Исследование процесса формообразования при совмещении фрезерной и электрохимической обработки алюминия

УДК 621.7.02

Исследование процесса формообразования

I V V

при совмещении фрезерной и электрохимическом обработки алюминия

В настоящее время известна высокая эффективность применения обрабатывающих операций совмещенных типов, позволяющих широко варьировать значениями входных параметров процесса формообразования и управлять критериями качества. Однако большое разнообразие параметров процесса, играющих существенную роль в формировании шероховатости поверхности при обработке, затрудняет определение оптимальных значений входящих факторов, взаимодействующих в условиях обрабатывающего процесса. Именно поэтому при исследовании большое внимание уделяется различным сочетаниям лезвийной обработки алюминия с наложением электрической цепи, с различными смазочно-охлаж-дающими технологическими средами, а также снижению интенсивности нежелательных динамических и тепловых воздействий на технологическую систему и процессам формообразования в современных условиях обрабатывающей промышленности.

Ключевые слова: алюминий, фрезерование, чистовая обработка, шероховатость, комбинированная обработка, параметры качества, режимы, СОТС.

М. Ю. Куликов, В. Е. Иноземцев, А. А. Бочаров

Существуют различные методы обработки металлов и их сплавов, однако проблема обеспечения качества поверхности деталей машин и сейчас остается актуальной. Во многом проблема связана с повышением требований к качеству продукции, а также с особыми требованиями к деталям, обусловленными спецификой и фунциональностью современной техники и оборудования. При этом большая часть всех технологических операций, связанных с формообразованием, приходится на механическую обработку. Операции фрезерования занимают существенную долю всех процессов механообработки в самых различных отраслях производства.

По критерию достижения шероховатости к труднообрабатываемым материалам можно отнести алюминий и алюминиевые сплавы. Высокая шероховатость обработанной поверхности у таких материалов связана с их основными механическими свойствами - высокими пластичностью и ударной вязкостью, что приводит к образованию элементной стружки,

значительному вытягиванию зерен металла в направлении отделения стружки и вибрации технологической системы. Однако с практической точки зрения этот вопрос решен путем увеличения скорости резания и подбором оптимального состава смазочно-охлаждающих технологических сред СОТС [1].

При чистовом фрезеровании меньше глубина резания (около 0,25-0,5 мм) и подача на зуб (около 0,05-0,15 мм/зуб). Поскольку не требуется такой высокой мощности станка, как для чернового фрезерования, можно применять торцевые фрезы с мелким шагом пластин. Большее количество пластин позволяет вести обработку с большей минутной подачей стола, хотя подача на зуб фрезы невелика. Проблем с размещением стружки также, как правило, не возникает из-за небольшой глубины резания [2]. В процессе изучения формообразования и аспектов формирования качества при механообработке установлено, что эффективному повышению качества поверхности алюминия и его сплавов может способствовать

комплексная анодно-механическая обработка (АМО) [3]. Однако в отличие от токарной обработки при фрезеровании необходимо учитывать иной характер взаимодействия режущего инструмента с обрабатываемой поверхностью, а также наличие нескольких режущих кромок, что может способствовать росту шероховатости на макроуровне.

Современная обработка высокопрочных алюминиевых сплавов твердосплавным инструментом ведется на скоростях 1000-3000 м/мин.

При изучении эффективности технологии фрезерной обработки [4] установлено, что отсутствует какая-либо тесная взаимосвязь между шероховатостью и режимными параметрами обработки. Также преобладающее влияние на шероховатость оказывают параметры оборудования: допустимый крутящий момент на шпинделе, мощность, жесткость. Помимо этого, если соблюдаются требования к оборудованию при фрезеровании алюминиевых сплавов, шероховатость обработанной поверхности Ra может находиться в пределах 0,6-0,8 мкм.

Большое влияние на качество формирования поверхностного слоя деталей из алюминиевых сплавов оказывают жесткость и точность позиционирования применяемого технологического оборудования. В настоящее время параметры качества обеспечиваются благодаря применению современного высокопроизводительного станочного оборудования с числовым программным управлением, способного осуществлять высокоскоростную механообработку HSM (High Speed Machining). Ее особенностью является высокая скорость резания, при которой значительно увеличивается температура в зоне образования стружки, материал обрабатываемой детали становится мягче и силы резания уменьшаются, что позволяет инструменту двигаться с большой рабочей подачей. Достижение эффекта HSM обусловлено структурными изменениями материала в зоне отрыва стружки. Это связано с образованием пластических деформаций, происходящим с высокой скоростью. При повышении скорости деформаций силы резания первоначально растут, а потом, с достижением определенной температуры в зоне образования стружки, начинают значительно сокращаться. При этом время контакта режущей кромки с заготовкой и стружкой так мало, а скорость отрыва струж-

ки столь высока, что большая часть теплоты, образующейся в зоне резания, удаляется вместе со стружкой, а заготовка и инструмент не успевают существенно нагреваться. Этот эффект уже известен ранее.

Обработка алюминия и его сплавов с помощью НБМ имеет множество особенностей, связанных с характеристиками оборудования и точностью управляющих программ для И8М-траекторий. На основе многих исследований процессов обработки и НБМ-программирования специалистами [5] выработаны различные рекомендации, связанные с выбором оборудования, режимов резания и позиционированием режущего инструмента.

Также в настоящее время известно преимущество использования анодно-механиче-ской обработки [6], с помощью которой можно получать детали более высокого качества и обеспечивать значительное повышение работоспособности и износостойкости режущего инструмента. Однако анодно-механическое фрезерование пока не имеет широкого распространения. Известно [5, 6], что при чистовых и финишных операциях анодно-механической обработки наиболее эффективны схемы резания, включающие последовательное действие механической, а затем электрохимической составляющей. В основе такого способа обработки лежит сочетание электроконтактного взаимодействия инструмента и заготовки (механическое разрушение или формоизменение металлических поверхностей, производимое одновременно с нагревом или расплавлением этих поверхностей электрическим током) и гальванического процесса (в нашем случае анодного растворения металла с обрабатываемой поверхности). Движущийся инструмент не только подводит ток и удаляет размягченный металл, но и благодаря вибрации способствует возникновению множества прерывистых контактов, необходимых для образования дуговых разрядов [7, 8]. Электроконтактная обработка может выполняться как в воздушной, так и в жидкой среде. Производительность обработки почти линейно растет с увеличением напряжения и мощности источника питания.

Существенное влияние на качество формируемой поверхности при анодном фрезеровании алюминиевых сплавов оказывают: материал заготовки и режущего инструмента, число зу-

бьев фрезы, режимы резания, геометрические параметры и точность позиционирования применяемых сменных режущих пластин, взаимное расположение фрезы относительно заготовки (симметричное или несимметричное фрезерование), направление фрезерования (встречное или попутное), наростообразование, значения тока и напряжения в зоне контакта инструмента и заготовки, наличие и вид смазочно-охлаждающей технологической среды (или состав и концентрация электролита), а также способ ее подачи. Следовательно, анодное фрезерование позволяет управлять качеством обработки и оптимизировать технологический процесс благодаря широкому спектру возможных значений любого из воздействующих факторов.

Эксперименты по фрезерованию алюминиевых пластин при различных условях обработки показали возможность широкого варьирования параметрами качества поверхности не только за счет изменения режимов резания, но также благодаря наложению действия электрического поля постоянного тока с условиями разнополярного и однополярного подключения заготовки и режущего инструмента и, дополнительно, совмещением действия электрического тока и СОТС. В качестве СОТС были рассмотрены водные растворы соли №С1, кальцинированной соды ^2СОз (с концентрацией 5 % на 1 л), раствор С^БО^

Исследование, основной задачей которого было выявление тенденции изменения качества поверхности после анодно-механической фрезерной обработки, проводилось с небольшими скоростями резания V — 42 и 60 м/мин — из-за ограничения технических характеристик оборудования. В качестве инструмента использовалась концевая з-зубая фреза диаметром 12 мм из твердого сплава Т5К10. Подача — 25 мм/мин, глубина резания — 0,5 мм.

При скорости резания 42 м/мин наименьшая шероховатость Яа составила 0,30 при резании с электрическим током и раствором кальцинированной соды №2^3. Основные результаты фрезерования на скорости 42 и 60 м/мин представлены в табл. 1 и 2.

Также часть поверхности была обработана со скоростью 60 м/мин с применением того же инструмента и той же подачи и глубины резания. Как показали результаты, сухое фре-

зерование позволяет достичь шероховатости Яа алюминия в пределах 0,26-0,34. При этом резание с наложением электрического тока и действия №С1 способствовало получению поверхности со значениями Яа = 0,35 - 0,42. При этом наблюдалось некоторое снижение тока и напряжения в электрической цепи: I — 0,3 А, и = 4 В.

Кроме того, часть экспериментов проведена с использованием обратной подачи, при которой концевая фреза проходила один и тот же участок поверхности в прямом и обратном направлении (двойной рабочий ход), что также оказывает положительное влияние на шероховатость поверхности.

Такие режимы обработки создают благоприятные условия для наростообразования на передней поверхности режущих пластин, что уменьшает передний угол и снижает точность обработки, но способствует улучшению теплоотвода за счет увеличения зоны контакта и улучшению проводимости электрического тока во время контакта инструмента с за-

Таблица 1

Шероховатость поверхности при фрезеровании с применением комбинированной обработки со скоростью 42 м/мин

Условия обработки Ток, А/напряжение, В, в цепи Полученная шероховатость поверхности Ва, мкм

Сухое резание — 0,46; 0,49; 0,44

Сухое резание с электрическим током (двухполярное подключение) 1/20 0,43; 0,51; 0,53

Сухое резание с электрическим током (однополярное подключение) 1/20 0,44; 0,41; 0,49

С раствором ЫаС1 — 0,31; 0,32; 0,36

С раствором Ыа2СО3 — 0,31; 0,32; 0,35

С раствором Си2ВО4 — 0,36; 0,41; 0,44

Резание с электрическим током (двухполярное подключение) и с ЫаС1 1-1,5/ 20-25 0,37; 0,43; 0,47

Резание с электрическим током (двухполярное подключение) и с Ыа2СО3 0,5/4 0,30; 0,31; 0,36

Резание с электрическим током (двухполярное подключение) и с Си28О4 1,5/25 0,37; 0,39; 0,40

Таблица 2

Шероховатость поверхности при фрезеровании с применением комбинированной обработки со скоростью 60 м/мин

Условия обработки Ток, А/ напряжение, В, в цепи Полученная шероховатость поверхности Ra, мкм

Резание с прямой и обратной подачей с электрическим током (двух-полярное подключение) и с ЫаС1 0,5-1/10-15 0,6; 0,68; 0,71; 0,65

Резание с прямой и обратной подачей с электрическим током (двух-полярное подключение) и с Ыа2С03 0,5-1/0-15 0,28; 0,27; 0,35; 0,33

Резание с прямой и обратной подачей с электрическим током (двух-полярное подключение) и с А12(804)2 1/10-15 0,55; 0,57; 0,61; 0,59

Сухое резание с прямой и обратной подачей - 0,75; 0,72; 0,77; 0,74

Сухое резание с прямой и обратной подачей с электрическим током 0,5/8-10 0,64; 0,68; 0,73; 0,71

готовкой. Наиболее оптимальным вариантом было бы обеспечение условий чистового фрезерования алюминия с глубинами резания и подачами, способствующими незначительному наростообразованию на режущих кромках, позволяющими не деформировать и уплотнять поверхностные слои заготовки, а удалять припуск резанием.

В настоящее время продолжается исследование возможностей фрезерования по обеспечению качества поверхности за счет двойного рабочего хода инструмента с наложением ком-

бинированного действия электрического тока и токопроводящих СОТС, а также в условиях сухого резания (без СОТС) с наложением электрического поля постоянного и переменного тока. Оптимизация взаимодействия факторов физико-химического, физико-механического процессов и факторов, вызванных динамическими вибрациями технологической системы, при таком формообразовании существенно расширяет возможности обеспечения требуемого качества поверхности деталей машин и может способствовать снижению внутренних напряжений поверхностного слоя деталей после обработки.

Литература

1. Бреев С. В., Серебренникова А. Г. Высокоскоростное фрезерование труднообрабатываемых материалов. Особенности обрабатываемости при фрезеровании / / Ученые записки. 2013. IV-1 (16).

2. Информация с сайта http://www.tochmeh.ru/ info/frez2.php

3. Совершенствование способа чистовой анодно-ме-ханической обработки цветных металлов и их сплавов / М. Ю. Куликов, В. Е. Иноземцев, Д. А. Нечаев, У. Мо Наинг // Наукоемкие технологии в машиностроении 2014.№ 11.

4. Суслов А. Г. Качество поверхности слоя деталей машин. М.: Машиностроение, 2000.

5. Интерактивный каталог режущего инструмента. http://www.goodtool.ru/obr_mat/al.htm

6. Грубый С. В., Зайцев А. М. Повышение эффективности технологии фрезерной обработки деталей из перспективных алюминиевых сплавов на современном оборудовании с ЧПУ. http://mt2.bmstu.ru/old/BMR2010/ a2/5.pdf

7. Степанов А. В. Высокоскоростное фрезерование в современном производстве // CAD/CAM/CAE Observer. 2003. № 4 (13).

8. Валетов В. А., Мурашко В. Б. Основы технологии приборостроения. СПб., 2006.

№ 6(90)/2015