Рациональных режимов торцового фрезерования сплавов на никелевой основе по температуре формоустойчивости ( часть 1)

УДК 621.91.01

В. С. КУШНЕР Д. С. ГУБИН

Омский государственный технический университет

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

РАЦИОНАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ ТОРЦОВОГО ФРЕЗЕРОВАНИЯ СПЛАВОВ НА НИКЕЛЕВОЙ ОСНОВЕ ПО ТЕМПЕРАТУРЕ ФОРМОУСТОЙЧИВОСТИ

В статье разработана методика теоретического определения рациональных режимов фрезерования никелевых сплавов. В качестве основного ограничения использовалась связь интенсивности изнашивания с температурой формоустойчивости режущего лезвия. Расчет температур выполнялся с учетом взаимосвязи температуры и характеристик сопротивления никелевых сплавов пластическим деформациям, а также с учетом влияния тепловых потоков, отводящихся из зоны резания в инструмент и в заготовку. Ключевые слова: сплавы на никелевой основе, торцевое фрезерование, пластические деформации, температура формоустойчивости, рациональные режимы.

Актуальность. Сплавы на никелевой основе широко применяются при производстве деталей аэро-и ракетно-космической техники. Известные справочные материалы [1] по назначению режимов фрезерования никелевых сплавов разрабатывались исключительно на эмпирической основе и недостаточно полно и правильно учитывали схематизацию процесса фрезерования и влияние большого числа факторов на режимы резания. В частности, не учитывались взаимосвязь температуры и сопротивления никелевых сплавов пластическим деформациям [2], а также ограничения по износостойкости инструмента. В связи с этим теоретическое обоснование оптимальных режимов обработки никелевых сплавов фрезерованием является одной из важных и нерешенных задач современного аэро- и ракетостро-ительного производства.

Состояние вопроса. Важная роль температуры резания в определении режимов, характеризующих -ся минимальной интенсивностью изнашивания инструмента, была показана в работах А. Д. Макарова [3]. При этом не учитывалось влияние критерия затупления (ширины фаски износа задней поверхности), а температуры резания определялись экспериментально.

Теоретические методы расчета температуры в основном применительно к точению сталей активно разрабатывались в шестидесятые годы ХХ века и позже А. Н. Резниковым [4] и др. При задании плотностей тепловых потоков на поверхностях режущего лезвия использовались экспериментальные сведения о силах резания. Определенные погрешности были связаны с разделением общей мощности резания на мощности источников теплоты в зоне стружкообразования, на передней и задней поверхностях инструмента. Не учитывалась зависимость удельной работы деформации от деформации, скорости деформации и температуры, а также взаимо-

связь температуры и плотности тепловых потоков на участке пластического контакта инструмента со стружкой.

Целесообразность учета действительного упрочнения и разупрочнения никелевых сплавов в процессе резания, а также взаимосвязи предела текучести и температуры была показана в работах [5, 6].

В работе [5, с. 53 — 58] было показано, что при фрезеровании сталей рациональные режимы резания тесно связаны не с температурой резания, а с температурами передней и задней поверхностей режущих лезвий.

Более высокий уровень интенсивности изнашивания режущего лезвия при точении никелевых сплавов и сталей в тяжелых условиях резания связывался с деформацией режущих лезвий [6, с. 131 — 137; 7, 8]. В связи с этим в качестве основного температурного фактора, более тесно связанного с интенсивностью изнашивания, использовалась температура формо-устойчивости режущего лезвия [6, с. 138— 139; 8, с. 27-28] .

Задачи исследования. Для определения рациональных режимов фрезерования никелевых сплавов с учетом интенсивностей изнашивания режущего инструмента в настоящей статье:

— установлена связь условий фрезерования с допускаемой интенсивностью изнашивания режущего лезвия;

— усовершенствована методика расчета температуры деформации, контактных температур передней и задней поверхностей инструмента и температуры формоустойчивости;

— на основании анализа экспериментальных данных об изнашивании инструмента при обработке резанием никелевых сплавов выявлены зависимости интенсивности изнашивания от расчетной температуры формоустойчивости для различных значений критерия затупления твердосплавного инструмента;

Рис. 1. Схема процесса торцового фрезерования: а — в основной плоскости, б и г — в рабочей плоскости, в — в плоскости стружкообразования

— определены рациональные температуры формо-устойчивости и получены рекомендации по назначению минутной подачи и частоты вращения фрезы.

Связь характеристик износостойкости и изнашивания. Принятая схема позволила учесть особенности торцового фрезерования и, в частности, рассмотреть условия фрезерования в плоскости стружкообразования при максимальном угле контакта 9м, сопоставимые с аналогичными условиями при стационарном резании

В соответствии со схемой (рис. 1) площадь обработанной поверхности связана с подачей на зуб, шириной фрезерования В (или глубиной врезания е), числом зубьев и количеством оборотов п фрезы соотношением:

где

1+

1 - ехр

Ре^апфу

Из (4) следует, что зависимость удельной работы деформации от деформации сдвига с учетом влияния скорости деформации и температуры описывается формулой:

1- ехр

АЖ —

АА1К . (1-5ьео / 0 )Кре ш+1

" (Го'-Г;)( т+1) . р

(1-„/о АКр

р — 5 ьг • п.

z

С учетом (1) путь резания I , пройденный одним режущим лезвием, будет равен:

I'—» е..

2 мб2 в г

где ем — агссо8| 1-^ I.

Средняя интенсивность изнашивания, соответствующая заданной площади обработки, определится формулой:

г(л' -ло) •б2 ьг

* — л -л0 — 2\л -л0)ь г

° I—

I

р е„

1р.—йАЖ.—АК.6 т ехр Бъ й. Р

Ь0 Р

(1-5ье0 /5М )ААКК

Ре т+1 8 Р

Соответственно, зависимость предела текучести от деформации (т. е. кривая течения) для условий резания никелевого сплава может быть получена дифференцированием (6) по деформации:

—АК. 8 т ехр

, Р Р

АДК. (1-5М )К

ре .т+1

Максимальные значения предела текучести, достигаются при выравнивании упрочнения и разупрочнения:

-—АК.

т+1

Термомеханическая модель сопротивления никелевых сплавов пластически деформациям в адиабатических условиях. Зависимость предела текучести от деформации с учетом влияния температуры, скорости деформации в адиабатических условиях имеет вид:

В*| 1-IА1КреАК.8,

АКгКРеАВч 11 1-

Я,,

1

1+т

Расчеты, выполненные по формулам (8) и по аналогичным формулам для предела текучести на перед-

Кре —

т

Р

5

т

5

Рис. 2. Влияние переднего угла режущего лезвия

на температуру деформации при резании никелевого сплава ХН56ВМТЮ-ВД

ней поверхности, показали, что при резании никелевого сплава ХН56ВМТЮ-ВД с прочностными характеристиками при растяжении ав= 1250 МПа; 5 = 0,2; т = 0,3; наибольшее значение предела текучести на сдвиг в зоне стружкообразования т=1,245^ = 1870 МПа достигается при деформации =1,9 , примерно равной конечному истинному сдвигу еи = 2 Это свидетельствует о том, что деформация обрабатываемого материала в рассматриваемых условиях резания происходит в широкой зоне стружкообра-зования и сопровождается упрочнением материала вплоть до стабилизации предела текучести при значениях, близких к наибольшему пределу текучести. При этом среднее значение предела текучести (удельная касательная сила в условной плоскости сдвига) т7 =1,095ь =1640 МПа.

Полученные результаты расчета свидетельствуют о том, что удельные касательные силы ту при резании никелевого сплава значительно выше, чем при резании отожженных сталей. Это связано не только с более высоким действительным пределом прочности, но с большим упрочением в зоне стружко-образования в процессе резания.

Оценка температуры деформации. На основании полученных значений для удельной работы деформации (6) с учетом конечного истинного сдвига еи = 2, а также с учетом теплового потока, поступающего из зоны стружкообразования в обрабатываемую заготовку [2, с. 155— 159] рассчитывалась температура деформации:

Таким образом, для средних рациональных значений переднего угла у = 10° температура деформации равна 550 °С, что составляет большую долю допускаемой рациональной температуры передней поверхности режущего лезвия. Влияние теплового потока из зоны стружкообразования в обрабатываемую заготовку оценивалось коэффициентом КРе, который для рассматриваемых условий резания был примерно равен 0,7.

Библиографический список

1. Режимы резания труднообрабатываемых материалов : справ. / Я. Л. Гуревич [и др.]. — М. : Машиностроение, 1986. — 240 с.

2. Верещака, А. С. Резание материалов : учеб. / А. С. Верещака, В. С. Кушнер. — М. : Высш. шк., 2009. — 535 с.

3. Макаров, А. Д. Оптимизация процессов резания / А. Д. Макаров. — М. : Машиностроение, 1976. — 278 с.

4. Резников, А. Н. Теплофизика резания / А. Н. Резников. — М. : Машиностроение, 1969. — 288 с.

5. Бургонова, О. Ю. Повышение эффективности обработки конструкционных материалов фрезерованием : моногр. /

A. Ю. Бургонова, В. С. Кушнер. — Омск : ОмГТУ, 2013. — 140 с.

6. Крутько, А. А. Повышение эффективности восстановления токарной обработкой железнодорожных колесных пар : моногр. / А. А. Крутько, В. С. Кушнер, А. А. Воробьев. — Омск : ОмГТУ, 2013. - 176 с.

7. Кушнер, В. С. Оптимизация технологии токарной обработки дисков газотурбинных двигателей с целью уменьшения отклонений обработанной поверхности / В. С. Кушнер, О. Ю. Бургонова, Д. С. Губин // Проблемы разработки, изготовления и эксплуатации ракетно-космической техники : материалы VII Всерос. научн.-техн. конф., посвящ. памяти главного конструктора ПО «Полет» А. С. Клинышкова. — Омск, 2012. — С. 108 — 112.

8. Кушнер, В. С. Влияние температуры и напряжений на интенсивность формоизменения режущего лезвия при обработке никелевых сплавов / В. С. Кушнер, А. Н. Жавнеров,

B. А. Горшенин // Омский научный вестник. Сер. Приборы, машины и технологии. — 2007. — № 3 (60). — С. 26 — 28.

При фрезеровании никелевых сплавов наряду с их прочностными характеристиками большое влияние на температуру деформации оказывает передний угол у (рис. 2).

КУШНЕР Валерий Семенович, доктор технических наук, профессор (Россия), профессор кафедры «Машиностроение и материаловедение». Адрес для переписки: valerii_kushner@mail.ru ГУБИН Дмитрий Сергеевич, аспирант, ассистент кафедры «Машиностроение и материаловедение». Адрес для переписки: gubin.89@list.ru

Статья поступила в редакцию 18.02.2015 г. © В. С. Кушнер, Д. С. Губин

Книжная полка

Бельков, В. Н. Детали машин и основы конструирования. Передачи : учеб. пособие / В. Н. Бельков, Н. В. Захаров. - Омск : ОмГТУ, 2014. - 1 о=эл. опт. диск (CD-ROM). - ISBN 978-5-8149-1038-7.

Изложены основы теории, расчета и конструирования передач зацеплением и трением машин общего назначения. Пособие по структуре, содержанию и методике ориентировано на изучение дисциплины «Детали машин и основы конструирования». Содержит справочные таблицы и данные на основе нормативных документов, принятых в практике консультирования.