Исследование работоспособности инструментального материала «Композит 10» в условиях прерывистого резания

ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЕ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ РЕЗАНИЕМ

УДК 621.9

ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ИНСТРУМЕНТАЛЬНОГО МАТЕРИАЛА «КОМПОЗИТ 10» В УСЛОВИЯХ ПРЕРЫВИСТОГО РЕЗАНИЯ

Е.А. Кудряшов, И.М. Смирнов, Т.Е. Каменева

Рассмотрены преимущества использования инструментов, оснащенных инструментальным материалом «композит 10» для скоростного нарезания трапецеидальных резьб на деталях класса тела вращения перед процессом шлифования. При помощи методов математического планирования экспериментов изучена работоспособность инструментального материала при обработке конструктивно сложных поверхностей деталей с элементами прерыва основных поверхностей. Получены аналитические зависимости и графическая модель, позволяющие установить рациональные режимы обработки.

Ключевые слова: трапецеидальная резьба, композит, работоспособность, стойкость, прерывистое резание, планирование эксперимента.

Состояние промышленного производства во многом определяется наличием современного станочного оборудования и инструментального оснащения, способного к изготовлению машин мирового уровня, отличающихся конкурентоспособностью, производительностью и качеством.

К числу слагаемых, обеспечивающих эти высокие требования, относится изготовление деталей, имеющих винтовые поверхности, в том числе для обеспечения различных основных и вспомогательных функций органов движения машин. Известно, что более половины подобных деталей имеют резьбу высокой точности и качества и их получение по существующей технологии механической обработки связано с большой трудоемкостью и экономическими затратами.

Традиционно, особенно на финишных операциях технологического процесса, предпочтение отдается методу абразивного или алмазного шлифования. Этот метод обработки, наряду с высокой точностью и качеством,

362

имеет существенные недостатки, а именно насыщение обрабатываемой поверхности детали частицами шлифовального круга (шаржирование) и большую вероятность прижогов, что неблагоприятным образом сказывается на качестве исполнения и эксплуатации изделия.

Альтернативное использование для нарезания винтовых поверхностей резцов, оснащенных режущими элементами из модификаций кубического нитрида бора (торговая марка «композит»), позволяет повысить эффективность изготовления деталей с резьбовыми поверхностями и заменить устаревшую технологию, основанную на сочетании черновой лезвийной и окончательной шлифовальной обработки. Опыт металлообработки свидетельствует о недостаточно полном использовании группы композиционных инструментальных материалов в основном производстве конструктивно сложных изделий.

Следует признать, что потенциальные возможности этой группы уникальных по своим свойствам инструментальных материалов изучены далеко не полностью. Отсутствие необходимой технической информации и практических рекомендаций не позволяет пока принять композиты для широкого использования в металлообработке, особенно в условиях прерывистого резания. С этой точки зрения знание процесса изнашивания инструмента представляется важным для выбора оптимального инструментального обеспечения.

По существующей в настоящее время технологии лезвийной обработки нарезание винтовой поверхности обычно осуществляется на универсальных токарно-винторезных станках многократными проходами одиночным резцом, оснащенным режущим элементом из твердого сплава, и последующей обработкой резьбошлифованием.

Для исследования возможности повышения производительности процесса и улучшения качества обработки с исключением таких негативных факторов шлифования, как прижоги, шаржирование, были использованы режущие элементы группы композитов, которыми оснащались резьбовые резцы. Состояние режущих кромок, угловых и линейных параметров режущих элементов контролировалось на инструментальном микроскопе до начала процесса резания, в период установившегося процесса и при достижении величины износа по задней поверхности инструмента

Из = 0,40 мм - величине, принятой в качестве критерия, характеризующего допустимый предел работоспособности инструментального материала [1 - 8].

В ходе экспериментов установлено, что износ на левом и правом режущих лезвиях имеет одинаковый характер и закономерности. Так, в первоначальный период резания для всех марок композитов на передней поверхности режущего элемента, на расстоянии от вершины инструмента,

363

примерно равном глубине резания, формируется лунка. По мере увеличения количества проходов ее величина растет, а на задней поверхности образуется площадка износа.

Увеличение количества проходов при обработке гладкой винтовой поверхности интенсифицирует процесс изнашивания левого и правого лезвий режущего элемента. Наблюдается увеличение размеров лунки износа и глубины ее проникновения в тело режущего элемента.

Трудности вызывает нарезание наружных винтовых поверхностей, имеющих пересечения с элементами прерыва. Так, у детали «винт ходовой из стали 40Х13» (длина детали 645 мм, длина поверхности резьбы Тг 20х4-7е составляет 387 мм) на поверхности резьбы имеется сквозное перпендикулярное оси симметрии отверстие диаметром 6+0,018 мм на расстоянии от торца, равном 8 мм.

Трудности обработки прерывистой поверхности резьбы носят технологический характер и связаны с обеспечением стойкости инструментального материала, т.е. работоспособности режущего элемента при встрече и последующим резанием участка винтовой поверхности, имеющим элемент прерыва. Встреча с элементами прерыва, расположенными на винтовой поверхности (паз, шпонка или второстепенное отверстие, перпендикулярные оси симметрии детали и др.), сопровождается ударом при врезании вершины режущего элемента в тело детали и микровыкрашиванием части режущих кромок. В результате инструментальный материал существенно теряет свою работоспособность, а в отдельных случаях проявляет неспособность к нарезанию винтовых поверхностей [9 - 12].

Так, композит 05 показал наименьшую сопротивляемость ударным нагрузкам и большую расположенность к хрупкому разрушению, что может являться препятствием при нарезании винтовой поверхности с элементом прерыва (рисунок).

Наибольшей стойкостью обладает инструментальный материал «композит 10», а затем, в порядке убывания работоспособности, - «композит 01», «композит 09», «композит 02».

Правая нисподающая ветвь кривых на рисунке имеет характерные снижения, что объясняется классическим влиянием скорости резания на период стойкости, т.е. при увеличении скорости резания период стойкости уменьшается. Часть экспериментов, проведенная с режущими элементами, имеющими упрочняющую фаску, показала повышение работоспособности по сравнению со стандартными режущими элементами резьбовых резцов на величину 20.. .30 % от исходных значений.

При нахождении режимов резания, соответствующих оптимальным условиям работоспособности инструментального материала за период его стойкости, исходили из взаимосвязи большой группы технологических факторов, участвующих в процессе нарезания наружной винтовой поверхности, а именно

п

V) = Ур • I к, 1=1

где У) - оптимальное значение искомой скорости резания, м/с; Ур - рас-

п

четное (или табличное) значение скорости резания, м/с; I Кг- - совокуп-

1=1

ность коэффициентов, учитывающих взаимосвязи факторов процесса резания по следующим условиям: К1 - по назначению; К2 - по характеру работы; К3 - по расположению винтовой поверхности на детали; К4 - по размерности; К5 - по диаметру; К6 - по длине; К7 - по профилю; К8 - по шагу; К9 - по числу заходов; К10 - по углу наклона винтовой линии; К11 - по наклону образующей; К12 - по выходу; К13 - по посадке; К14 - по точности; К15 - по сложности обработки.

Зависимость работоспособности различных марок инструментальных материалов (группа композитов) от изменения режимов резания при наличии элемента прерыва на поверхности трапецеидальной

резьбы

365

Значения коэффициентов К1-К15 приведены в табл. 1.

Таблица 1

Значения коэффициентов, учитывающих взаимосвязи факторов процесса нарезания винтовых поверхностей

Порядковый Содержание факторов и их взаимосвязей, отно- Значение коэф-

номер коэффи- сящихся к данному коэффициенту фициента

циента

Эксплуатационный признак, в том числе: резьбы герметичные резьбы крепежные резьбы ходовые 0,97 0,99 0,95

Кинематический признак, в том числе:

К1 резьбы соосные 1,00

резьбы несоосные 0,97

Конструктивный признак, в том числе: резьбы самонарезные резьбы самонакатываемые 0,99 0,99

резьбы самостопорящие 0,99

К2 Характер работы резьбы, в том числе: работающие с трением скольжения работающие с трением качения 0,98 0,95

К3 Расположение резьбовой поверхности на детали: резьбы внутренние резьбы наружные 1,00 1,00

К4 Классификация резьб по размерности: резьбы метрические резьбы модульные резьбы дюймовые 1,00 0,98 0,98

резьбы питчевые 0,98

Диаметр резьбы, в том числе:

К5 малых диаметров средних диаметров больших диаметров 1,00 0,98 0,95

Длина резьбы, в том числе

К6 короткая нормальная 1,00 0,98

длинная 0,95

Профиль резьбы, в том числе:

круглый 0,96

К7 трапецеидальный прямоугольный 0,94 0,98

треугольный резьбы упорные 1,00 0,97

Шаг резьбы, в том числе:

К8 мелкий 1,00

средний 0,97

крупный 0,94

Окончание табл. 1

Порядковый Содержание факторов и их взаимосвязей, отно- Значение коэф-

номер коэффи- сящихся к данному коэффициенту фициента

циента

Число заходов, в том числе:

К9 однозаходовые 1,00

многозаходовые 0,97

Наклон винтовой линии, в том числе:

К10 правые левые 0,99 0,99

Наклон образующей, в том числе:

К11 резьбы цилиндрические 0,99

резьбы конические 0,96

Выход резьбы, в том числе:

К12 со сбегом 0,97

без сбега 1,00

Посадка, в том числе:

К13 с натягом 0,95

с зазором 1,00

Точность резьбы, в том числе:

К14 грубая средняя точная 0,98 0,96 0,92

Сложность обработки, в том числе:

К15 без элементов прерыва 1,00

наличие элементов прерыва 0,85

Примечание: значения коэффициентов получены экспериментально-аналитическим способом.

При поиске оптимальных условий резания применен метод крутого восхождения. Применение этого метода позволяет найти искомое значение расчетной скорости резания Ур , подачи и глубины резания, а также ряда

других основных факторов технологического процесса, например, зависимости составляющих режимов резания от твердости обрабатываемого материала и состояния прерывистости обрабатываемой поверхности.

На основании априорной информации и методики планирования эксперимента были выбраны основные уровни и интервалы варьирования факторов (табл. 2).

В опыте № 10 (при расчете крутого восхождения) получена максимальная стойкость резца 31,7 мин.

Уравнение регрессии с кодированными переменными имеет вид

у = 40,4 + 3,8Щ + 2,55Х2 -1,05Х3 + 2,25Х4 - 2,65Х5,

где у - искомое значение стойкости инструмента в кодированном виде.

367

Таблица 2

Уровни и интервалы варьирования факторов

Перечень и описание исследуемых факторов Код фактора Интервал варьирования Значения факторов

верхний основной нижний

Скорость резания V, м/с 1,0 4,0 3,0 2,0

Подача 5, мм/об 0,10 0,25 0,15 0,05

Глубина резания г, мм Хз 0,20 0,50 0,30 0,10

Твердость материала ИЯС Х4 10 60 50 40

Прерывистость резания 5,% Х5 5 15 10 5

При решении данной задачи оптимальными условиями процесса резания винтовой поверхности одиночным резцом из композита 10 признаны: V = 3,8 м/с; 5 = 0,125 мм/об.; г = 0,10 мм; ИЯС 55; 5 < 10 % (см. рисунок).

Нарезание наружных винтовых поверхностей сопровождается скоростями резания до 4,0 м/с, поэтому практически исключается вероятность возникновения высокой температуры нагрева режущего элемента, способной приблизится к температуре отпуска материала инструмента (как правило, эта температура нагрева не превышает значений 450...500 °С, что значительно меньше температуры отпуска). Наличие малой толщины припуска и обильного полива струей смазывающее-охлаждающей жидкости (СОЖ) также способствует тому, что в зоне контакта режущего элемента с обрабатываемой поверхностью детали развивается относительно невысокая температура и, следовательно, тепловое состояние не может являться определяющим фактором износа режущего элемента на любом этапе работы за полный период его стойкости.

Результаты исследования свидетельствуют о работоспособности инструментального материала «композит 10» при нарезании наружных винтовых поверхностей. Получены режимы резания, соответствующие оптимальным условиям работоспособности для достижения требуемых показателей точности (шестой квалитет) и шероховатости (показатель

Яа < 0,63 мкм). По сравнению со старой технологией резьбошлифования повышение производительности труда (почти вдвое) достигнуто не в ущерб качеству обработки: исключена вероятность появления прижогов и шаржирования поверхности резания.

Список литературы

1. Kudryashov E.A., Nikonov A.M., Stetsurin A.V. General Approach to the Optimization of Machining by Composite // Russian Engineering Research. 2008. Vol. 28. №. 6. P. 611 - 613.

2. Кудряшов Е.А. Технология лезвийной обработки деталей повышенной конструктивной сложности // Фундаментальные и прикладные проблемы технологии машиностроения. Технология: материалы международной науч.-техн. конф. Орел, 25 - 27 сентября 2003. С. 209 - 213.

3. Кудряшов Е.А. Технологические преимущества инструментального материала композит при обработке конструктивно сложных поверхностей деталей // Известия ВолгГТУ. 2010. № 12. С. 15 - 20.

4. Смирнов И.М. Повышение эффективности процессов механической обработки конструктивно сложных деталей машин. М.: Триумф, 2012. 224 с.

5. Кудряшов Е.А., Смирнов И.М. Скоростное нарезание трапецеидальных резьб резцами из композита 10 // Известия Юго-Западного государственного университета. Сер. Техника и технологии. 2012. № 5 (44). С. 85 - 88.

6. Кудряшов Е.А. Вихревое нарезание резьб вращающимися резцами из композита 10 // Известия Юго-Западного государственного университета. Сер. Техника и технологии. 2012. № 6 (45). С. 119 - 122.

7. Кудряшов Е.А., Емельянов С.Г., Яцун Е.И. Технологическое оснащение процессов изготовления конструктивно сложных деталей Старый Оскол: Изд-во ТНТ, 2013. 268 с.

8. Кудряшов Е.А., Смирнов И.М., Каменева Т.Е. Основные операции и характеристика методов изготовления // Известия Юго-Западного государственного университета. Сер. Техника и технологии. 2013. № 2. С. 28 - 35.

9. Кудряшов Е.А., Смирнов И.М. Поиск оптимальных решений при проектировании процессов механической // Системы. Методы. Технологии / ФГБОУ ВПО «Братский государственный университет». 2014. № 3 (23). С. 94-98.

10. Кудряшов Е.А., Смирнов И.М., Яцун Е.И. Выбор инструментального обеспечения процессов чистовой обработки конструктивно сложных поверхностей деталей // Наукоемкие технологии в машиностроении. 2014. № 12 (42). С. 10 - 14.

11. Кудряшов Е.А., Смирнов И.М. К выбору рационального способа восстановления работоспособности изношенных поверхностей // Известия Юго-Западного государственного университета. Сер. Техника и технологии. 2014. № 12 (42). С. 10 - 14.

369

12. Смирнов И.М. Инструментальное обеспечение процессов механической обработки конструктивно сложных деталей машин: М.: Триумф, 2014. 128 с.

Кудряшов Евгений Алексеевич, д-р техн. наук, проф., kea-swsu@mail.ru, Россия, Балашиха, АО «Научно-исследовательский инженерный институт»,

Смирнов Игорь Михайлович, д-р техн. наук, доц., oaoniiia.pochta.ru, Россия, Балашиха, АО ««Научно-исследовательский инженерный институт»

Каменева Татьяна Евгеньевна, асп., Taska015amail.ru, Россия, Курск, Юго-Западный государственный университет

STUDY OF EFFICIENCY OF THE CUTTING MA TERIAL COMPOSITE 10 IN

INTERRUPTED CUTTING

E.A. Kudryashov, I.M. Smirnov, T.E. Kameneva

The study shows the advantages of tools equipped with cutting material composite 10 for high-speed cutting of trapezoidal threads on rotational parts family before the grinding process. Using the methods of mathematical planning of experiments, the working capacity of the cutting material was studied when machining structurally complex surfaces of parts with elements of interruption. The paper shows analytical relation and a graphical model, which allow establishing rational cutting data.

Key words: trapezoidal thread, composite, operability, durability, intermittent cutting, experiment planning.

Kudryashov Evgeniy Alekseevich, doctor of technical sciences, professor, kea-swsu@mail.ru, Russia, Balashikha, JSC «Scientific Research Engineering Institute»

Smirnov Igor Mikhailovich, doctor of technical sciences, docent, oaoniiiapochta. ru, Russia, Balashikha, JSC «Scientific Research Engineering Institute»

Kameneva Tatyana Evgenievna, postgraduate, taska015@,mail. ru, Russia, Kursk, SouthWest State University