CC BY
38
УДК 621.787
Ф. Г. Ловшенко, д-р техн. наук, проф., А. И. Хабибуллин
СВЕРЛЕНИЕ ОТВЕРСТИЙ ТОКОПОДВОДЯЩИХ НАКОНЕЧНИКОВ ДЛЯ СВАРКИ ПРОВОЛОКОЙ
Проведен анализ дефектов, возникающих при обработке глубоких отверстий малого диаметра в заготовках из дисперсно-упрочненной меди; предложена конструкция станка для сверления; исследовано влияние основных технологических факторов на производительность, стойкость и увод инструмента. Приведены результаты исследования процесса обработки малых отверстий спиральным сверлом из быстрорежущей стали и разработан технологический процесс обработки отверстий с применением станка токарного типа с электродинамическим вибратором.
Прогресс в различных отраслях производства, включая и сварочное, во многом определяется свойствами материалов, применяемых для изготовления наиболее ответственных узлов и деталей. Так, при автоматической и полуавтоматической сварке плавящимся электродом (проволокой) в защитной атмосфере производительность процесса и его качество в большой мере зависит от физико-механических характеристик токоподводов (наконечников). Эта деталь служит для подачи напряжения на электрод, перемещающийся в процессе сварки в отверстии наконечника. Материал, применяемый для изготовления токоподводов, должен обладать высокими значениями электро- и теплопроводности, износостойкости, включая и стойкость против электроэррозион-ного изнашивания. Для этой цели в средне- и крупносерийном производстве используются хромовые и хромовоциркониевые бронзы, в единичном и мелкосерийном - техническая медь. Стойкость последней крайне низка, а стойкость бронз в ряде случаев недостаточна. Долговечность и надежность токоподводящих наконечников могут быть многократно повышены применением для их изготовления композиционного материала - дисперсно-упрочненной меди, теория и технология производства которой разработаны и освоены на малотоннажном наукоемком предприятии Белорусско-Российского университета [1]. Материал имеет наноструктурное строение, которое ха-
рактеризуется следующими параметрами: размер зерен - 0,3-0,5 мкм, субзерен - менее 0,1 мкм. Высокоразвитая поверхность границ зерен и субзерен стабилизирована наноразмерными
включениями термодинамически стабильной и имеющей высокое значение модуля сдвига фазы А1203 величиной менее 20 нм. При относительной электропроводности, равной 70-75 %, дисперсно-упрочненная медь обладает следующими механическими свойствами: твердость НВ 200-240, предел прочности при растяжении аВ = 700-900 МПа, а В00 = 400 МПа, температура рекристаллизации 850 оС. Разработанные материалы по комплексу физико-механических свойств значительно превосходят лучший классический материал для токоподводящих наконечников, которым является бронза БрХЦр. Сложной и неосвоенной операцией изготовления этих изделий является получение глубоких сквозных отверстий в заготовках из прессованных прутков дисперсно-упрочненной меди. В зависимости от применяемого электрода (проволоки) диаметр отверстия изменяется в пределах 0,8-2,0 мм, а глубина 18-30 мм. В связи со специфическими свойствами материала (высокие значения твердости, прочности, наличие наноразмерных абразивных включений А1203) при сверлении таких отверстий возникает ряд технологических проблем: большая ве-
роятность поломки инструмента, низкая его стойкость, увод сверла.
Целью настоящей работы являлась разработка технологического процесса для глубокого сверления малых отверстий в заготовках из дисперсно-упрочненной меди.
Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи: провести анализ дефектов, возникающих при обработке отверстий в дисперсно-упрочненном материале; разработать конструкцию специального станка для сверления; оптимизировать процесс сверления.
Основные результаты работы получены на наиболее сложных в изготовлении наконечниках с наименьшим диаметром отверстия, равным 0,9 мм, и большой глубиной сверления (26 мм). В связи с этим результаты исследования могут быть надежно интерпретированы на другие изделия указанного типа. Материалом для заготовок являлось дисперсно-упрочненная медь с твердостью НВ 220-230 и пределом прочности при растяжении 850 МПа. В качестве режущего инструмента применялись спиральные сверла из стали Р6М5 диаметром 0,9 мм, длиной 32 мм, имевшие следующие параметры: длина рабочей части 12 мм, угол наклона винтовой канавки ю = 190, передний угол у периферии у = 18-200, задний угол у периферии а = 8-100, угол при вершине сверла 2ф = 118-1200, угол наклона поперечного режущего лезвия у = 52-550.
Установлено, что характерными дефектами глубокого сверления отверстий в дисперсно-упрочненных материалах являются большие значения увода и отклонения от прямолинейности оси отверстия. Причины увода установлены по результатам анализа брака на производстве, проведенного авторами на Могилевском автозаводе, ОАО «Мотовело», «Брестгазоап-парат», Брестском машиностроительном заводе, согласно которому наибольшее влияние на эти дефекты оказывает биение поверхности обработанного отверстия, вызванное отклонением от соосности центрового отверстия и поверхности базирования заготовки, деформация заготовки
при закреплении на станке, различная обрабатываемость материала и др.
Другой причиной увода являются поперечные колебания инструмента, которые приводят также к образованию огранки, волнистости и других дефектов формы. Известно [2, 3], что при сверлении в технологической системе возникают вынужденные колебания и автоколебания, причем наибольшая вероятность возникновения колебаний у наименее жесткого звена системы - инструмента.
Вынужденные колебания воз-
буждаются внешними воздействиями, связанными с вращением заготовки. К ним относятся изменение сил резания за один оборот вследствие различной твердости материала заготовки, а также биение поверхности обработанного отверстия, на которую базируется инструмент своими направляющими элементами. Эти факторы приводят к поперечным колебаниям инструмента с частотой, кратной частоте вращения заготовки. Возникновению колебаний способствует специфика нагружения инструмента. Он работает как нежесткая консольная оправка, имеющая возможность поворота на опоре. Поворот оси приводит к изменению толщины среза вследствие радиального перемещения режущего лезвия и изменения углов в плане на главных режущих кромках. Проведенное исследование позволило установить качественную корреляцию осевого усилия с амплитудой поперечных колебаний - увеличение первого приводит к возрастанию второй.
Возбуждение поперечных автоколебаний обусловлено тем, что меняющаяся толщина срезаемого слоя приводит к колебаниям величины сил резания, которые не пропорциональны изменениям толщины среза, а отстают по фазе [2].
Увод инструмента вызывает также неконтролируемые адгезионные процессы. Высокая твердость дисперсно-упрочненных материалов вызывает не-
обходимость увеличения осевого усилия, что приводит к возрастанию вероятности разрыва пленки СОЖ. С другой стороны, наличие наноразмерной абразивной дисперсной фазы А1203 в условиях сухого и полусухого трения вызывает интенсивный износ задних поверхностей инструмента и активизацию адгезии на стертых фасках. В связи с тем, что процесс адгезии отличается нестабильностью, это приводит к «рысканию» сверла и уводу его от оси вращения. Нами отмечалась связь между ростом осевого усилия и вероятностью и величиной увода. В [2, 3] и в исследованиях, проводимых нами, было отмечено, что даже при неизменности первых двух причин величина уводов колеблется в широких пределах. Это дает основание предполагать, что уводы зависят от каких-то случайных причин либо не всегда проявляющихся, либо не постоянно существующих (адгезия, различная твердость).
Увод вызывается также и погрешностями заточки инструмента, и неравномерностью износа главных режущих лезвий, что приводит к неравенству сил резания.
Под воздействием факторов, вызывающих поперечные автоколебания, происходит появление и крутильных автоколебаний. Кроме того, крутильные колебания инициируются разрывом пленки СОЖ и возникновением адгезии. Это особенно характерно для обработки заготовок, обладающих высокой твердостью и абразивностью [2]. В этом случае увеличиваются динамические нагрузки на режущую часть инструмента, что интенсифицирует процесс изнашивания режущих кромок, повышает шероховатость поверхности и приводит к поломке инструмента. При сверлении отверстий малого диаметра в дисперсно-упрочненной меди, в связи с тем, что инструмент обладает пониженной жесткостью на кручение, а материал отличается высокой твердостью и абразивностью, значительно повышается интенсивность крутильных колебаний инструмента. Таким образом, производительность процесса сверления определяется интенсивностью крутильных колебаний.
Амплитуда крутильных колебаний сверла является главным параметром, определяющим устойчивость процесса обработки. Так как измерить амплитуду колебаний сложно, нами измерялась величина и амплитуда колебаний суммарной осевой силы Р0 и суммарного крутящего момента Мк. По изменению этих параметров косвенно оценивались крутильные колебания инструмента. Если величина амплитуды колебаний крутящего момента Ам не превышала величины суммарного крутящего момента Мк, то процесс сверления считали устойчивым. Значения Р0 и Мк, а также амплитуды колебаний крутящего момента Ам возрастают при увеличении подачи. В процессе исследований было установлено, что переход от устойчивого процесса к неустойчивому происходит скачкообразно и зависит от технологических условий. К этим условиям относятся: свойства обрабатываемого материала и инструмента, геометрические параметры и материал инструмента, режим резания, износ инструмента, свойства СОЖ, температура в зоне резания и т. д. При сверлении отверстий спиральными сверлами из быстрорежущей стали диаметром 0,9 мм в заготовках из дисперсно-упрочненной меди при подачах Б0, превышающих 0,020 мм/об, или достижении величины износа на задних поверхностях инструмента 0,025мм амплитуда Ам становится больше Мк, что указывает на возникновение неустойчивого процесса, приводящего к поломке инструмента. Для повышения производительности и стойкости инструмента при глубоком сверлении необходимо ограничивать амплитуду его крутильных колебаний. Поэтому важно располагать сведениями о воздействии различных факторов на интенсивность колебаний. Это позволит правильно назначать оптимальные значения параметров инструмента и режимов резания.
Ниже приводятся результаты исследований, выполненных при сверлении отверстий на станке для глубокого
сверления, разработанном в Белорусско-Российском университете. Исследования при скорости резания 8 м/мин показали, что из всех геометрических параметров инструмента наибольшее влияние на предельную подачу оказывает угол при вершине сверла 2ф. Результаты этих исследований представлены на рис. 1. Кроме того,
было отмечено, что при углах, меньших 110°, стойкость инструмента значительно снижается. График показывает, что в исследуемом диапазоне углов имеется оптимальное значение 2ф = 120°, которое и применялось в дальнейших исследованиях.
12
мм/мин 8 6 4 2 0
^пред
Л >-
<
100 110 120 130 град 150
2ф--------->-
Рис. 1. Влияние угла при вершине на предельно допустимую подачу
Решающее влияние на стабильность процесса оказывал износ инструмента. Исследовалось влияние величины износа на задней поверхности наружной кромки, где износ имеет максимальное значение, на предельно допустимую подачу. Результаты экспериментов представлены на рис. 2. Из графика видно, что зависимость предельно допустимой подачи 8пред от величины стертой фаски Ьз имеет экстремальный характер. В диапазоне варьирования Ьз от 0 до 0,05 мм оптимальное значение Ьз находится в пределах 0,01-0,02 мм. При увеличении износа сверх этих величин допустимая подача 8пред резко снижается. Проведенные исследования показали, что с увеличением скорости резания возрастает амплитуда колебаний крутящего момента. Результаты исследований представлены на рис. 3.
Из графика видно, что процесс сверления является стабильным во всем
диапазоне исследованных скоростей резания (2-12 м/мин) при подачах Б0 = 2-11 мм/мин. При увеличении подачи до значения Б0 = 11 мм/мин устойчивость процесса сохранялась при скорости резания, не превосходящей 8,2 м/мин. Таким образом, для достижения наибольшей производительности и сохранения стабильности процесса рекомендуется производить обработку отверстий с меньшими подачами $опт = (0,6-0,7)^8пред и с большей скоростью резания. Внедрение скоростного сверления глубоких отверстий перспективно не только с точки зрения повышения производительности, но и с точки зрения уменьшения уводов, повышения чистоты образуемых поверхностей, а следовательно, повышения качества обработки. Но, с другой стороны, было установлено, что при увеличении скорости резания более
8 м/мин повышается интенсивность про- значительно снижается стойкость ин-
цесса тепловыделения в зоне резания и струмента.
Из---------->-
Рис. 2. Влияние величины износа задней поверхности инструмента на предельно допустимую подачу
6
и
10
12
Рис. 3. Влияние скорости резания на предельно допустимую подачу
8
Смазочно-охлаждающие вещества
оказывают значительное влияние на процесс резания и качество обработки. В зависимости от технологического метода обработки, физико-механических свойств материала заготовки и инструмента, а также режима резания применяют различные смазочно-охлаждающие вещества. Смазывающее действие жидкости препятствует образованию нароста на рабочих поверхностях инструмента, облегчает удаление стружки из винтовых канавок сверл. Молекулы жидкостей, попадая в микротре-
щины поверхностного слоя заготовки, адсорбируются на поверхностях микротрещин и создают предварительное напряженное состояние материалов. Такое расклинивающее действие жидкостей облегчает разрушение срезаемого слоя. Это явление наблюдается при срезании тонких стружек со скоростями резания не более 60-80 м/мин [2]. Указанные положительные действия смазочно-
охлаждающих жидкостей приводят к тому, что эффективная мощность резания уменьшается на 10-15 %, стойкость инст-
румента возрастает, обработанные поверхности заготовок имеют меньшую шероховатость и большую точность. Нами были проведены исследования относительной стойкости спиральных сверл при изготовлении отверстий токоподводящих наконечников
из дисперсно-упрочненной меди с использованием различных СОЖ (температура СОЖ поддерживалась в пределах 25-35 °С) и применением вибрации. Результаты испытаний приведены в табл. 1.
Табл. 1. Относительная стойкость сверл в зависимости от применения различных СОЖ и вибрации
Наименование Количество просверленных заготовок
(состав) СОЖ без использования вибрации с использованием вибрации
1 Масло индустриальное 12 7-В 1В-20
2 Масло индустриальное 20 В-10 20-22
3 СОЖ В-31 7-В 17-20
4 СОЖ МР-3 10-12 25-2В
5 Смесь 20 % керосина и 80 % сульфофрезола 7-В 15-1В
б 5-процентная эмульсия из эмульсола НГЛ-205 7-9 13-17
7 5-процентная эмульсия из эмульсола Э-2 (ЭТ-2) 7-9 13-1б
В 10-процентная эмульсия из эмульсола Э-2 (ЭТ-2) 7-9 15-1В
9 Mobil 1 0W-30 10-13 2б-30
10 Aral Super Tronic 0W-40 11-13 27-33
11 R-COOL-S niron 15-1В 40-45
Исследования производились при скорости резания 8,0 м/мин; подаче 0,01 мм/об; амплитуде колебаний 0,4^ 10"3 м; частоте колебаний 293 с-1. Несмотря на повышение стойкости сверл за счет применения СОЖ, этот технологический прием не решил проблему увода инструмента от оси вращения (до 50 % изделий имели отклонение 0,3-2,0 мм, что недопустимо при изготовлении токоподводящих наконечников).
Обычно при глубоком сверлении используют равномерную подачу инструмента. Но при сверлении отверстий малых диаметров образуется тонкая сливная стружка, которую очень сложно удалять. Одним из наиболее результативных способов повышения эффективности процесса глубокого сверления является приме-
нение вибрации. В этом случае обеспе-ч и в ается кинематическое дробление сливной стружки за счет применения переменной по величине подачи и образования мелкой, легко удаляемой из отверстия стружки. Для реализации этого метода на осевое движение подачи накладывается дополнительное осциллирующее движение. Для беспрепятственного перемещения стружки стараются использовать сверла с прямыми канавками. В связи с дефицитностью такого инструмента нам пришлось применять спиральные сверла с минимальным углом наклона винтовой канавки ю = 19 .
Для сверления глубоких отверстий малого диаметра в токоподводящих наконечниках из дисперсно-упрочненной меди нами был разработан станок то-
карного типа с электродинамическим вибратором, передающим инструменту осевые колебания необходимой частоты и амплитуды.
Подбором частоты и амплитуды вибраций, накладываемых на подачу инструмента, создается прерывистое резание, при котором обеспечивается дробление стружки и создаются благоприятные условия для работы режущих лезвий. При прерывистом резании режущие кромки периодически выводятся из зоны резания и при этом охлаждаются, СОЖ проникает в зону резания, а поверхностные пленки на плоскостях лезвий периодически восстанавливаются. Это содействует увеличению стойкости инструмента, что позволяет повышать режимы резания (в первую очередь, скорость резания) и производительность. Кроме того, облегчаются условия резания, обусловленные кинематикой процесса: во-первых, отделение стружки совершается при большей толщине среза, что приводит к снижению отрицательного влияния скругления режущих кромок; во-вторых, создается кинематическое заострение режущих лезвий вследствие увеличения значений передних углов, полученных при заточке. Так, при сверлении отверстия диаметром 0,9 мм передний угол изменяется на 4-6°.
Режим вибраций при глубоком сверлении характеризуется двумя параметрами: частотой (к + 1) и амплитудой А, где к - число полных периодов колебаний, укладывающихся за время одного оборота заготовки; 1 - отношение остатка периода колебаний к периоду колебаний; к + 1 = 6017п, где Г - частота вибраций, Гц; п - частота вращения заготовки, об/мин. Величина 1 характеризует сдвиг фаз между следами последующего и предыдущего проходов инструмента.
Для оптимизации процесса дробления и удаления стружки, с также с целью повышения стойкости инструмента рекомендуется следующий режим вибраций [3]: значения 1 - в пределах 0,25-0,75; (к + 1) - до 4,5; амплитуда колебаний
А = (1-2)^0.
Режимы резания и вибраций при вибросверлении устанавливаются в зависимости от прочности и вязкости обрабатываемого материала, требуемой точности и шероховатости поверхности и диаметра отверстия. Для заготовок из дисперсно-упрочненной меди нами был установлен оптимальный режим обработки отверстий токоподводящих наконечников диаметром 0,9-1,1 мм: п = 2800 об/мин; Б0 = 0,020 мм/об; { = 140 Гц (три колебания за один оборот инструмента); А = 0,03-0,04 мм.
Выводы
Проведенный анализ причин брака сверления изделий из дисперсно-упрочненной меди показал, что основными из них являются увод, непрямо-линейность оси, поломка и низкая стойкость инструмента, и для осуществления этой операции требуется разработать специальное оборудование - станок токарного типа с электродинамическим вибратором, и оптимизировать режимы резания.
Оптимальным режимом резания глубоких отверстий диаметром 0,9—1,1 мм в дисперсно-упрочненной меди для станка с электродинамическим вибратором без принудительной подачи СОЖ является: п = 2800 об/мин;
Б0 = 0,020 мм/об; Г = 140 Гц (три колебания за один оборот инструмента); А = 0,03-0,04 мм.
Использование оптимального режима обработки отверстий в изделиях из дисперсно-упрочненной меди позволило решить следующие задачи: увеличить производительность процесса сверления в 2,2-2,8 раза; повысить стойкость сверл в 2,5-3 раза; снизить величину увода сверла в 1,8-2,7 раза; снизить вероятность поломки сверл в 3-5 раз.
Разработка, изготовление и внедрение специального станка, оптимизация режима получения глубоких отвер-
стий диаметром 0,9-3,0 мм у дисперсно-упрочненной меди явились необходимым этапом создания на базе лаборатории наноструктурных материалов кафедры «Технологии металлов» Белорусско-
Российского университета малотоннажного наукоемкого производства импортозамещающих изделий - всей номенклатуры токоподводящих наконечников мощностью 300 тыс. шт. в год. К настоящему времени разработаны и утверждены технические условия, произведено и реализовано основным машиностроительным предприятиям Республики Беларусь около 50 тыс. изделий. При примерно одинаковой стоимости с лучшими аналогами (бронзой Бр.ХЦр) разработанные наконечники из дисперсно-упрочненной меди
по стойкости в 2,5-3,0 раза превосходят последние. При средней стоимости изделия, примерно 0,5 долл. США, реальный экономический эффект составляет около 37,5-50,0 тыс. долл. США.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ловшенко, Г. Ф. Теоретические и технологические аспекты создания наноструктурных механически легированных материалов на основе металлов / Г. Ф. Ловшенко, Ф. Г. Ловшенко. - Могилев : Белорус.-Рос. ун-т, 2005. -264 с.
2. Троицкий, Н. Д. Глубокое сверление / Н. Д. Троицкий. - Л. : Машиностроение, 1971. -176 с.
3. Подураев, В. Н. Обработка резанием с вибрациями / В. Н. Подураев. - М. : Машиностроение, 1970. - 350 с.
Белорусско-Российский университет Материал поступил 04.12.2007
F. G. Lovshenko, A. I. Khabibullin Drilling openings of current conducting tips for wire welding
Belarusian-Russian University
Analysis of defects appearing while treating deep openings of a small diameter in workpieces from dispersed and strengthened copper has been conducted. Machine design for drilling has been proposed. Influence of the main technological factors on productivity and resistance has been studied. The results of research process of small diameter openings treatment with spiral drill from quick-cutting steel are shown. Technological process of openings treatment using a lathe type machine with electro-dynamic vibrator has been worked out.
