Оптимизация режимов резания по сигналам виброакустики

УДК 621.19

В.И, Курдюков, А.К. Остапчук, В.Е. Овсянников, Е.Ю. Рогов

ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ МИКРОРЕЛЬЕФА ПРИ ВЫГЛАЖИВАНИИ ТЕРМОУПРОЧНЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Введение. Одним из видов чистовой обработки, сопоставимым со шлифованием, полированием, суперфинишированием и подобными методами является выглаживание. Этот метод заключается в пластическом деформировании обрабатываемой поверхности скользящим по ней инструментом - выглаживателем. Использование в качестве инструментального материала синтетических алмазов позволяет обрабатывать практически все металлы, включая закаленные стали до ИКС 60... 65. Однако в промышленной практике данный вид обработки применяется редко. Это во многом определяется тем, что в литературе практически отсутствуют требования к поверхности детали, которая является исходной для выглаживания: к ее твердости, параметрам микрогеомтрии и т.д. Данная работа призвана частично заполнить этот пробел.

Постановка задачи исследования. Главной задачей исследования является выявление особенностей формирования микрорельефа при выглаживании поверхности термоупрочненной детали и установление отличий в формировании микрорельефа при обработке закаленных и незакаленных деталей.

Основные результаты работы. Были прове-

дены исследования в области алмазного выглаживания термоупрочненных и «сырых» сталей (с твердостью в состоянии поставки). Использовались образцы из стали 45, с твердостью ИВ 180 и закаленной стали 45 твердость, которой составляла ИКС 50... 54. На основе проведенных исследований и рекомендаций в сфере алмазного выглаживания можно выявить некоторые особенности выглаживания термоупрочненных сталей и попытаться сделать выводы целесообразности подобной обработки.

На образование шероховатости поверхности влияют режимы выглаживания, материал и исходная шероховатость обрабатываемой детали, геометрия инструмента. При обработке материалов средней твердости исходная шероховатость должна быть не более Ка 2.5. 3 мкм, при выглаживании закаленных сталей Ка 0.8... 1.2 мкм, при большей шероховатости ввиду высокой твердости обрабатываемого материала не происходит полного сминания микрогребешков поверхности, шероховатость уменьшается не более чем в 1,5 раза, поэтому выглаживание становиться нецелесообразным. На рис. 1 показаны профилограммы выглаженной поверхности образцов из незакаленной стали, на рис. 2 профили для образцов из закален-

Рис. 1. Профилограмма выглаженной поверхности образцов из незакаленной стали Ка=0,17 мкм,

8т=0,05 мм, 1Р=49.7

Рис. 2. Профилограмма выглаженной поверхности образцов из закаленной стали Ка=0,4 мкм,

$ш=0,149 мм, ¡в=55,4

Рис. 3. Коррелограмма выглаженной поверхности образцов из незакаленной стали

Рис. 4. Коррелограмма выглаженной поверхности образцов из закаленной стали

ной стали 45, НКС 50... 54.

Параметрами процесса выглаживания оказывающими основное влияние на образование шероховатости, являются сила выглаживания, подача и радиус рабочей части инструмента. Зависимость параметров шероховатости поверхности от силы выглаживания подобна для разных обрабатываемых материалов. С увеличением силы выглаживания шероховатость уменьшается до определенного предела. Оптимальную силу выглаживания можно определить по формулам соответственно для мягких и закаленных материалов [1,2]:

Р = 0МИ¥(^К + К)2; Р = 0.013ИУ (О + К)2;

где ИУ - твердость обрабатываемого материала по Виккерсу;

О - диаметр детали;

К - радиус рабочей части алмаза;

Сила выглаживания может также определяться в зависимости от глубины внедрения алмаза по методике рекомендованной В.М.Торбило [1].

Р = пеИУЯ2,

где £ - относительная глубина внедрения алмаза, для отделочно-упрочняющей обработки закаленных сталей £=0,003...0,005; для упрочняющей £=0,007. Относительная глубина внедрения есть отношение глубины внедрения выглаживателя в поверхность детали (натяга) к радиусу рабочей части алмаза. При жесткой схеме выглаживания натяг является основным технологическим параметром, вызывающим силовое воздействие инструмента на обрабатываемую деталь [1,2].

Рекомендованные значения подачи находятся в интервале 0,02.0,1 мм/об [1,2]. Как показывают исследования, и рекомендации изменение подачи в этом диапазоне возрастание шероховатости происходит практически по линейной зависимости. При увеличении подачи свыше 0,1 мм/об происходит резкое увеличение шероховатости, а при подачах свыше 0,14 мм/об процесс выглаживания становится малоэффективным [1,2].

Заключение

Анализ полученных профилей шероховатости выглаженных поверхностей показал - высотные параметры шероховатости закаленных деталей значительно больше, т. к. твердость обрабатываемого материала выше, гребешки исходной шероховатости деформируются меньше. Из корреляционного анализа профилей видно, что случайная составляющая профиля закаленных сталей вносит гораздо меньший вклад в образование шероховатости, чем у сталей с меньшей твердостью, где отношение случайной и систематической составляющих профиля выше. Это говорит о более стабильном состоянии процесса обработки закаленных сталей (рис. 3, 4).

Анализ спектров вибросигнала, полученных при выглаживании материалов разной твердости показал, что они значительно отличаются по амплитудному и частотному составу. Максимальная частота, присутствующая в вибросигнале, при выглаживании незакаленной стали, составляет 1113 кГц. Частота вибросигнала при обработке закаленных сталей смещена в высокочастотную часть спектра и достигает 17-21 кГц. (рис. 5, 6).

А

3.6

3.2 2.Є 2.4 2.0

1.6

1.2 О.в 0.4

О

100Q

5000

9000

13000

*7000

21000

Рис. 5. Частота вибросигнала при обработке незакаленных сталей

Л 0.9 0.Є 0.7 0.6

0.5

0.4 О.а 0.2 0.1 О

1000

5000

9000

13000

17000

21000

Рис. 6. Частота вибросигнала при обработке закаленных сталей

Что касается целесообразности использования выглаживания, как альтернативы другим методам чистовой и отделочной обработки, этот вопрос должен решаться отдельно для каждого конкретного случая со своими особенностями и условия-

ми, с учетом технических требований к качеству поверхности, необходимой производительности, надежности и служебного назначения обрабатываемых деталей.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.Торбило В.М. Алмазное выглаживание.- М: Машиностроение. 1972. - 105 с.

2.Одинцов Л.Г. Финишная обработка алмазным выглаживанием и вибровыглаживанием. - М: Машиностроение. 1981.-160с.

Авторы статьи:

Курдюков Владимир Ильич -докт.техн.наук, проф каф. "Металлорежущие станки и инструмент" (Курганский гос. университет) Тел. 8-(3522) 53-33-77

Остапчук Александр Константинович

- канд. техн.наук, доц. каф. "Технология машиностроения" (Курганский гос. уни-

Овсянников Виктор Евгеньевич -асп. каф. "Технология машиностроения" (Курганский гос. универси-

верситет) тет) Тел. 8-(3522) 53-36-

ostapchuk ss@mail.ru

76

Рогов

Евгений Юрьевич

- асп. каф. "Технология машиностроения" (Курганский гос. университет) . e-mail: rogov@kgsu.ru; evro-evgen@vandex.ru

УДК 621.19

В.И. Курдюков, А.К. Остапчук, В.Е. Овсянников, Е.Ю. Рогов ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМОВ РЕЗАНИЯ ПО СИГНАЛАМ ВИБРОАКУСТИКИ

Введение. Широкое внедрение станков с ЧПУ, многоцелевых станков и создание на их основе автоматизированных производств имеет важное значение в деле автоматизации единично-

го и серийного производства. При обработке на станках с ЧПУ уровень оптимальности принятых режимов резания зависит от того, насколько точно начальная информация характеризует действи-

тельные условия протекания процесса резания. Существование поля разрешенных режимов обработки в виде достаточно объемного количества сочетаний чисел оборотов или скоростей резания и величин подач для любого технологического перехода с присущим только ему набором граничных условий ставит перед технологом проблему выбора из этого набора наилучшего режима работы станка на проектируемом переходе. Существуют различные подходы к назначению оптимальных режимов резания [1-3], одним из которых является энергетический подход [2].

Закон сохранения энергии в процессе резания выражается в приращении работы резания Ар и тепловую Q и скрытую (внутреннюю) энергию деформации Аи деформируемых объемов стружки - Аистр, поверхностных слоев детали - Аидет и рабочих поверхностей инструмента Аиинст.

Механическая обработка в энергетическом отношении является чрезвычайно неэффективным процессом. Общие затраты при резании в 8-10 раз и более превосходят затраты на полезную работу формирования новой поверхности детали. Избыток энергии расходуется на упругую и пластическую деформации обрабатываемого материала и инструмента, их взаимное трение и создает повышенную динамическую и тепловую напряженность зоны резания [2,3]. Однако, варьируя параметрами геометрии инструмента и режима обработки, свойствами инструментального материала, составом СОЖ и другими параметрами управления, можно создать условия обработки, при которых один и тот же съем металла будет достигаться при различных затратах энергии и, следовательно, различной напряженности зоны резания. Соответственно различными будут нагрузки на технологическую систему, условия работы режущего инструмента и формирования физикомеханического состояния поверхностного слоя обработанной детали.

Использование в этой связи принципа минимума энергии для работы, затрачиваемой при резании, может иметь определенную практическую ценность. В качестве одного критерия оптимизации процесса резания предлагается удельная энергоемкость, т.е. затраты энергии на единицу объема удаляемого материала:

и N - ы7

П =----------= -----2,

V X я X г V X я X г

где N1 - потребляемая мощность станка под нагрузкой; N2 - мощность станка на вспомогательном ходу.

Выбор такого показателя объясняется тем, что 90-95% работы резания расходуется на деформацию удаляемого материала. Удельная энергоёмкость как критерий оптимальности отражает энергетическую сторону процесса резания и следствия, которые с ней связаны. Характер зависимости обусловлен учётом влияния двух составляющих

затрат энергии на резание. Первая составляющая учитывает удельную работу разрушения, затрачиваемую на пластическую деформацию и отделение срезаемого слоя металла. Вторая составляющая зависимости учитывает затраты энергии на трение инструмента с обрабатываемым материалом. Исследования процессов обработки различных материалов показали наличие оптимальной скорости резания, величина которой зависит от соотношения удельной работы разрушения и работы. Для оптимизации процесса резания с помощью энергетических критериев оптимальности важнейшим ограничением назначаемого режима является стойкость режущего инструмента.

Важную роль играет ограничение по силе резания, допускаемой жёсткостью технологической системы. Анализ заводских условий обработки деталей различного класса из труднообрабатываемых материалов показывает, что для каждой модели станка с ЧПУ существует определённая номенклатура по типоразмеру и жёсткости обрабатываемых деталей различного класса и применяемого инструмента.

Колебания, возникающие в процессе резания, так же как и специально вводимые в зону резания вынужденные низкочастотные и ультразвуковые колебания, приводят к заметному снижению силы резания, вследствие облегчения пластической деформации и как результат этого - к уменьшению интенсивности износа инструмента. С другой стороны, циклическое нагружение инструмента при увеличении интенсивности автоколебаний, начиная с определенного предела, вызывает усталостные разрушения участков материала инструмента, находящихся в контакте с изделием и сходящей стружкой. Поэтому по достижении некоторого уровня автоколебаний резко снижают стойкость инструмента. Результат воздействия этих противоположных факторов - появление экстремума стойкости, причем положение экстремума зависит от условий резания и характеристик обрабатываемого и инструментального материалов.

Таким образом, исследование колебаний в процессе резания позволяет не только вскрыть довольно сложную природу соответствующих физических явлений, но и установить оптимальные параметры режима колебаний, при которых достигаются наилучшие характеристики процесса обработки. В определенном диапазоне скоростей процесс вибрационного резания происходит с меньшими усилиями и температурой резания, что приводит к существенному увеличении точности и качества обрабатываемой поверхности. Данный процесс может быть наиболее эффективен при обработке жаропрочных и титановых сплавов, и как следствие стойкость инструмента в этом случаи должна увеличиться.

Мы ставили злесь основной задачей исследование целесообразности применения вибросигнала для характеристики изменения количества за-

трачиваемой энергии и поиска оптимальных режимов обработки. При обработке экспериментальных данных обнаружена характерная для всех исследованных сочетаний обрабатываемых и инструментальных материалов зависимость. Она имеет две резонансные области: низкочастотную и высокочастотную, в пределах которых амплитуда виброскорости резко возрастает. Низкочастотная область соответствует состоянию технологической системы, а высокочастотная часть спектра генерируется процессами резания.

Рис. 1. Распределение мощности сигнала по частотам

Амплитуда виброускорения высокочастотных колебаний существенным образом зависит от материалов резца, детали и параметров режима резания, проходя через максимум при скорости резания, соответствующей оптимальной (по износостойкости) температуре резания.

Чем выше интенсивность износа инструмента, тем больше и высота неровностей обработанной поверхности. При работе на оптимальных по интенсивности износа скоростях достигается наименьшая высота неровностей, т. е. точки минимума на кривых И=/(У) и В.г=/(У) наблюдаются при одних и тех же скоростях. Аналогичная взаимосвязь наблюдалась и между неровностями обработанной поверхности и мощностью вибросигнала.

При использовании критерия оптимизации процесса резания вместо удельной энергии затра-

чиваемой на резание металла (1), возможно использование мощности виброакустического сигнала, генерируемого технологической системой. Были получены зависимости, доказывающие, что возможно использование мощности сигнала виброакустического датчика вместо удельной энергии затрачиваемой на резание металла (рис. 2). Оптимальные режимы обработки достигаются при достижении мощности вибросигнала в частотном диапазоне 6-12 кГц не менее 60% от общей мощности вибросигнала, при этом удельная энергия принимает минимальное значение. Полученные зависимости могут быть применены практически для всех видов лезвийной и отделочно-упрочняющей обработки.

' 5

т/ой

ОМ

0.11 йю 009 №

Ш

ЮН 120 К(? да 2М ^ 'р/**

Рис. 2. Кривая оптимизации режимов обработки-по критерию удельной мощности вибросигнала

Заключение

1.Вибрации, генерируемые технологической системой в высокочастотном диапазоне спектра, характеризуют выделение накопленной на предыдущих операциях внутренней энергии.

2. Увеличение мощности сигнала в рекомендуемом диапазоне частот не только не приводит к ухудшению качества и точности обрабатываемых поверхностей на чистовых операциях, а наоборот, наблюдается существенное уменьшение шероховатости обрабатываемой поверхности и увеличение стойкости режущего инструмента.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Кожевников Д.В., Кирсанов С.В. Резание металлов. - М.: Машиностроение, 2007. - 304 с.

2. Старков В.К. Обработка резанием. Управление стабильностью и качеством в автоматизированном производстве. - М.: Машиностроение, 1989. - 400 с.

3. Ящерицын П.Н., Фельдштейн Е. Э., Корниевич М. А. Теория резания. - М.: Научное знание, 2007. -

512 с.

Авторы статьи:

Курдюков Владимир Ильич -докт.техн.наук, проф каф. "Металлорежущие станки и инструмент" (Курганский гос. университет) Тел. 8-(3522) 53-33-77

Остапчук Александр Константинович

- канд. техн.наук, доц. каф. "Технология машиностроения" (Курганский гос. университет) e-mail: ostapchuk ss@mail.ru

Овсянников Виктор Евгеньевич -асп. каф. "Технология машиностроения" (Курганский гос. университет) Тел. 8-(3522) 53-3676

Рогов

Евгений Юрьевич

- асп. каф. "Технология машиностроения" (Курганский гос. университет) . e-mail: rogov@kgsu.ru; evro-evgen@vandex.ru