Ультразвуковая механическая обработка жаропрочных сплавов твёрдосплавным инструментом

Во всех отраслях промышленности, связанных с обработкой металла, повышение производительности и снижение себестоимости в значительной мере определяется повышением эффективности самого процесса механической обработки, в частности процесса резания металлов.

Благодаря многочисленным исследованиям процессы резания металлов непрерывно совершенствовались. В итоге начали считать, что повышением скоростей резания можно улучшить эффективность процесса и скоростное резание признавалось перспективным процессом.

Сейчас можно утверждать, что скоростное резание практически достигло предела своих возможностей и здесь начинаются проявляться некоторые тенденции застоя. Последнее связано с тем, что увеличение скоростей резания приводит к неустойчивости процесса обработки, которая резко понижает точность и качество обработанной поверхности, стойкость инструмента. Причем существует два принципиально различных механизма потери устойчивости: в одном случае механизм потери устойчивости определяется жесткостью системы МПИД (машина, приспособление, инструмент, деталь), во втором принципиально не зависит от жесткости МПИД.

Именно второе обстоятельство сдерживает прогресс в развитии скоростных методов механической обработки.

В связи с этим целесообразно детально рассмотреть механизмы неустойчивости при резании металлов и, переосмыслив имеющиеся факты, предложить кардинальные технологические решения по совершенствованию технологии резания.

В настоящее время доказано [53]:

При определенных технологических режимах вне зависимости от жесткости системы МПИД процесс резания металлов становится неустойчивым.

Известен ряд видов неустойчивости процессов стружкообразования при резании: неустойчивость при образовании «элементных» и «сегментных» стружек.

Установлено, что возникновение неустойчивости приводит к негативным эффектам в процессе обработки: снижается точность и качество обработанной поверхности, стойкость инструмента. Ситуация особенно усложняется, если частота неустойчивости совпадает с одной из собственных частот системы МПИД, что может приводить к резонансным явлениям и развитию автоколебаний. Все вышеуказанное свидетельствует о чрезвычайной важности изучения неустойчивых процессов при резании металлов и методов их устранения.

Фундаментальными исследованиями В. А. Кудинова [31] доказано, что неустойчивость при резании металлов, не связанная с жесткостью системы МПИД, определяется процессами упругопластической деформации в зоне стружкообразования и контактной зоне.

Экспериментальные исследования показывают [23], что основным результатом возникновения неустойчивости при резании металлов является процесс сегментного стружкообразования. Причем источником возникновения неустойчивости, следует считать неустойчивость пластической деформации в зоне стружкообразования.

Принципиальной особенностью пластической деформации в зоне стружкообразования при образовании сегментной стружки являются высокие скорости деформации, В этом случае в результате диссипации механической энергии существенно возрастает температура и могут быть созданы условия для развития неустойчивости пластической деформации, то есть когда в каком-нибудь месте материала последующее приращение деформационно-скоростного упрочнения аннулируется деформационным разупрочнением.

Очевидно, последнее возможно при высоких скоростях деформирования, когда при определенных технологических режимах за счет диссипации энергии пластической деформации в зоне стружкообразования могут создаваться условия для накопления тепла в ограниченном объеме материала, которое не успевает отводиться за счет теплопроводности. В этом случае процесс деформации имеет адиабатический характер. Интенсивность температурного разупрочнения становится выше интенсивности деформационноскоростного упрочнения, что приводит к локализации деформации в тех областях, где впервые уменьшается сопротивление течению.

Такой механизм неустойчивости пластической деформации принято называть неизотермическим[23].

Общепринято, что с увеличением скорости резания возрастает скорость деформации в зоне стружкообразования. Таким образом, можно увеличивая скорость резания, найти такую, выше которой начнут проявляться эффекты неизотермической неустойчивости. Очевидно, ниже критической скорости резания пластическая деформация в зоне стружкообразования будет однородна и, следовательно, устойчива.

При скоростях резания выше критической, происходит переход от сливного стружкообразования к сегментному, что приводит к увеличению износа инструмента, снижению точности и качества обрабатываемой поверхности. В итоге попытка увеличения производительности резания за счет увеличения скорости наталкивается на довольно серьезные трудности.

В связи с этим одной из важнейших проблем при резании металлов становится создание технологических методов, которые позволили бы увеличить критическую скорость образования сегментных стружек, обеспечивая сливное стружкообразование при больших скоростях резания, тем самым значительно увеличив эффективность обработки.

В решении этой проблемы наиболее успешными были работы Т.Н.Лоладзе[36], направленные на создание процессов резания с предварительным подогревом заготовки до определенных оптимальных температур.

Положительная роль предварительного подогрева легко объяснима: так как в этом случае происходит уменьшение сопротивления пластической деформации, так в результате процесс сегментного стружкообразования не реализуется, но реальное применение этого способа довольно ограничено, так как подобные процессы достаточно сложно реализовать в производственных условиях.

Значительно более перспективным является использование «вибрационного» резания, когда на инструмент накладываются периодические тангенциальные колебания.

Для развития неизотермической неустойчивости в зоне стружкообразо-вания необходимо некоторое время U (время индукции процесса), очевидно, о ~ l/t* определяет частоту неизотермической неустойчивости в зоне стружкообразования в зависимости от технологических режимов и физико-механических свойств обрабатываемого материала. Если создать такие технологические процессы резания, при которых инструмент будет контактировать с обрабатываемым материалом время меньшее величины t*, то возможно устранение развития неизотермической неустойчивости в зоне стружкообразования. В этом случае процесс стружкообразования станет устойчив, что приведет к сливному стружкообразованию и как следствие повышению качества обработанной поверхности и стойкости инструмента.

Такие процессы были реализованы А.А.Козловым[23] при вибрационном ультразвуковом резании, т. е. при наложении тангенциальных колебаний с частотой f на инструмент.

А.А.Козлов [23] доказал, что если f будет больше частоты неизотермической неустойчивости /*, то возможно не допустить развития нежелательного локализованного сдвига в зоне стружкообразования, который приведет к неустойчивому процессу резания, в результате процесс резания станет устойчивым и следовательно будет развиваться с образованием сливной стружки. Таким образом, можно вполне осознанно (используя конкретные расчеты) добиться создания таких условий, при которых время контакта tK (или иначе — время резания) будет меньше времени t* развития локализованного адиабатического сдвига.

Причём экспериментально, на примере чистового точения, доказано, что стойкость инструмента в этом случае существенно увеличивается. 23].

Отмечено [23], что данный процесс наиболее эффективен при обработке жаропрочных сплавов, так как скорость сегментного стружкообразования для этих материалов незначительна и находится в диапазоне скоростей, определяемых условиями реализации импульсных ультразвуковых процессов резания.

Вышеуказанное позволяет утверждать, что разработка высокопроизводительных технологических процессов ультразвуковой механической обработки жаропрочных сплавов является чрезвычайно актуальной научно технической проблемой.

В связи с этим целью данного исследования являлось: Детальное изучение влияния основных технологических параметров процесса ультразвукового резания жаропрочных сплавов на производительность обработки и стойкость режущего инструмента при силовом резани.

Разработка и создание системы ультразвуковых преобразователей, резцедержателей, охлаждения инструмента эффективных при силовом резани в современных производственных условиях.

Актуальность работы подтверждена ее выполнением в рамках Государственного контракта с Федеральным космическим агентством от 18.04.2003 № 753-Т366/03, а также в рамках программы Министерства образования и науки РФ «Производственные технологии».

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы. Для удобства изложения постановка задачи исследований и литературный обзор дается в каждой главе.

Выводы.

1. Экспериментально доказано, что частота неизотермической неустойчивости в зоне стружкообразования зависит от подачи. С увеличением подачи частота неизотермической неустойчивости уменьшается.

2. Экспериментально доказано, что частота тангенциальных ультразвуковых колебаний, накладываемых на инструмент при силовом точении жаропрочных сплавов, позволяет увеличить стойкость инструмента в дватри раза при /1=22кГц, а при ff= ЗОкГц стойкость инструмента увеличивается в четыре-пять раз.

3. Спроектирован, изготовлен и исследован новый комплекс ультразвукового оборудования для силового точения жаропрочных сплавов: разработана технология ультразвукового силового точения, выбрана и экспериментально подтверждена оптимальная конструкция крепления инструмента повышенной жесткостиопределены оптимальные характеристики требуемых ультразвуковых генераторов и преобразователейустановлена необходимость использования УЗК малых амплитуд резцов (oi<2,5mkm) и найдены технические решения поддержания такой амплитудыразработана экспериментальная оптическая установка для измерения малых амплитуд колебания и ее градуировкаразработана эффективная система охлаждения пьезокерамиче-ского преобразователя с поддержанием рабочей температуры 25−35°С при подаваемой от генератора акустической мощности 0,60,8кВт при частоте ЗОкГцвыявлена необходимость повышения жесткости резцедержателя при силовом ультразвуковом точенииразработано эффективное приспособление для получения корней стружек при точении с УЗК.

4. Установлена зависимость производительности процесса обработки от частоты колебаний: повышение частот колебаний инструмента при заданной амплитуде колебаний (а<2,5 мкм) с частоты 22кГц до ЗОкГц приводит к увеличению стойкости твердосплавного инструмента в 2−2,5 раза.