, чтобы менять в широком диапазоне параметры резания (Vc, f) и геометрические параметры отверстия (Lp, D). Кроме условий резания AL, намного отличающихся от оптимальных условий, определенных стандартом AFNOR NF Е 66-520-8, было рассмотрено сверление SL при самых экстремальных условиях резания (например, при скорости, в 10 раз превышающей оптимальную скорость резания, и при 1/5 оптимального прохождения), чтобы более наглядно выявить зарождение дефектов. В этой связи каждое отверстие сверлили новым сверлом (Vb=1) для обеспечения хорошей воспроизводимости дефектов.
1
2
В случае операции сверления без дефекта было установлено, что для данных сверла и материала момент С, создаваемый сверлом, и осевое усилие прохождения Fz сверла в материале имеют стационарный режим (значения, не зависящие от времени) во время фазы сверления уголками сверла между моментами времени t и t. На фиг.5 и 6 показано изменение этих параметров в зависимости от времени.
В случае отверстия без дефекта продольный разрез показывает, что:
- Риски от обработки равномерно распределены и отстоят друг от друга на расстояние половины прохода (сверло с двумя носиками) или прохода (сверло с одним носиком) и имеют наклон под углом, близким к 0°, относительно оси, перпендикулярной к оси отверстия (фиг.7а);
- Неглубокие спиралевидные царапины были произведены носиками во время подъема сверла (фиг.7b) и имеют наклон под углом β';
- Металлургическое состояние отверстия не подверглось изменениям под действием температуры (фиг.7с); может наблюдаться очень незначительная поверхностная деформация, сопровождающаяся остаточными напряжениями;
- По краю отверстия не наблюдалось никаких изменений микротвердости;
- Шероховатость отверстия является нормальной, то есть характерной для глубины рисок от обработки для рассматриваемого прохода;
- Цвет боковой поверхности отверстия и его входной и выходной сторон не изменился, что свидетельствует об отсутствии окисления и большого повышения температуры на краю отверстия;
- Как на выходе, так и на входе отверстия практически не отмечено заусенца, характерного для выдавливания материала.
Было установлено, что обнаружение дефектов на краю отверстия можно осуществлять, исходя из формы кривых измерения Fz и С во время операции сверления. Серьезность этих дефектов определяется оценкой по критериям и их локализацией между нижним пределом и верхним пределом.
В случае необходимости, во время операции сверления определяют участок под кривой сигналов.
Fz=0
3
Из сигналов выводят комплекс дополнительных значений (tp, td, t* и t*) для того, чтобы, с одной стороны, проверить точность программирования параметров резания (Vc, f) и, с другой стороны, подтвердить путем расчетов некоторые геометрические характеристики отверстия (β', Lb).
max
плато
max
плато
Fzmax
Fzплато
Разрушающие исследования, неизбежные для оценки серьезности дефектов, состоят в металлургическом анализе продольных разрезов типовых отверстий. Корреляции между микроструктурными состояниями, типологией сигналов Fz и С, соотношениями Fz/Fz, C/С или, в случае необходимости, соотношениями Участок/Участок и диапазонами изменения между нижним пределом и верхним пределом позволили классифицировать и количественно определить дефекты по трем типам.
max
плато
max
плато
max
плато
max
Было отмечено, что соотношение C/С является наиболее существенным для характеристики любого типа дефекта. Тем не менее соотношение Fz/Fz позволяет судить об износе сверла во время сверления, причем в области серьезных дефектов (выгорание). Для любого типа дефектов (CCI, BMC, ZATM) соотношение C/С увеличивается при возрастании Vc и снижении f. В зависимости от параметров резания и геометрических параметров отверстия смогли определить только максимальную толщину зоны термомеханического влияния ZATM:
ZATM
= B·(A'·V
·L
·D
·f
)
max
c
p
n-2
2
2
-2
α
max
max
max
Критерий серьезности, определяемый толщиной ZATM, можно также выразить в зависимости от максимальной энергии Ес, рассеянной при резании, выведенной из максимального момента С, Vc, D и времени сверления tp:
где
Описание первого типового отверстия с CCI
Это первое типовое отверстие содержит дефект, называемый прилипанием дробленой стружки (CCI). Наблюдения, произведенные на большом количестве проб, позволили определить характеристики этого типа дефекта:
- Фрагменты дробленой стружки (CI) прикипают к поверхности отверстия детали 4 и имеют направление, перпендикулярное к оси отверстия (фиг.8а);
- Большая шероховатость;
- На поверхности отверстия и на входной и выходной сторонах не наблюдается появления цвета и, следовательно, окисления, что свидетельствует об умеренном повышении температуры на краю отверстия;
- Прилипание дробленой стружки является переменным (фиг.8b);
- Стружка более или менее заглублена в материал (фиг.8с);
- Металлургическое состояние отверстия не претерпело термических изменений; вместе с тем на поверхности отверстия появилась незначительная зона деформации, сопровождаемая остаточными напряжениями;
- Не обнаружено изменения микротвердости в толще материала;
- Заусенец имеет небольшие размеры на выходе отверстия (фиг.8d) и отсутствует на входе отверстия.
Появление дефекта этого типа трудно обнаружить и количественно определить при помощи сигналов Fz и С. Для некоторых совокупностей инструмент/материал и/или для определенного первоначального износа инструмента по задней поверхности усилия могут более или менее выявить этот тип дефекта. Как правило, изменения во времени параметров Fz и С, соответствующих CCI, имеют вид, показанный на фиг.9 и 10, при этом наблюдалось следующее:
плато
1
2
Осевое усилие имеет стационарный режим, определенный Fz. Иногда отмечается незначительное уменьшение параметра Fz между моментами времени t и t, которое, видимо, свидетельствует о повышении температуры, при котором снижается предел упругости обрабатываемого материала;
плато
2
3
- Для момента, после установления горизонтального участка кривой (С), этот участок имеет небольшие флуктуации, начиная с tc* незадолго до t, пока режущие кромки не достигнут t. Это незначительное увеличение момента, начиная с tc*, связано с достаточным повышением температуры в конце сверления, вызывающим, с одной стороны, состояние натяга между сверлом и отверстием и, с другой стороны, прилипание значительного количества не удаленных стружек.
1
2
Если увеличение момента происходит намного раньше между t и t, то это явно свидетельствует о появлении ВМС или даже ZATM (эти два типа дефектов будут представлены ниже) в дополнение к CCI.
max
плато
ССI
max
плато
CCI
max
плато
max
плато
Таким образом, прилипание дробленой стружки можно обнаружить на основании изменения диапазона соотношения [С/С]>1 и соотношения [Fz/Fz]=1. Количественное определение CCI осуществляют путем оценки соотношения C/С (или участков), которое является критерием серьезности CCI. Степень перекрывания стружек на боковой поверхности отверстия повышается, когда увеличивается соотношение C/С.
Описание второго типового отверстия с CCI+BMC
Это типовое отверстие характеризуется линией сильного сдвига и перемешивания материала, называемой ВМС, которая иногда сопровождается дефектом CCI. Эта ВМС появляется в результате перемешивания между материалом на поверхности отверстия и сильной концентрации дробленых стружек. После этого весь подвергнутый сдвигу материал расплющивается на поверхности отверстия во время резания, затем сглаживается ленточками во время подъема сверла.
Наблюдения за продольным разрезом отверстия позволили определить следующие характеристики этого типа дефекта:
- Появляется множество спиралевидных царапин на поверхности BMC, образуемых ленточками во время подъема сверла и имеющих наклон под углом β' (фиг.11а);
- Происходит изменение цвета на боковой поверхности отверстия, свидетельствующее об окислении (фиг.11а);
- Очень незначительная шероховатость, связанная с раздвиганием материала во время фазы сверления и подъема сверла;
- Частичная или полная высота боковой поверхности отверстия затронута образованием линии сдвига материала (фиг.11а и 11b). Эта ВМС сопровождается образованием под ней линии пластической деформации (BDP), характеризующейся повышением твердости в расположенном ниже слое, в результате расплющивания стружек ленточками сверла по время резания (фиг.11с);
- Под BDP не наблюдается никакого изменения металлургического состояния;
- Заусенец на выходе отверстия имеет размер, больший, чем при CCI (фиг.11d).
На практике этот тип дефекта ВМС чаще всего связан с дефектом типа заглубленного CCI (фиг.11c) или прикипевшего CCI (фиг.11f) в этой ВМС (понятие комбинации дефектов).
Для этого случая на фиг.12 и 13 показано изменение во времени параметров Fz и С. При этом наблюдается:
1
2
- Установление стационарного режима при осевом усилии между t и t и иногда незначительное увеличение этого усилия, связанное с повышением температуры и, следовательно, с понижением предела упругости;
2
0
- Сильное ступенчатое увеличение момента, начиная с tc* незадолго до t, и до максимума ближе к t, к которому подходят режущие кромки сверла;
- Металлургические анализы показали, что tc* не соответствует началу ВМС в глубине отверстия. Действительно, сильный сдвиг материала происходит в основном напротив зоны резания. В зависимости от рассматриваемых условий сверления это явление сдвига приводит к более или менее быстрому повышению температуры. При достижении порогового значения температуры tc* увеличение момента можно объяснить интенсификацией двух сопутствующих явлений, уже описанных для типового отверстия с CCI: с одной стороны, более сильное состояние натяга между сверлом и отверстием и, с другой стороны, сильное прилипание стружек к поверхности отверстия;
3
4
1
2
- Сглаживание всего подвергнутого сдвигу материала на поверхности отверстия, образующего ВМС, видимо, происходит во время фазы очистки корпуса сверла между t и t. Если бы увеличение момента произошло гораздо раньше между t и t, то наверняка наблюдалось бы образование ZATM (этот дефект описан ниже) дополнительно к CCI+BMC.
Комбинация дефектов CCI+BMC может быть обнаружена на основании диапазона изменения соотношения
max
плато
CCI+BMC
max
плато
CCI
[C/С]>[C/С]>1
max
плато
CCI+BMC
max
плато
max
плато
и соотношения [Fz/Fz]=1. Как и в случае прилипания дробленой стружки, количественное определение этого типа дефекта выражается соотношением C/С или, в случае необходимости, соотношением участков. Высота этой линии сдвига материала на боковой поверхности отверстия увеличивается при увеличении соотношения C/С.
Описание третьего типового отверстия с CCI+BMC+ZATM
Это третье типовое отверстие имеет дефекты CCI, BMC, а также третий типовой дефект, называемый зоной термомеханического влияния ZATM.
На фиг.14 показан продольный разрез отверстия, просверленного в детали 14, в котором присутствуют все три типа дефектов, показанные в увеличенном виде на фиг.14b, 14c, 14d и 14е.
Комбинации дефектов CCI и ВМС, показанные на фиг.14b и 14с, относятся к тому же типу, что и комбинации, наблюдаемые в типовых отверстиях CCI+BMC (фиг.11е и 11f).
Иногда наблюдают комбинацию дефектов CCI+ZATM. На фиг.14d показана ZATM, в которую заглублена дробленая стружка.
На фиг.14е показана зона термомеханического влияния ZATM, находящаяся на выходе отверстия. Она характеризуется «V»-образным профилем твердости, то есть уменьшением твердости края отверстия до половины глубины ZATM, затем повышением твердости на второй половине глубины до значения, соответствующего твердости исходного материала.
Различают две формы ZATM: треугольную форму (ZATMt) или прямоугольную форму (ZATMr), что показано на фиг.14f. На эти формы ZATM влияет соотношение Lp/D.
Как правило, ZATM обнаруживают по следующим признакам:
max
- Наблюдаются цветовые ореолы в виде колец на входной и выходной сторонах отверстия для ZATMr (фиг.14g) и только на выходной стороне для ZATMt. Диаметр этих ореолов равен D+2.ZATM.
3
Fz=0
- Эти цветовые ореолы сопровождаются значительным выдавливанием материала (заусенец) на выходе и иногда даже на входе отверстия. Заусенец на выходе отверстия может быть сплошным и иметь небольшую толщину или может быть прерывистым/фрагментарным и иметь большую толщину (фиг.14f). Его присутствие можно обнаружить по сигналу Fz и, в частности, его длину определяют между t* и t*, соответствующим возврату к нулевой нагрузке усилия. Ближе к выходу отверстия, учитывая экстремальные условия сверления, сверло выдавливает больше материала, чем режет, по причине сильного повышения температуры материала (что связано с резким понижением его механических свойств) и деградации уголков сверла (типа окалины и термической усталости) и даже изменения его геометрии.
Все эти металлургические и геометрические характеристики очень сильно отличают эту комбинацию дефектов от ранее упоминавшейся комбинации CCI+BMC, которая характеризуется меньшим выдавливанием материала, отсутствием цветового ореола на входной и выходной сторонах отверстия и незначительной деградацией сверла.
На фиг.15 и 16 показано изменение параметров Fz и С для типового отверстия с комбинацией дефектов CCI+BMC+ZATM. В данном случае наблюдают:
Fz
- Установление стационарного режима по осевому усилию, которое иногда слегка уменьшается из-за понижения предела упругости обрабатываемого материала в результате повышения температуры, причем до t*;
Fz
Fz
- t* не соответствует положению начала ZATM в глубине отверстия, а скорее говорит о начале износа сверла. За пределами t* усилие постепенно повышается или представляет собой последовательность небольших горизонтальных участков, за которой следует более выраженный подъем. Эта совокупность признаков свидетельствует об очень сильной деградации режущих кромок, и чем больше снижается прочность и уменьшается толщина материала под сверлом, тем больше уменьшается усилие, которое должно производить сверло для деформации материала (образование заусенца);
max
Zплато
- По соотношению Fz/F можно судить о деградации сверла;
3
3
3
3
- Контроль за деградацией инструмента состоит в сравнении теоретического времени t, начиная от которого носики сверла начинают выходить, с временем t*, снимаемым экспериментально с сигнала усилия Fz. Оказывается, что в случае сильных выгораний со значительной деградацией сверла это теоретическое время t систематически меньше экспериментального времени t*. Действительно, поскольку уголки сверла оказываются сильно изношенными (потеря геометрии), наибольшее сечение сверла оказывается уже не на уровне уголков, а выше;
3
Fz=0
- Длину заусенца на выходе можно определить, засекая время между t* и t*;
2
Момент начинается с очень короткого горизонтального участка до tc*, затем постоянно увеличивается, пока незадолго до t не достигнет максимума, соответствующего максимальному усилию;
1
2
Fz
Fz
- В отличие от двух других типовых отверстий CCI и CCI+BMC это типовое отверстие CCI+BMC+ZATM имеет гораздо более ранее tc* между t и t; и происходящие явления имеют такую же природу, но являются гораздо более интенсивными. Действительно, повышение температуры происходит гораздо быстрее, что объясняется очень плохими условиями сверления. Скорость повышения момента до C*свидетельствует, с одной стороны, о состоянии гораздо более сильного натяга между сверлом и отверстием для этого типового отверстия, чем для двух других, и, с другой стороны, об очень сильном перемешивании материала между поверхностью отверстия и большим количеством стружек. Иногда это повышение температуры проявляется в уменьшении усилия до t* (до начала деградации сверла), что связано с понижением предела упругости обрабатываемого материала;
Fz
Fz
- При t* момент достигает значения C*, за пределами которого скорость увеличения момента колеблется из-за плохого качества сверления;
s
4
- Между t и t момент уменьшается менее резко для этого типового отверстия, чем для типового отверстия CCI+BMC. Это свидетельствует о сильном трении ленточек в отверстии и о более медленном охлаждении совокупности инструмент/материал, что может сказаться на термическом цикле детали и, следовательно на ZATM.
max
плато
CCI+BMC+ZATM
max
плато
CCI+BMC
max
плато
CCI+BMC+ZATM
В отличие от типового отверстия с CCI и от типового отверстия с CCI+BMC третье типовое отверстие с CCI+BMC+ZATM можно обнаружить по моменту и/или осевому усилию на основании диапазона изменения соотношения [C/C]>[C/C]>1 и соотношения [Fz/Fz]>1.
Определение ZATM
на основании анализа осевого усилия
max
Согласно другому отличительному признаку настоящего изобретения, критерий серьезности дефектов по этому третьему типовому отверстию устанавливают путем определения максимального значения толщины ZATM в зависимости от геометрических параметров (Lp, D) и условий резания (Vc, f).
Эту критическую толщину вычисляют по следующей формуле:
ZATM
= B·(A'·V
·L
·D
·f
)
max
c
p
n-2
2
2
-2
α
Параметры А', B, α и n являются постоянными величинами, присущими совокупности инструмент/материал, которые и требуется определить.
Далее следует описание операции в 4 этапа, позволяющей осуществить идентификацию этих 4 постоянных А', B, α и n, соответствующих рассматриваемой совокупности инструмент/материал.
Этап 1
max
плато
: Графически отображают соотношение Fz/Fz в зависимости от времени сверления tp, измеренного и вычисленного при помощи отношения:
В этом случае соотношение может принимать следующий вид (фиг.17):  (1)
Наклон Е прямой напрямую зависит от Vc согласно отношению:
E = A.
.V
-n
n
c
60 (2)
Этап 2
c
: Определяют постоянные А и n, построив Е в зависимости от V в логарифмическом масштабе (фиг.18):
E
n
V
A
c
-n
ln  = .ln  + ln(.60)
Этап 3
max
: Определяют постоянные В и α, построив экспериментальные значения ZATM в зависимости от произведения  и осуществив их аппроксимацию при помощи закона степени типа (фиг.19):
Этап 4
max
: Комбинируют отношения (1), (2) и (3), чтобы выразить критерий серьезности, основанный на толщине ZATM, в зависимости от геометрических параметров (Lp, D) и параметров резания (Vc, D).
ZATM
B·(A'·V
·L
·D
·f
)
A' = A·(10
·60
·π
)
max =
c
p
n-2
2
2
-2
α
-6
2-n
2
, где
Определение ZATM
на основании анализа момента
max
max
max
max
В дополнение к критерию серьезности, построенному на основании сигнала Fz, определяют другой критерий на основании момента. Он состоит в выражении измеренной толщины ZATM в зависимости от максимальной энергии Ес, рассеянной при резании, выведенной из максимального момента С, Vc, D и рассчитанного или измеренного времени сверления tp (фиг.20):
, где  и λ, F и G являются тремя постоянными величинами, присущими рассматриваемой совокупности инструмент/материал.
Анализ участков
Этот анализ состоит в вычислении участков под кривыми Fz(t) и C(t), принимая во внимание все развитие сверления одного и того же отверстия или ряда отверстий, просверленных одним и тем же инструментом.
В частности, он применяется для двух следующих случаев:
- когда сигналы Fz(t) и C(t) дефекта любого типа отличаются от вышеуказанных сигналов (несоблюдение значения горизонтального участка кривой и/или максимального значения);
max
плато
max
плато
- когда соотношения C/C и/или Fz/Fz являются одинаковыми для двух одинаковых типовых отверстий, тогда как серьезность дефекта отличается;
- когда сигналы Fz и С характеризуются увеличением амплитуды на нескольких отверстиях, просверленных при постоянных условиях сверления.
Ниже приводится выражение участков на основании сигнала Fz, которое можно напрямую транспонировать на сигнал С:
0
4
плато
- Участок под кривой Fz(t) от t до t для Fz, меньшего или равного Fz, соответствует отсутствию дефекта, то есть
max
плато
- Участок под кривой Fz(t) для Fz, находящегося между Fz и Fz, выражает присутствие дефекта(ов), то есть
- Участок под кривой Fz(t) для Nb=1 соответствует отсутствию дефекта и износу инструмента, то есть
Nb
- Участок под кривой Fz(t) соответствует износу инструмента с присутствием или отсутствием дефекта(ов) после количества Nb просверленных отверстий, то есть
Fzmax
Fzплато
Сmax
Cплато
Fzсред
Fzсред
Ссред
Ссред
После этого вычисляют, с одной стороны, соотношения участков Участок/Участоки/или Участок/Участок для количественного определения серьезности дефекта во время сверления отверстия и, с другой стороны, соотношения участков Участок(Nb)/Участок(Nb=1) и/или Участок(Nb)/ Участок(Nb=1) для количественного определения серьезности дефекта во время сверления ряда отверстий.
Влияние износа сверла по Vb на обнаружение типового дефекта
Критерий обнаружения типового дефекта в результате износа сверла по задней поверхности установили на основании МП за неимением возможности обнаружить этот дефект по форме сигналов.
Для условий резания (Vc, f) в области «отсутствие дефекта», определенной для нового инструмента на отверстие (Nb=1, Vb≈0), влияние фронтального износа сверла на появление типового дефекта учитывают на основании Fz(t) при помощи следующей операции, которая впрочем может быть применена и для сигнала C(t):
Этап 1:
- Строят график износа сверла по Vb в зависимости от количества просверленных отверстий Nb при условиях резания AL в области «отсутствие дефекта», в частности, для условия СОМ и условия вне СОМ (фиг.21);
крит.
крит.
крит.
- Из предыдущей кривой выводят критическое число отверстий Nb, соответствующее критерию заточки сверла (Vb=0,3 мм), для каждого исследуемого условия резания (Vc, f). Значение Nb данного условия резания выражает в этом случае срок службы сверла;
крит.
крит.
- Определяют постоянную величину р, построив график значений Vb/Vb в зависимости от значений Nb/Nb и произведя их аппроксимацию в соответствии с законом степени типа (фиг.22):
Этап 2:
На основании разрушающих исследований обнаруживают рассматриваемый типовой дефект и из него выводят соответствующее значение Vb, обозначенное Vb*. Отношение Vb в зависимости от Nb позволяет связать с числом просверленных отверстий Nb* износ инструмента Vb*, соответствующий появлению самого первого рассматриваемого дефекта;
крит.
крит.
- Для каждого из исследуемых условий резания строят главную кривую Vb*/Vb в зависимости от Nb*/Nb(фиг. 23).
Этап 3
:
сред
сред
сред
1
2
- После каждого просверленного отверстия определяют Fz в материале на входе режущих кромок (фиг.24) и, в случае необходимости, - участки сигналов, выведенные из МП. Увеличение Fz в зависимости от Nb свидетельствует о плохом качестве резания и характеризует возрастающий фронтальный износ сверла. Уменьшение же Fz между t и t свидетельствует о соответствующем нагреве между сверлом и материалом, который способствует прилипанию стружек и, в частности, условию «вне СОМ».
Этап 4
:
сред
сред
- Определяют параметр q путем построения графика значений Fz(Nb)/Fz(Nb=1) в зависимости от Nb для разных рассматриваемых условий резания и путем их аппроксимации при помощи закона степени типа (фиг.25): .
сред
сред
крит.
- Исходя из отношения, заданного на этапе 1, число отверстий Nb может быть выражено в виде: . Следовательно, для данной совокупности инструмент/материал Fz(Nb)/Fz(Nb=1) в зависимости от стандартного износа Vb/Vbвыражается следующим отношением: .
крит.
сред
сред
На предыдущие кривые (фиг.26) переносят Vb*/Vb, соответствующее появлению рассматриваемого дефекта для каждого исследуемого условия резания, и на основании этого выводят Fz*(Nb*)/Fz(Nb=1), которое является искомым критерием обнаружения. Оказывается, этот критерий не зависит от условий резания и в этой связи может рассматриваться как характеристика, присущая исследуемой совокупности инструмент/материал.
cpeд
сред
cpeд
cpeд
Следовательно, любая МП-сигнатура просверленного отверстия, сделанного инструментом с износом по Vb, для которого Fz(Nb)/Fz(Nb=1)>Fz*(Nb*)/Fz(Nb=1), указывает на наличие рассматриваемого дефекта.
Эта же операция может быть предпринята с анализом участков (см. предыдущий параграф) для определения критерия обнаружения типового дефекта в результате износа сверла по задней поверхности. В этом случае участок рассматриваемого дефекта переносят на участок, соответствующий отсутствию дефекта и определенный для первого отверстия.
Пример анализа сигналов Fz и С для совокупности инструмент с покрытием WC-Co/ материал Inconel 718 TR
Предложенная выше операция была использована для совокупности инструмент с покрытием WC-Co/ материал Inconel 718 TR с целью определения критериев серьезности дефектов, появляющихся во время сверления.
Были определены испытательная матрица и конфигурация сверления, а именно:
- Прямое отверстие, выполненное с постоянным опусканием сверла (то есть без цикла очистки по время операции сверления) на 15 мм независимо от длины сверления;
- Сверление со смазкой и без смазки;
- Наружная смазка через патрон (давление 6 бар, расход 22л/мин). Смазочное вещество состоит из смеси вода/растворимое масло с концентрацией 6% по объему;
- Моноблочный инструмент из твердого сплава WC-Co от фирмы Sandvik типа [R415.5-0700-50-8C1], содержащий две режущие кромки, два отверстия для внутренней смазки, покрытие TiAlN, угол δ в вершине инструмента, равный 140°;
- Удержание сверла в патроне при помощи прецезионного зажима ERϕ7-8;
- Материал Inconel 718 TR с размером зерна ASTM 10, термическая обработка закалкой - двойной отпуск 720°С/620°С и макротвердость HRC43;
- Соединение между патроном и шпинделем обеспечено конусом HSK63 фирмы Kennametal-Hertel;
- Станок Huron KX10, оборудованный столом Kistler измерения трехмерных усилий (Fx, Fy, Fz);
- Диаметр сверла: 5-10 мм
- Длина сверления: 2,1-12 мм
- Скорость резания: 3-100 м/мин;
- Проход за оборот: 0,01-0,15 мм/об;
- По меньшей мере, 2 отверстия просверлены при условии резания новым сверлом на отверстие.
Сигналы Fz и С (фиг.27, 28, 29 и 30) были зарегистрированы при помощи вышеупомянутой системы сбора. В данном случае имели место три типа дефектов рассматриваемой совокупности инструмент/материал. МП-сигнатуры каждого из дефектов полностью совпадают с ранее указанными.
Типовое отверстие без дефекта
Для рассматриваемой совокупности инструмент/материал и соотношения Lp/D=8,5/7 оптимальными условиями сверления AL, определенные в соответствии со стандартом AFNOR NF E 66-520-8, являются следующие: Vc=8м/мин, f=0,08мм/об. Эти условия сверления характеризуются (фиг.27):
плато
- Стационарным режимом по Fz (Fz=1800 Н);
плато
- Стационарным режимом по С (С=3,6 Н·м);
max
плато
max
плато
- Соотношениями С/С и Fz/Fz, равными 1.
Типовое отверстие с дефектом CCI (фиг.28)
плато
1
2
max
плато
В отличие от предыдущего случая сверление осуществляют без смазки, и оно характеризуется небольшим уменьшением на ~5% Fz между t и t. Соотношение С/С изменяется от 1,2 до 2,5.
Типовое отверстие с комбинацией дефектов CCI+BMC (фиг.29)
max
плато
Она характеризуется соотношением С/С, находящимся в пределах от 2,5 до 5, и наблюдается как при сверлении AL, так и при сверлении SL.
Типовое отверстие с комбинацией дефектов CCI+BMC+ZATM (фиг.30)
max
плато
max
плато
max
плато
Это типовое отверстие характеризуется соотношением С/С>5 для сверления SL и соотношением Fz/Fz, намного превышающим 1, в отличие от двух предыдущих типовых отверстий, где Fz/Fz равно 1. Это соотношение осевых усилий свидетельствует о деградации сверла. При Lp/D≥1,2 наблюдается треугольная ZATM, а при Lp/D≤1,2 наблюдается прямоугольная ZATM.
Критерий серьезности ZATM на основании Fz (фиг. 31, 32 и 33)
max
Была произведена операция из 4 этапов, целью которой было выведение формулы для определения ZATM в зависимости от параметров резания и геометрических параметров. Постоянными n, α, A, A' и В, присущими совокупности инструмент с покрытием WC-Co/материал Inconel 718TR, являются:
n=2,65
α=0,46
1,65
-2,65
A=0,21 c·м
-7
1,65
-2,65
A'=1,46·10c·м
-0,46
В=320 мкм.с
Критерий серьезности ZATM на основании момента (фиг. 34)
max
Для разных условий резания и разной геометрии отверстий толщину ZATM вычисляют при помощи вышеупомянутой операции. Постоянными F, λ и G, присущими совокупности инструмент с покрытием WC-Co/материал Inconel 718TR, являются:
-0,53
F=12,7 мкм.J
G=365 мкм
λ=0,53
Критерий обнаружения аномалии типа CCI+BMC в результате износа инструмента по Vb (фиг.35-43)
крит.
Разрушающие анализы отверстий показали появление двух типовых дефектов CCI и ВМС с износом сверла по Vb в условиях резания AL, которые не считаются слишком сложными (Vc≤Vc). Испытания на усталостную прочность показали, что комбинация дефектов типа CCI+BMC оказалась более критической, чем только один дефект CCI.
Была осуществлена операция из 4 этапов с целью установления критерия обнаружения дефекта типа CCI+BMC в результате износа сверла по задней поверхности при двух следующих условиях резания
СОМ: Со смазкой Vc=8 м/мин f=0,08 мм/об
Вне СОМ: Со смазкой Vс=15 м/мин f=0,02 мм/об
Характеристическими параметрами для этой операции являются:
СОМ
Вне СОМ
Nb<sub>крит</sub>=200
Nb<sub>крит</sub>=90
Nb*=80
Nb*=10
Р=0,675
Р=0,552
По сигналам Fz(t):
Fz<sub>сред</sub>(Nb=1)=1800 Н
Fz<sub>сред</sub>(Nb=1)=1020 H
Q=0,046
Q=0,139
По сигналам С(t):
С<sub>сред</sub>(Nb=1)=3,6 Н·м
С<sub>сред</sub>(Nb=1)=1,4 Н·м
Q=0,058
Q=0,136
Критериями обнаружения рассматриваемой комбинации дефектов типа CCI+BMC в результате износа по Vb, присущими для совокупности инструмент с покрытием WC-Co/материал Inconel 718TR и не зависящими от выбранных условий резания являются:
сред
сред
- Fz*(Nb*)/Fz(Nb=1)=1,25, то есть превышение на 25% среднего осевого усилия по сравнению с усилием, измеренным на первом отверстии, для нового сверла;
сред
сред
- С*(Nb*)/С(Nb=1)=1,23, то есть превышение на 23% среднего осевого усилия по сравнению с усилием, измеренным на первом отверстии, для нового сверла.
Ниже приведены все символы, упомянутые в настоящей заявке, а также математические отношения, позволяющие вычислить их значения.
Символы
Название
Отношения
Единицы
α
Постоянная, присущая совокупности инструмент/материал, используемая в критерии серьезности, определяемом по толщине ZATM<sub>max</sub> на основании усилия Fz
-
-
δ
Угол конца или угол в вершине сверла
-
-
λ
Постоянная, присущая совокупности инструмент/материал, используемая в критерии серьезности, определяемом по толщине ZATM<sub>max</sub> на основании момента
ω
Угловая скорость
<img file="00000020.tif" he="10" wi="10" img-content="undefined" img-format="tif" />
рад/с
β'
Угол царапин, оставленных сверлом (носики, ленточки), относительно оси, перпендикулярной к отверстию, во время подъема сверла
arctg (-Vr/Vc)
°
A
Постоянная, присущая совокупности инструмент/материал, используемая в критерии серьезности, определяемом по толщине ZATM<sub>max</sub> на основании усилия Fz
60<sup>n</sup>·E·Vc<sup>-n</sup>
c<sup>n-1</sup>·м<sup>n</sup>
A'
Постоянная, присущая совокупности инструмент/материал, используемая в критерии серьезности, определяемом по толщине ZATM<sub>max</sub> на основании усилия Fz
A·(10<sup>-6</sup>·60<sup>2-n</sup>·π<sup>2</sup>)
c<sup>n-1</sup>·м<sup>n</sup>
УчастокFz<sub>max</sub>УчастокС<sub>max</sub>
Участок под кривыми Fz(t) или C(t) с нижней границей Fz<sub>плато</sub> или С<sub>плато</sub> и с верхней границей Fz<sub>max</sub> или C<sub>max</sub>, соответствующий наличию дефектов
<img file="00000021.tif" he="8" wi="39" img-content="undefined" img-format="tif" />
Н·сН·м·с
УчастокFz<sub>плато</sub>УчастокС<sub>плато</sub>
Участок под кривыми Fz(t) или C(t) с верхней границей Fz<sub>плато</sub> или С<sub>плато</sub>, соответствующий отсутствию дефектов
<img file="00000022.tif" he="7" wi="38" img-content="undefined" img-format="tif" />
Н·сН·м·с
УчастокFz<sub>сред</sub>(Nb)УчастокС<sub>сред</sub>(Nb)
Участок под кривыми Fz(t) или C(t) после числа Nb просверленных отверстий, соответствующий износу инструмента с присутствием или отсутствием дефекта(ов)
<img file="00000023.tif" he="7" wi="23" img-content="undefined" img-format="tif" />
Н·сН·м·с
УчастокFz<sub>сред</sub>(Nb=1)УчастокС<sub>сред</sub>(Nb=1)
Участок под кривыми Fz(t) или C(t), соответствующий отсутствию дефекта и износу инструмента
<img file="00000024.tif" he="7" wi="26" img-content="undefined" img-format="tif" />
Н·сН·м·с
AL
Сверление со смазкой
-
-
В
Постоянная, присущая совокупности инструмент/материал, используемая в критерии серьезности, определяемой по толщине ZATM<sub>max</sub> на основании усилия Fz
-
мкм·с<sup>-α</sup>
BDP или DP
Полоса пластической деформации
-
-
ВМС или МС
Полоса сдвига материала
-
-
С
Момент, создаваемый сверлом на детали во время фазы сверления (линейная комбинация поперечных усилий Fx и Fy)
В точке М измерительного стола, определенной координатами x и y: С=С<sub>0</sub>+x.Fy-y·Fx, где С<sub>0</sub> является значением момента в точке х=0 и y=0
Н·м
С*<sub>Fz</sub>
Момент, соответствующий моменту времени t*<sub>Fz</sub> повышения усилия
-
Н·м
C*<sub>сред</sub>(Nb*)
С<sub>сред</sub> для износа Vb*, соответствующее появлению рассматриваемого дефекта
-
Н·м
CCI или CI
Прилипание дробленой стружки
-
-
С<sub>max</sub>
Максимальный момент
-
Н·м
С<sub>сред</sub>
Средний момент на входе режущих кромок в материал
-
Н·м
С<sub>сред</sub>(Nb)
С<sub>сред</sub>, соответствующее данному износу Vb
-
Н·м
С<sub>сред</sub>(Nb=1)
С<sub>сред</sub>, соответствующее первому просверленному отверстию (Nb=1), выполненному новым инструментом
-
Н·м
CND
Неразрушающий контроль
-
-
СОМ
Совокупность инструмент/материал
-
-
С<sub>плато</sub>
Стационарный момент
-
Н·м
D
Диаметр сверла
-
мм
Е
Наклон прямой Fz<sub>max</sub>/Fz<sub>плато</sub> в зависимости от tp
A.60<sup>-n</sup>.V<sub>c</sub> <sup>n</sup>
с<sup>-1</sup>
Ес<sub>max</sub>
Максимальная энергия момента
<img file="00000025.tif" he="13" wi="33" img-content="undefined" img-format="tif" />
Дж
F
Постоянная, присущая совокупности инструмент/материал, используемая в критерии серьезности, определяемом по толщине ZATM<sub>max</sub> на основании усилия момента
-
мкм·Дж<sup>-λ</sup>
f
Проход за оборот
-
мм/об
Fx и Fy
Поперечные усилия, создаваемые материалом в точки кромки
-
Н
Fz
Осевое усилие или прохождение сверла в материале
Fz*<sub>сред(Nb*)</sub>
С<sub>сред</sub> для износа Vb*, соответствующее появлению рассматриваемого дефекта
-
Н
Fz<sub>max</sub>
Максимальное осевое усилие
-
Н
Fz<sub>сред</sub>
Среднее осевое усилие на входе режущих кромок в материал
-
Н
Fz<sub>сред(Nb)</sub>
Fz<sub>сред</sub>, соответствующее данному износу Vb
-
Н
Fz<sub>сред(Nb=1)</sub>
Fz<sub>сред</sub>, соответствующее первому отверстию (Nb=1), просверленному новым инструментом
-
Н
Fz<sub>плато</sub>
Стационарное осевое усилие
-
Н
G
Постоянная, присущая совокупности инструмент/материал, используемая в критерии серьезности, определяемом по толщине ZATM<sub>max</sub> на основании усилия Fz
-
мкм
hpointe
Высота конца инструмента
<img file="00000026.tif" he="10" wi="21" img-content="undefined" img-format="tif" />
мм
Кса
Специфическое усилие резания, связанное с осевым усилием
<img file="00000027.tif" he="11" wi="11" img-content="undefined" img-format="tif" />
Н/мм<sup>2</sup>
Kct
Специфическое усилие резания, связанное с моментом
<img file="00000028.tif" he="12" wi="17" img-content="undefined" img-format="tif" />
Н/мм<sup>2</sup>
Lb
Длина заусенца на выходе отверстия
<img file="00000029.tif" he="11" wi="41" img-content="undefined" img-format="tif" />
мм
Ld
Длина очистки
-
мм
Lp
Просверленная длина
-
мм
Lt
Общая длина опускания инструмента
-
мм
СЭМ
Сканирующий электронный микроскоп
-
-
ОМ
Оптический микроскоп
-
-
n
Постоянная, присущая совокупности инструмент/материал, используемая в критерии серьезности, определяемом по толщине ZATM<sub>max</sub> на основании усилия Fz
-
-
N
Скорость вращения шпинделя
<img file="00000030.tif" he="13" wi="16" img-content="undefined" img-format="tif" />
об/мин
Nb
Число отверстий, просверленных одним и тем же инструментом, соответствующее появлению рассматриваемого дефекта
-
-
Nb*
Число отверстий, просверленных одним и тем же инструментом
-
-
Nb<sub>крит.</sub>
Критическое число отверстий, соответствующее Vb=0,3мм (заточка сверла)
-
-
Р
Постоянная, зависящая от условия резания и используемая в критерии обнаружения дефекта, связанного с износом Vb
Pc<sub>max</sub>
Максимальная мощность, рассеянная при резании
<img file="00000031.tif" he="13" wi="27" img-content="undefined" img-format="tif" />
Вт или Дж·с<sup>-1</sup>
МП
Мониторинг процесса
-
-
q
Постоянная, зависящая от условия резания, выведенная на основании Fz(t) или C(t) и используемая в критерии обнаружения
-
-
дефекта, связанного с износом Vb
R=Lp/D
Соотношение = длина сверления/диаметр
-
-
SL
Сверление без смазки
-
-
T
Действительное время резания для одного и того же инструмента и нескольких просверленных отверстий
Nb·tp
с
t*
Действительное время резания для одного и того же инструмента, соответствующее появлению рассматриваемого дефекта
Nb*·tp
с
t*<sub>3</sub>
Экспериментальное время, начиная с которого режущие кромки (уголки сверла) выходят из материала
-
с
t*Fz
Переходное время между стационарным режимом и повышением усилия
-
с
t*<sub>F2</sub>=0
Время, после которого усилие опять становится нулевым, незадолго до подъема сверла
-
с
t<sub>0</sub>
Теоретическое время, начиная с которого режущая часть сверла входит в материал
-
с
t<sub>1</sub>
Теоретическое время, начиная с которого режущие кромки (уголки сверла) заходят в материал
-
с
t<sub>2</sub>
Теоретическое время, начиная с которого режущая часть сверла выходит из материала
-
с
t<sub>3</sub>
Теоретическое время, начиная с которого режущие кромки (уголки сверла) выходят из материала)
-
с
t<sub>4</sub>
Время непосредственно перед подъемом сверла
-
с
t*<sub>c</sub>
Переходное время между стационарным режимом и повышением момента
-
с
t<sub>крит.</sub>
Критическое время резания, соответствующее Vb=0,3 мм (заточка сверла)
Nb<sub>крит.</sub>.tp
с
td
Время очистки сверла
<img file="00000032.tif" he="13" wi="26" img-content="undefined" img-format="tif" />
с
tp
Время сверления
<img file="00000033.tif" he="13" wi="26" img-content="undefined" img-format="tif" />
с
tt
Общее время опускания сверла
<img file="00000034.tif" he="13" wi="25" img-content="undefined" img-format="tif" />
с
Vb
Фронтальный износ режущих кромок
-
мм
Vb*
Износ режущих кромок, соответствующий появлению рассматриваемого дефекта
-
мм
Vb<sub>крит.</sub>
Критический фронтальный износ, требующий заточки сверла и составляющий 0,3 мм
-
мм
Vc
Скорость резания
<img file="00000035.tif" he="12" wi="17" img-content="undefined" img-format="tif" />
м/мин
Vс<sub>крит.</sub>
Критическая скорость резания, отделяющая область «без дефекта» от области «с дефектом»
-
м/мин
Vf
Проход за минуту или скорость прохода
N·f
мм/мин
Vr
Осевая скорость подъема сверла
-
м/мин
ZATM
Зона термомеханического влияния
-
-
ZATM<sub>max</sub>
Максимальная толщина зоны термомеханического влияния на выходе отверстия
<img file="00000036.tif" he="8" wi="52" img-content="undefined" img-format="tif" />или
<img file="00000037.tif" he="12" wi="43" img-content="undefined" img-format="tif" />
мкм
ZATMr
Прямоугольная ZATM
-
-
ZATMt
Треугольная ZATM
-
-
ZR
Рекристаллизованная зона
-
-