Обеспечение точности и качества поверхностей, обработанных резанием

УДК 621. 9

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТОЧНОСТИ И КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТЕЙ, ОБРАБОТАННЫХ РЕЗАНИЕМ

Е.Н. Родионова

Рассмотрены факторы, влияющие на качество изделий. Приведены параметры, от которых зависит качество обрабатываемой поверхности. Установлено, что большое значение имеют режимы резания. Сформулированы цели дальнейших исследований. Сделаны выводы о необходимости установить аналитические зависимости эксплуатационных характеристик изделий и его составных частей.

Ключевые слова: качество поверхностей и изделий, режимы резания.

Растущая потребность в производстве тонкостенных сварных корпусов, наряду с предъявляемыми к ним высокими требованиями по точности геометрической формы, диаметральным размерам, толщине стенки, качеству поверхности и механическим свойствам, связанным с обеспечением надежности эксплуатации деталей в условиях агрессивной среды, высоких температур и давлений, определяют необходимость совершенствования методов их изготовления. Поэтому важнейшими задачами, стоящими перед промышленностью, являются повышение качества выпускаемой продукции, экономия материала и повышение производительности труда.

Проблемой, требующей проведения исследований, является повышение качественных характеристик тонкостенных сварных конструкций на одном из машиностроительных предприятий. Необходимо изучение возможности применения того или иного технологического процесса изготовления и его влияния на параметры и характеристики составных частей изделия, а также возможности совершенствования конструктивно-технологических решений на основе учета факторов, определяемых технологическим процессом, влияющих на геометрические характеристики деталей, точность размеров, взаимное расположение поверхностей и деформаций, вызванных остаточными напряжениями при изготовлении.

Важнейшими задачами являются освоение и выпуск новых видов изделий, обладающих высокими качествами, усовершенствованными характеристиками, а также конкурентоспособностью на внешнем рынке [1, 2]. На производстве стоит задача повышения качественных характеристик блоков управления, представляющих собой тонкостенные сварные конструкции.

На качество изделий влияют два основных фактора (рис. 1):

- совершенство конструкции;

- технический уровень отрасли машиностроения.

92

Рис. 1. Факторы, влияющие на качество изделий

Совершенство конструкций обеспечивается в период конструкторской отработки изделия в проектных институтах, проектных бюро и т.д., и имеет следующие основные показатели:

- степень совершенства проектирования, например, использование ЭВМ для оценки конструкции в многовариантном использовании;

- показатели технологичности конструкции.

При разработке конструкций машиностроительного изделия необходимо обеспечить функциональные требования к ней и возможность её изготовления по оптимальной технологии. Технологический уровень отрасли машиностроения влияет на ряд показателей качества изделия. Качество применения материалов определяет показатели надежности, материалоемкости, технологичности изготовления и т.д. Например, применение низколегированных сталей вместо сталей обыкновенного качества позволяет уменьшить металлоемкость до 50 %. Уровень организации производства может быть организован по принципу технологического потока, оборудование располагается в соответствии с маршрутом обработки или по группам металлорежущего и другого оборудования.

Уровень технологии существенно влияет на качество обработки поверхностей деталей и качества сборки. К техническим средствам относятся металлорежущие станки, инструмент, технологическая оснастка. Например, качество поверхностей после обработки резанием зависит от точности станков (станки нормальной «Н», повышенной «В» точности и высокоточные «С»), от которых зависят квалитеты точности, параметры шероховатости и точность формы [3 - 7].

Качество поверхности деталей обеспечивается на стадии изготовления заготовок, их дальнейшей механической и термической обработки (рис. 2). При этом изменяется структура металла, что связано с дроблением зерен металла, ориентацией их в направлении главного движения при обработке резанием и пластическим деформированием. Структура металла меняется в результате термической обработки с целью повышения твердости.

Рис. 2. Факторы, влияющие на качество обработки поверхности

Изменение твердости происходит и в процессе резания, и в результате пластического деформирования металла режущей кромкой инструмента. При этом в поверхностном слое возникают сжимающие и растягивающие напряжения. Благоприятными являются сжимающие напряжения, особенно при знакопеременных нагрузках. Растягивающие напряжения, возникающие на поверхности детали, особенно при грубой обработке резанием, суммируется с рабочими, возникающими при эксплуатации. При перемещении поверхности «II» относительно поверхности «I» происходит зацепление неровностей других с другими, и для разрушения мест контакта необходимо дополнительное усилие (рис. 3). Это, в свою очередь, влияет на КПД изделия. В глубоких впадинах неровностей необработанной поверхности возникает растягивающее напряжение аь что снижает надежность работы соединения. При превышении предела прочности материала ст может произойти поломка детали или сборочной единицы.

Рис. 3. Фрагмент контактирующих поверхностей с неблагоприятными параметрами шероховатости

Развитие технологии машиностроения позволило сделать вывод, что в общем случае на образование шероховатости при всех методах механической обработки оказывают влияние следующие факторы:

- геометрия рабочей части инструмента и кинематика его рабочего движения относительно обрабатываемой поверхности;

- колебательные перемещения инструмента относительно обрабатываемой поверхности;

- упругие и пластические деформации обрабатываемого материала заготовки в зоне контакта с рабочим инструментом;

- шероховатость рабочей части инструмента;

- вырывы частиц обрабатываемого материала.

В зависимости от условий обработки степень влияния каждого из этих факторов на образование шероховатости поверхности будет различной. Первые четыре фактора вызывают образование систематической составляющей профиля шероховатости, которая может быть описана математически. Пятый фактор вызывает образование случайной составляющей профиля и определяет разброс или дисперсию параметров шероховатости.

Средняя высота профиля шероховатости в общем случае при всех методах механической обработки определяется равенством

R = hi + hi + Из + h ^

где hi, h2, h3, h4 - составляющие профиля шероховатости, соответственно обусловленные геометрией и кинематикой перемещения рабочей части инструмента, колебаниями инструмента относительно обрабатываемой поверхности, пластическими деформациями в зоне контакта инструмента и заготовки, шероховатостью рабочих поверхностей инструмента.

Из геометрического построения величина hi при лезвийной обработке определяется по следующим зависимостям:

. s . s

1) при j < arcsin— и ji < arcsin—

2r 2r

t \ tgj tgj^S - r

hi = r i-cos j +-,

i tgj+tgji

2) при j > arcsin — и ji > arcsin — полученная зависимость преоб-

2r 2r

разуется в уравнение Чебышева

hi = s2/8r ,

3) при наиболее распространенных случаях, когда j> arcsin — и

2r

s

ji < arcsin—,

2r

hi = r

4) при наименее характерных случаях, когда

ss j < arcsin— и ji > arcsin—,

2r 2r

hi = r

где ф и фь - главный и вспомогательный углы режущего инструмента в плане; г - радиус при вершине режущей части инструмента (рис. 4).

Рис. 4. Исходная схема для расчета высоты профиля шероховатости поверхности при механической обработке

Составляющая профиля шероховатости при лезвийной обработке определяется амплитудой колебаний вершины инструмента относительно обрабатываемой поверхности при его прохождении по выступу или впадине исходной шероховатости и неравномерностью твердости заготовки на различных участках обрабатываемой поверхности:

с у sУpy vZpy h2 =-

дат* - Шптт ^ - Rz исх ру

Шор ] }

'ср^ тс

где су, уру 2ру, п, хру - коэффициенты; V- скорость резания; ? - глубина резания; Rzисх - исходная средняя высота профиля шероховатости обрабатываемой поверхности; НВтах и НВтт - колебания твердости заготовки: утс - жесткость технологической системы.

Пластическое оттеснение обрабатываемого материала в зоне резания приводит к увеличению высоты образующейся шероховатости на величину которая рассчитывается по следующим формулам:

1Л . s . s

1) при ф < агсБт— и ф1 < агсБт—

2г 2г

hз = 1 Ъсдв 1 ;

— +-

tgф tgф1

2) при ф > агсБт — и ф1 > агсБт —

2г 2г

, = Ьсдв

hз 32г ' К )

3) при ф > агсБт — и ф1 < агсБт— 2г 2г

Ь = Ьд ;

П3 1 2г

-+ —

tgjl *

л \ . ^ . *

4) при ф < агоБт— и ф1 > агоБт— 2г 2г

Ы = Ьсдв .

П3 1 2г

-+ —

tgф *

Величина пластического оттеснения Ьсдв при лезвийной обработке определяется по формуле

Ьсдв = 0,5Р

1 _ Xсдв

_2 + 2

где тсдв - прочность обрабатываемого материала на сдвиг; от - предел текучести обрабатываемого материала; р - радиус вспомогательной режущей кромки.

Составляющая высоты шероховатости И4 при лезвийной обработке определяется средней высотой профиля шероховатости на вершине резца, т.е. И4 = Ягв.р и зависит от технологии заточки и режимов резания. Остальные параметры шероховатости при лезвийной обработке рассчитываются по формулам

Яа = 0,2Я ;

Яшах = 1,2Я^; 5т = 5 =

tp = 0,006р2'2 при р £ 60 %;

tp = 100 - 0,055

Анализ приведенных зависимостей и имеющихся результатов исследовании показывает, что высотные параметры шероховатости поверхности деталей при лезвийной обработке зависят от режимов обработки, геометрии режущей части инструмента, его заточки, определяющей шероховатость режущей кромки, жесткости технологической системы, физико-механических свойств обрабатываемого материала и исходной шероховатости обрабатываемой поверхности. Наибольшее влияние на образование шероховатости оказывает подача при ее значениях 5 > 0,08 мм/об. При меньших значениях (5 < 0,08 мм/об) изменение подачи практически уже не сказывается на изменении шероховатости обработанной поверхности.

При 5 < 0,08 мм/об высота формируемой шероховатости определяется в основном радиусом при вершине резца, ее шероховатостью, радиусом вспомогательной режущей кромки и физико-механическими свойствами обрабатываемого материала и материала режущего инструмента.

97

Увеличение предела текучести и уменьшения сдвиговой прочности обрабатываемого материала приводит к увеличению минимально достигаемой шероховатости при лезвийной обработке.

Шаговые параметры шероховатости поверхности при лезвийной обработке в основном определяются подачей. Относительная опорная длина профиля шероховатости является стабильной и практически не зависящей от режимов лезвийной обработки. Расчеты по формулам (14) и (15) позволяют определить их численные величины (таблица).

Параметры профиля поверхности при лезвийной обработке

р,% 5 10 20 30 40

р,% 0,1-0,3 1-2 3-5 10-12 18-22

р,% 50 60 70 80 90

р % 30 - 35 48 - 52 73-77 86-90 95-98

Таким образом, лезвийная обработка обладает достаточно широкими возможностями в управлении высотными и шаговыми параметрами шероховатости поверхностей деталей машин [8]. Технологическими методами можно уменьшить влияние шероховатости на эти показатели, например, можно снизить высоту неровностей тонким точением, шлифованием или обкаткой [9].

Качество обработанной поверхности можно регулировать, изменяя режимы резания: глубину резания I, скорость резания V, подачу V. В частности, при точении резцом с радиусом при вершине - г образуется шероховатость, определяемая зависимостью

V 2

Я! = — ,

8г

откуда при заданной высоте микронеровностей Я2 можно определить допускаемую подачу

V = V8Я!г мм/об.

Глубина резания ? оказывает влияние на параметры качества поверхности при окончательном проходе инструмента. При этом проходе глубина резания принимается минимально возможной для данных условий обработки ? = (0,2 ... 0,8) мм.

Скорость резания оказывает влияние на качество обработанной поверхности преимущественно для пластичного металла (малоуглеродистые стали, сплавы алюминия и др.). В процессе резания на передней поверхности резца скапливаются очень сильно деформированные частицы металла, твердость которых выше, чем обрабатываемый материал. Угол заострения становится тупым, условия резания резко ухудшаются, происходит вырывание частиц металла вместо резания, шероховатость резко возрастает [10, 11].

При обработке среднеуглеродистых сталей, прошедших нормализацию, а также хрупких материалов (чугун, бронза) нарост не образуется. С уменьшением главного ф и вспомогательного ф1 углов в плане шероховатость обработанной поверхности понижается. На рис. 5 изображен расчетный микропрофиль поверхности, обработанной при точении резцом без переходного лезвия [12, 13].

Рис. 5. Расчетный микропрофиль поверхности, обработанной

при продольном точении

Для простоты взят резец без переходного лезвия. При точении высота расчетных неровностей Rzp равна высоте pk треугольника mnp :

Rzp = mp sin ji,

— mq a mn sin j _ _N

mp =---=-=-—,

sin Zmpq sin

mn = s,

где j - главный угол в плане; ji - вспомогательный угол в плане.

Таким образом,

= s sin j sin ji sin

Формула (5) пригодна для расчета Rzp при растачивании, сверлении, зенкеровании, строгании и фрезеровании торцовыми фрезами.

Поэтому при окончательной обработке для уменьшения высотных параметров шероховатости Ra или Rz применяют резцы с меньшей величиной углов ф и ф1 (рис. 5). Благоприятные параметры качества поверхности могут быть обеспечены пластическим деформированием поверхностного слоя, например, при обкатке роликами (рис. 6). На рис. 6 показаны: i - поверхность до обкатки; 2 - кулачки; 3 - поверхность после обкатки роликом; 4 - ролик; 5 - держатель; 6 - резцедержатель.

При вращении заготовки и продольной подаче державки с роликом происходит пластическое деформирование поверхностного слоя с уменьшением высоты неровности.

Rzp = "У! .

Рис. 6. Процесс обкатки поверхности роликом

Анализ различных методов и средств по обеспечению заданных конструкторской и технологической документацией качественных характеристик тонкостенных сварных корпусов позволяет сформулировать цель дальнейших исследований: обеспечить разработку технологии изготовления деталей, обладающих при заданных ограничениях всех видов ресурсов наибольшей эффективностью действия. Для достижения сформулированной цели необходимо установить для изделий заданного класса аналитические зависимости эксплуатационных характеристик изделия и его составных частей от параметров технологического процесса, состава оборудования, форм организации производства, условий хранения и эксплуатации изделия.

Список литературы

1. Матвеев И. А., Ямников А.С., Ямникова О. А. Повышение точности изготовления корпусов реактивных двигателей // Аэрокосмическая техника, высокие технологии и инновации - 2016: сборник трудов по материалам XVII Всероссийской научно-технической конференции (17-18 ноября 2016 года). Пермь: Изд-во ПНИПУ, 2016. С. 94-98.

2. АО «НПО «СПЛАВ» [Электронный ресурс]. URL: http://splav.org. (дата обращения 12.07.2017).

3. Центр дистанционного обучения, «Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики» (ФГБОУ ВПО «СПбНИУ ИТМО»). [Электронный ресурс]. URL: http://de.ifmo.ru. (дата обращения 12.07.2017).

4. Суслов А.Г. Технология машиностроения: Учебник для студентов и специальностей вузов. 2-е изд. перераб. и доп. М.: Машиностроение, 2007. 430 с.

5. Маталин А. А. Технология машиностроения. Л.: Машиностроение, 1985. 496 с.

6. Трегубов В.И. Ротационная вытяжка с утонением стенки цилиндрических деталей из труб на специализированном оборудовании: монография. Тула: Изд-во ТулГУ, 2002. 148 с.

7. Ямников А.С. Научные основы технологии машиностроения: учеб. пособие. Ч. 1. Тула: Изд-во ТулГУ, 2014. 398 с.

8. Суслов А.Г., Ямников А.С. Научные основы технологии машиностроения: учеб. пособие. Ч. 2: Тула: ТулГУ, 2014. 296 с.

9. Р 50-601-32-92. Рекомендации. Система качества. Организация внедрения статистических методов управления качеством продукции на предприятии. М.: ВНИИС Госстандарта России, 1992. 23 с.

10. ГОСТ 15467-79. Управление качеством продукции. Основные понятия, термины и определения. М.: Стандартинформ, 2009. 22 с.

11. ГОСТ 27.202-83 Надежность в технике. Технологические системы. Методы оценки надежности по параметрам качества изготовляемой продукции. М.: Стандартинформ, 2002. 35 с.

12. Нгуен Ван Кыонг, Ямников А.С. Методология оптимизации режимов резания//Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. 2012. № 1 (291) С. 56-63.

13. Ямников А.С., Кузнецов Е.Ю., Нгуен В.К. Повышение эффективности точения фасонных деталей: монография. Тула: Изд-во ТулГУ. 2014. 153 с.

Родионова Елена Николаевна, асп., en. rodionova. splav@yandex. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

ENSURING THE ACCURACY AND QUALITY OF SURFACES PROCESSED BY CUTTING

E.N. Rodionova

The article considers the factors influencing the quality of the products. The following are the parameters which determine the quality of the treated surface. It is established but that are important cutting parameters. Objectives of further research. Conclusions are made about the need to establish analytical expressions of the operating characteristics of the products and its component parts.

Key words: quality of surfaces and products, cutting conditions.

Rodionova Elena Nikolaevna, postgraduate, en. rodionova. splavayandex. ru, Russia, Tula, Tula State University