Интенсификация процессов механической обработки жаропрочных сплавов на основе совместного использования ультразвуковых тангенциальных колебаний режущего инструмента и обдува зоны резания сжатым воздухом

Благодаря многочисленным исследованиям процессы резания металлов непрерывно совершенствовались. В результате за аксиому было принято мнение, что увеличением скоростей резания можно повысить эффективность процесса, и скоростное резание было признано наиболее перспективным.

На сегодняшний день можно утверждать, что скоростное резание практически достигло предела своих возможностей, и здесь начинают проявляться некоторые тенденции застоя. Последнее связано с тем, что увеличение скоростей резания приводит к неустойчивости1 процесса обработки, которая резко снижает точность и качество обработанной поверхности, стойкость инструмента.

Фундаментальными исследованиями Кудинова В. А. [34] установлено, что существует два принципиально различных механизма потери устойчивости: в одном случае механизм потери устойчивости определяется жесткостью системы СПИД (станок, приспособление, инструмент, деталь), во втором принципиально не зависит от жесткости СПИД.

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.

Многочисленными исследованиями 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 СПИД, что может приво.

1 Здесь и в дальнейшем под устойчивым процессом понимается процесс, происходящий при сливном или квазисливном стружкообразовании. дить к резонансным явлениям и развитию автоколебаний. Все вышеуказанное свидетельствует о чрезвычайной важности изучения неустойчивых процессов при резании металлов и методов их устранения.

В.А. Кудинов [34], Н. В. Талантов [62], A.A. Козлов [26] доказали, что неустойчивость при резании металлов, не связанная с жесткостью системы СПИД, определяется процессами упругопластической деформации в зоне стружкообразования и контактной зоне.

В [26] доказано, 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 локальном объеме материала последующее приращение деформационно-скоростного упрочнения аннулируется деформационным разупрочнением.

Совершенно очевидно, что последнее возможно только 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 деформационно-скоростного упрочнения, что приводит к локализации деформации в тех областях, где впервые уменьшается сопротивление течению, в результате чего происходит переход от устойчивого сливного стружкообразования к неустойчивому сегментному стружкообразованию.

Такой механизм неустойчивости пластической деформации принято называть неизотермическим [59].

Общепринято, что с увеличением скорости резания возрастает скорость деформации в зоне стружкообразования. Таким образом, увеличивая скорость резания, можно найти такое её критическое значение, выше которого начнут проявляться эффекты неизотермической неустойчивости. Очевидно, что при скоростях 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.

Таким образом, одной из важнейших проблем при резании металлов становится реализация таких 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 [38−41], 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, в результате чего процесс сегментного стружкообразования не реализуется. Однако реальное применение этого способа довольно ограничено, так как подобные процессы достаточно сложно реализовать в производственных условиях.

В этой связи значительно более перспективным видится использование, так называемого, импульсного («вибрационного») резания, когда на инструмент накладываются периодические колебания.

Для развития неизотермической неустойчивости в зоне стружкообра-зования необходимо некоторое время t* (время индукции процесса). Очевидно, что /* ~1 !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 принципиально устойчив, что приведет к сливному стружкообразованию и, как следствие, повышению качества обработанной поверхности и стойкости инструмента.

Такие процессы можно реализовать при вибрационном ультразвуковом резании (наложение тангенциальных колебаний с заданной частотой />/* и амплитудой, а на инструмент).

В работе Т. Н. Лоладзе, А. И. Миканадзе, A.A. Козлова [39] впервые экспериментально доказано, что если / 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, соответствует условию f > f*.

Причём экспериментально на примере чистового точения доказано, что стойкость инструмента в этом случае существенно увеличивается [26].

Кроме того, отмечено [26], что данный процесс наиболее эффективен при обработке жаропрочных сплавов, так как скорость сегментного струж-кообразования для этих материалов незначительна и находится в диапазоне скоростей, определяемых условиями реализации импульсных ультразвуковых процессов резания.

Еще одним важным технологическим аспектом интенсификации процесса резания является правильный выбор смазочно-охлаждающей технологической среды (СОТС). Многочисленные исследования подтверждают, что с помощью СОТС можно повысить эффективность обработки в несколько раз. В данной работе предложено в качестве СОТС использовать обдув зоны резания сжатым воздухом.

Кроме того, большой практический интерес представляет использование в качестве режущего инструмента неперетачиваемых твердосплавных пластинок, как наиболее широко применяемого в современном производственном цикле.

Все вышеуказанное позволяет утверждать, что разработка высокопроизводительных технологических процессов ультразвуковой механической обработки жаропрочных сплавов с применением обдува зоны резания сжатым воздухом является чрезвычайно актуальной научно-технической проблемой.

Таким образом, целью данной работы является интенсификация процессов механической обработки жаропрочных сплавов в результате устранения развития неизотермической неустойчивости упругопластических деформаций в зоне стружкообразования, связанная с наложением ультразвуковых тангенциальных колебаний на инструмент и созданием конвективного отвода тепла из зоны резания за счет обдува сжатым воздухом. Для реализации поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Дать оценку частотам накладываемых на инструмент тангенциальных колебаний, приводящим к устойчивым процессам механической обработки;

2. Разработать методы передачи ультразвуковых тангенциальных колебаний режущему инструменту;

3. Исследовать влияние обдува зоны резания сжатым воздухом при ультразвуковой обработке жаропрочных сплавов на стойкость режущего инструмента и производительность процесса резания;

4. Установить влияние технологических параметров ультразвуковой механической обработки точением на качество обработанной поверхности;

5. Разработать принципы ультразвуковых технологий механической обработки жаропрочных сплавов с применением многогранных неперетачиваемых твердосплавных пластин и обдува зоны резания сжатым воздухом.

Работа состоит из четырёх глав.

В первой главе дан литературный обзор процессов неустойчивости упругопластических деформаций в зоне стружкообразования, из которого следует, что данные явления невозможно объяснить без учета тепловых эффектов. Рассмотрен механизм вибрационного резания, используемый в качестве технологического метода, применение которого позволяет устранить развитие эффектов неустойчивости при резании металлов. Разработаны технологические средства, позволяющие повысить стойкость инструмента и производительность обработки жаропрочных сплавов. Сформулированы цели и задачи исследований.

Вторая глава посвящена определению частот тангенциальных колебаний, накладываемых на инструмент и приводящих к устойчивым процессам ультразвуковой механической обработки.

В третьей главе представлены результаты экспериментальных исследований, проведённых с целью выявления эффективности применения предложенной технологии. Подробно изложена методика проведения экспериментальных исследований. Приведены результаты стойкостных исследований при ультразвуковом резании жаропрочных сплавов твердосплавным инструментом с использованием конвективного отвода тепла с помощью обдува сжатым воздухом. Приведены данные по анализу влияния ультразвуковых тангенциальных колебаний режущего инструмента на точность и шероховатость обработанной поверхности, а также на производительность механической обработки точением.

В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований по стойкости многогранных неперетачиваемых твердосплавных пластинок (МНТП) ВК6М при ультразвуковой механической обработке титанового сплава ВТ-22 с использованием обдува зоны резания сжатым воздухом.

Основные материалы опубликованы в работах [9,17−25, 31, 65].

Считаю необходимым выразить благодарность своему научному руководителю д.т.н., проф. A.A. Козлову, а также к.т.н., доц. В. М. Волчкову, к.т.н. З. Ю. Робакидзе, В. А. Догадову, Ю. В. Вологину за обсуждение проблем, рассматриваемых в данной работе, и помощь в поиске технологических решений поставленных задач.

Выводы.

1. Разработаны методы передачи ультразвуковых тангенциальных колебаний на многогранные неперетачиваемые твердосплавные пластины совместно с применением обдува зоны резания сжатым воздухом;

2. На примере титанового сплава ВТ-22 реализованы технологические процессы вибрационного ультразвукового резания с использованием обдува зоны резания сжатым воздухом, которые показали увеличение стойкости инструмента (МНТП из сплава ВК6М) при частоте ультразвуковых колебаний 1=3 0кГц и давлении сжатого воздуха р=0,4 МПа до 3−5 раз.

Заключение

.

В работе решена проблема, имеющая существенное значение в области теории резания, позволяющая повысить производительность процесса механической обработки, точность, качество обработанной поверхности, стойкость режущего инструмента при обработке жаропрочных сплавов на основе совместного использования ультразвуковых тангенциальных колебаний режущего инструмента и обдува зоны резания сжатым воздухом.

В процессе теоретических и экспериментальных исследований получены следующие результаты и выводы:

1. Разработан технологический процесс, предотвращающий развитие неизотермической неустойчивости в зоне стружкообразования и, как следствие, приводящий к существенной интенсификации механической обработки за счет наложения на инструмент ультразвуковых тангенциальных колебаний совместно с использованием обдува зоны резания сжатым воздухом.

2. На основе уравнений динамики упругопластической среды в зоне стружкообразования при резании металлов дана оценка величинам частот тангенциальных колебаний, накладываемых на инструмент, которые приводят к реализации устойчивых процессов механической обработки;

3. Установлено, что при реализации вибрационного резания, связанного с наложением на режущий инструмент тангенциальных колебаний частотой/ = ЗОкГц и амплитудой, а = 2 мкм, совместно с обдувом зоны резания сжатым воздухом происходит существенное (до 5−6 раз) повышение производительности обработки жаропрочных сплавов;

4. Исследовано влияние ультразвуковых тангенциальных колебаний режущего инструмента на размерную точность и шероховатость обработанной поверхности. Установлено, что на операциях чистового и тонкого точения при принятых в данной работе технологических режимах размерная точность обработки повышается на 1 квалитет по сравнению с обычно ным резанием, а шероховатость обработанной поверхности снижается на 20−30%. Причем показано, что применение ультразвуковых тангенциальных колебаний может в ряде случаев способствовать отказу от дорогостоящих доводочных операций шлифования, так как позволит обеспечить заданные параметры шероховатости на уровне Ыа1,25−1,5 мкм, а при переходе к микрорезанию до Б1а0,2−0,4 мкм.

5. Разработаны методы передачи ультразвуковых тангенциальных колебаний режущему инструменту совместно с применением обдува зоны резания сжатым воздухом давлением 0,35−0,4 МПа на операциях точения, позволяющие производить обработку, как напайными твердосплавными пластинами, так и многогранными неперетачиваемыми твердосплавными пластинками.

6. На примере титанового сплава ВТ-22 и жаропрочного сплава ЭИ437Б реализованы технологические процессы вибрационного ультразвукового резания с использованием обдува зоны резания сжатым воздухом, в результате которых выявлено увеличение стойкости режущего инструмента при частоте ультразвуковых колебаний / = ЗОкГц, амплитуде, а = 2мкм и давлении сжатого воздуха р = 0,35−0,4 МПа до 3−5 раз по сравнению с традиционным резанием.