CC BY
74
Erzin Oleg Aleksandrovich, candidate of technical science, docent, [email protected], Russia, Tula, Tula State University,
Rozhkov Sergey Viktorovich, postgraduate, rozhkov-uzlv@mail. ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.9
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ РЕЗАНИЯ ДЕТАЛЕЙ ПОГРУЖНЫХ ПНЕВМОУДАРНИКОВ
Е.В. Павлов
Представлены исследования контактного взаимодействия токарного инструмента из композита 10 с обрабатываемыми материалами базовых деталей погружных пневмоударников, сопровождающегося формированием совокупности макро-и микронеровностей, протеканием процессов упрочнения - разупрочнения и структурно-фазовых превращений. Выявлены зависимости микротвердости поверхности от значений переднего угла и радиуса при вершине инструмента. С помощью рентгеноструктурного анализа установлено изменение атомно-кристаллической структуры поверхностного слоя.
Ключевые слова: токарная обработка, остаточные напряжения, наклеп, режимы резания, качество обработки, погружные пневмоударники.
Для определения конкретных условий обработки деталей необходимо иметь их функциональную связь с характеристиками заданной поверхности. Поэтому, решая проблему повышения ресурса изделий пневмо-ударного бурения на основе совершенствования технологии механической обработки базовых деталей, во-первых, необходимо знать, какая микрогеометрия и какие свойства поверхностных слоев обеспечивают необходимые эксплуатационные характеристики контакта и, во-вторых, как получить поверхности с нужными свойствами [1, 2, 3].
Первую задачу необходимо решать при помощи экспериментальных исследований и теоретического анализа, выполняемого на основе модели шероховатости поверхности, позволяющего всесторонне оценить степень и характер воздействия отдельных параметров.
Вторая задача - задача повышения качества, надежности и долговечности изделий пневмоударного бурения, обеспечение для заданных условий эксплуатации оптимальных параметров поверхностного слоя деталей, решается технологическими методами.
Поскольку каждый технологический метод обработки создает вполне определенные количественные и качественные параметры поверхностного слоя: высоту и форму неровностей, их направление, закон распределения вершин, величину и знак остаточных напряжений, глубину и степень наклепа - оказывается возможным установить связь условий обработки с данными параметрами поверхностного слоя. Это дает возможность выбрать технологию изготовления деталей, позволяющую получить требуемые эксплуатационные свойства с формированием в поверхностных слоях изделия такого состояния, которое бы наилучшим образом обеспечивало работоспособность изделия при эксплуатации [4, 5].
В процессе резания в поверхностном слое обрабатываемого материала заготовки происходят структурно-фазовые превращения, приводящие к изменению их упрочненного состояния по сравнению с внутренними слоями материала. Из большой совокупности факторов процесса резания выделим два противоположных - наклеп, получающийся в результате действия усилий резания, и одновременное снятие наклепа (разупрочнение), получающееся из-за изменения температурного режима в зоне резания, при температуре, способствующей протеканию таких процессов, как рекристаллизация [6, 7].
Целью работы является исследование контактного взаимодействия инструмента с обрабатываемыми материалами в процессе резания, сопровождающегося формированием совокупности макро- и микронеровностей, протеканием процессов упрочнения - разупрочнения и структурнофазовых превращений, приобретающих особое значение для обеспечения долговечности и работоспособности базовых деталей погружных пневмоударников.
На основании априорной информации приняты следующие условия и допущения: материал режущей части инструмента - композит 10; характер обработки - чистовое точение (растачивание); содержание предшествующего технологического перехода - получистовое точение (растачивание) поверхности резцом из Т15К6; условие первоначального контакта режущей части инструмента с обрабатываемой поверхностью заготовки -[/-контакт; геометрия режущей части инструмента: передний угол 6°, задний угол 6°, главный угол в плане 45°, угол наклона главной режущей кромки 4°; величина радиуса при вершине инструмента 0,5 мм; режимы резания: скорость 2,5 м/с, подача 0,05 мм/об, глубина резания 0,10 мм.
Были проведены исследования по установлению характера изменения остаточных напряжений, глубины и степени наклепа, искажения кристаллической структуры.
Для установления характера и величины влияния режимов резания (V, Б, ?) на глубину наклепа поверхностного слоя проведем комплекс экспериментов с последовательным изменением одного из параметров резания при постоянных значениях двух других параметров.
На поверхности детали при чистовой обработке точением конструктивно сложных поверхностей погружных пневмоударников возникают растягивающие тангенциальные и осевые напряжения. С увеличением продолжительности пути резания, времени обработки уменьшаются глубина залегания остаточных напряжений и величина растягивающих напряжений на поверхности.
С увеличением скорости резания и величины подачи тангенциальные напряжения возрастают, растет и глубина их проникновения. Увеличение износа по задней поверхности инструмента (Лз) сопровождается ростом тангенциальных напряжений, глубина их проникновения уменьшается.
Степень упрочнения является управляемым параметром качества, так как зависит от геометрических параметров режущей части инструмента и режимов резания. Исследования показали, что на величину наклепа большее влияние оказывают скорость резания и величина подачи, при незначительном влиянии глубины резания (рис. 1).
/?, -мкм
250
200
150
100
50
г = 0,5 мі VI
/
< \ £ = 0,05 мм/об; ґ = 0,10 мм; [/-контакт
\
г = 0,1 мі \
/ /
\
У= 2,5 м/с; ^ = 0,10 мм; II- контакт , /
/
/
/ у = -6°; а = 6°; X = 4°; ф = 45°; г = 0,1...0,5 мм
/
У= 2,5 м/с; 5 = 0,05 мм/о< [/-контакт б;
0 1,0 1,5 2,0 2,5 V, м/с 0,04 0,05 0,06 0,07 5, мм/об 0,1 0,2 0,3 0,4 і, мм
Рис. 1. Зависимость глубины наклепа (стали 40ХН, 12ХН3А) от изменения режимов резания
При увеличении скорости резания степень упрочнения уменьшается, а увеличение подачи ведет к повышению микротвердости. Учитывая чистовой (отделочный) характер обработки, величина глубины резания не оказывает существенного влияния на степень упрочнения [8, 9].
Технологический процесс построен таким образом, что предшествующей операцией перед чистовой обработкой, является операция полу-
152
чистового точения конструктивно сложных поверхностей базовых деталей. После получистового точения резцом из Т15К6 происходит незначительное изменение величины растягивающих напряжений на поверхности, глубины залегания сжимающих напряжений и общей глубины залегания остаточных напряжений.
Дальнейшая чистовая обработка резцом из композита 10 позволяет получить на поверхностях деталей сжимающие остаточные напряжения, способствующие повышению износостойкости, что особенно необходимо при работе изделий пневмоударного бурения, таких, как ударник, цилиндр, букса, коробка и седло клапана, трубка, корпус коронки и др. [10].
В процессе экспериментальных исследований установим зависимости степени и глубины наклепа от изменения геометрических параметров режущей части инструмента: значений переднего угла и радиуса при вершине. Формируемые показатели качества поверхностного слоя деталей, сопутствующие процессу изменения геометрии режущей части инструмента, полученные при обработке конструктивно сложных поверхностей базовых деталей погружного пневмоударника, имеют следующие закономерности:
1) степень и глубина наклепа изменяются в той мере, в какой изменяются силы деформирования на поверхности сдвига и радиальные силы, действующие нормально к обработанной поверхности;
2) при точении деталей резцами с отрицательными передними углами степень упрочнения увеличивается, так как возрастают радиальная сила и удельное давление в зоне деформации стружки;
3) влияние заднего угла на степень упрочнения поверхностного слоя пренебрежимо мало. При определяющем влиянии на глубину и степень наклепа процессов, протекающих на задней контактной поверхности инструмента, влияние заднего угла усиливается, причем в большей степени при уменьшении значений износа резца (^з).
Анализ графиков (рис. 2 и 3) показывает, что увеличение радиуса при вершине инструмента и изменение значения переднего угла от положительного к отрицательному усиливают степень пластической деформации и повышает величину наклепа. Эти же факторы являются причиной возникновения растягивающих напряжений. Глубина их проникновения невелика и в глубоких слоях материала растягивающие напряжения переходят в сжимающие, увеличивая предел выносливости детали.
Уменьшение периода резания за счет большей прерывистости процесса способствует увеличению наклепа.
На увеличение микротвердости наиболее существенное влияние оказывают режимы резания, а также величина радиуса при вершине резца. С их ростом возрастают силы резания, которые способствуют упрочнению поверхностного слоя металла детали.
Я, МПа 3700
3200
2700
2200
1700
V— 2,5 м/с; *5 = 0,05 мм/об; і = 0,10 мм / / / / / / /
12X1 13 А // / / \ \ \ \ \ ч
а = 6°; X = 4 ; и~ контакт ^ / _ х __ / / 1—
— зхн
-18 -12 -6 0 +6 У, град
_н----------------[--------------1-------------\----------------1---------------н*-
0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 г, мм
Рис. 2. Влияние геометрии режущей части инструмента из композита 10 на степень наклепа обрабатываемых поверхностей
деталей
/г, мкм 240
180
120
60
О
Г=2,5 Я = 0,0' ; = олс м/с; 5 мм/об; мм /
\ 12ХН / ЗА / / / а - 6°; ^ = 4°; ЇУ-контакт
- — / \ У ^ / У /
— — - —■— '""і ОХН
I---------------------------------------------------------------------------------------------------
-18
-Ь-
0,30
-12
Ч--
0,40
0,50
О +6 У, град
0,60 0,70 г, мм
Рис. 3. Влияние геометрии режущей части инструмента из композита 10 на глубину наклепа обрабатываемых поверхностей
деталей
Прочные и хрупкие обрабатываемые материалы склонны к наклепыванию в меньшей степени, чем малопрочные и вязкие, тем более, что и температура при обработке прочных металлов значительно выше.
Г лубина наклепанного слоя стали средней твердости при обработке проходными и расточными резцами колеблется от 100 до 200 мкм.
При точении сталей в условиях контакта режущей части инструмента с обрабатываемой поверхностью заготовки, с геометрией и режимами резания, соответствующими оптимальным условиям, резцами из композита 10 обеспечивается шероховатость поверхности в пределах
0,16...1,25 мкм. Наблюдается закономерность - чем больше жесткость и виброустойчивость системы «станок - приспособление - инструмент -деталь» и твердость материала заготовки, тем лучше шероховатость обработанной поверхности. Чистовое точение (растачивание) композитом 10 конструктивно сложных поверхностей деталей практически не вызывает структурных изменений в поверхностном слое детали, что подтверждается металлографическими исследованиями. Исследования поверхностного слоя металла при прерывистом чистовом точении (растачивании) не показали существенных фазовых превращений.
При обработке прерывистых поверхностей деталей инструментом из композита 10 имеет место циклическое локальное нагружение, по площади соизмеримое с величиной зерна. В силу специфики процесса прерывистого резания одновременно происходят периодический нагрев и охлаждение - термоциклическая обработка. Следствием этого при врезании инструмента в заготовку получается значительное измельчение зерна, механический и термический наклеп. При стабильном резании гладких поверхностей заготовки изменений в микроструктуре материала заготовки не происходит.
Изменение атомно-кристаллической структуры поверхностного слоя (искаженность кристаллической решетки) определяли рентгеноструктурным анализом по изменению истинного физического уширения рентгеновских интерференционных линий (110) и (220) а-фазы, феррита - твердого раствора внедрения углерода в объемно-центрическую решетку низкотемпературного Гва.
При чистовом точении стали низкой твердости рентгенографически зафиксировали лишь а-фазу, а при обработке стали высокой твердости -а- и у-фазы. Отмечено снижение остаточного аустенита по сравнению с содержанием его в сталях до лезвийной обработки композитом 10, что связано с отпускными процессами, развивающимися в поверхностном слое из-за тепловыделения при резании (рис. 4).
Образец - сталь 12ХНЗА, НЯС 58...62: 1 - А = 100 мм, 2 - к = 50 мм, 3 - на поверхности детали А
> і (з Л, \
N Ґ* ■К ьЛГ\ ))
'АЛ К» ил/ *г АЛ ИЛ л/ ■ Г^р Л" Ґ ( / І V"
лЛ ч \л> \Л^ І/^ЧІ іллЛ -V г* У Ґ / / А/ ч \ Ч Л ■ч V л»
гл лЛ УК 1/ЛА 54 1 \>^лл Г *Лг \л/ \Л 5: лг У I21 Ґ 9,1 ра 5^ !д 1 >° V, 5 1 ч 1° АЛ 50°
Рис. 4. Регистрация изменения фазового состояния в поверхностном слое обрабатываемого материала
При обработке стали большой твердости, в которой объемноцентрическая решетка железа превращается в тетрагональную, определяли только физическое уширение линий (220), так как линии (110) а-фазы частично искажались в результате наложения линий (111) мартенсита. Наличие в поверхностном слое остаточного аустенита после закалки определяется по изменению соотношения интегральных интенсивностей и формы линий (110) а-фазы и (111) мартенсита (см. рис. 4).
Выводы:
1. После чистового точения деталей погружных пневмоударников
инструментом из композита 10 максимальные сжимающие напряжения, повышающие предел выносливости деталей, соответствуют глубине поверхностного слоя в пределах 0,15_0,20 мм.
2. Изменение режимов резания приводит к пропорциональному изменению глубины наклепа обрабатываемых деталей: увеличение скорости резания с 1 до 3 м/с приводит к уменьшению глубины наклепа с 0,22 до
0,06 мм; увеличение подачи с 0,04 до 0,07 мм/об - к увеличению глубины наклепа с 0,05 до 0,20 мм; глубина резания при окончательной обработке (0,1 0,4 мм) практически не влияет на глубину наклепа.
3. С увеличением радиуса при вершине инструмента от 0,1 до 0,7 мм и изменением значений переднего угла от положительных (+6°) к отрицательным (-18°) повышается микротвердость с 1800 до 3700 МПа и глубина наклепа с 0,03 до 0,22 мм.
4. Исследованиями установлено, что при прерывистом чистовом точении в поверхностном слое сталей низкой твердости рентгенографически зафиксирована лишь а-фаза, а при обработке более твердых, закаленных сталей фиксируется наличие а- и у-фазы. Наблюдается снижение остаточного аустенита по сравнению с содержанием его в стали до обработки
композитом 10. Структура металла при врезании инструмента становится мелкозернистой, степень упрочнения достигает 15 процентов.
Список литературы
1. Технологическое обеспечение и повышение эксплуатационных свойств деталей и их соединений / А.Г. Суслов [и др.]. М.: Машиностроение, 2006. 448 с.
2. Павлов Е.В., Локтионова О.Г., Яцун С.Ф. Совершенствование технологии восстановления изделий с применением обработки инструментами, оснащенными сверхтвердыми материалами // Известия ЮгоЗападного государственного университета. 2012. № 1. Ч.1. С. 120-127.
3. Павлов Е.В. Установление зависимости параметров механической обработки на показатели качества деталей с покрытиями // Известия ЮгоЗападного государственного университета. 2013. № 1. С. 82-84.
4. Колесов И.М. Основы технологии машиностроения. М.: Высшая школа, 1991. 591 с.
5. Сверхтвердые материалы. Получение и применение: монография:
в 6 т. / под ред. Н.В. Новикова. К.: ИСМ им. Бакуля, ИПЦ АЛКОН НАНУ, 2006. Т. 5: Обработка материалов лезвийным инструментом/ под ред. С.А. Клименко. К.: ИСМ им. Бакуля, ИПЦ АЛКОН НАНУ, 2006.
316 с.
6. Конопенко В. А. Эффективность субструктурного упрочнения и механизм деформации при высоких температурах / Физика твердости и пластичности. Л.: Наука, 1986. С.23-28.
7. Сулима А.М., Евстигнеев М.И. Качество поверхностного слоя и усталостная прочность деталей и жаропрочных титановых сплавов. М.: Машиностроение, 1974. 175 с.
8. Технологическое оснащение процессов изготовления конструктивно сложных деталей: монография / Е.А. Кудряшов [и др.]. Старый Оскол, ТНТ, 2013. 268 с.
9. Kudryashov E.A., Pavlov E.V., Yatsun E.I. Increase efficiency of the processes of machining engineered parts, tools made of superhard materials // Models and methods of solving farmland and applied scientific issues in physi-co-mathematical, technical and chemical research. Materials digest of the XXXII International Research and Practice Conference. (London, September 25, 2012). London, UK, 2012. P. 25-29.
10. Кудряшов Е.А., Лунин Д.Ю., Павлов Е.В. Обоснование методов обработки деталей для обеспечения герметичности гидроцилиндров буровых установок // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 2012. № 5. С. 120-124.
Павлов Евгений Васильевич, канд. техн. наук, доц., зав. кафедрой, evp. kstu@mail. ru, Россия, Курск, Юго-Западный государственный университет
RESEARCH OF TERMOMECHANICAL PROCESSES OF CUTTING PARTS OF THE SUBMERSIBLE PNEUMATIC PERCUSSION TOOLS
E. V. Pavlov
The article presents the study of contact interaction of a lathe tool of composite-10 with the processed materials of basic parts of submersible pneumatic percussion tools, accompanied by the formation of the aggregate macro and microscopic irregularities, occurrence of processes of hardening and softening and structural-phase transformations. Based on the surface microhardness values from front angle and radius tool. With the help of X-ray structural analysis has established changing the atomic crystal structure of the surface layer.
Key words: turning, residual stress, hardening, cutting modes, processing quality, submersible pneumatic percussion tools.
Pavlov Evgeniy Vasilevich, candidate of technical science, docent, manager of department, [email protected], Russia, Kursk, South-West State University
УДК 621.91
ГИПОТЕЗА О ТОЧНОСТИ РАСЧЁТА СИЛЫ РЕЗАНИЯ. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ
А.В. Волков
На основе анализа и оценки возможностей априорного определения точности расчёта силы резания в случае значительного роста учитываемого количества параметров резания разработана гипотетическая математическая модель предварительной оценки точности расчётов сил резания при точении конструкционных сталей. Реализация модели позволит выработать рекомендации по оценке точности аналитического определения сил резания при изменении количества учитываемых параметров процесса, а также по проведению априорных оценок погрешностей расчёта усилий резания в подмодулях САВ/САМ/САЕ/РВМ-систем.
Ключевые слова: математическая модель, система резания, параметры, факторы, гипотеза о точности, погрешности, гиперболическая зависимость.
Из предшествующего анализа становится ясным, что система резания создана, в некотором смысле, на основе понятия усилия резания, т.е. практически все составляющие системы резания в той или иной степени взаимосвязаны и взаимозависят от подсистемы усилия резания. Именно потому подсистема усилия резания в некоторых случаях предварительного анализа может подменить саму систему резания, тем самым приобретя некоторые черты и свойства этой системы, и, в частности, приближения к оценке Ю.М. Ермакова в 3,8 • 1031 параметров системы и их взаимодейст-
