Обеспечение качества поверхностного слоя деталей при высокоскоростном торцевом фрезеровании закаленных сталей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.08, кандидат технических наук Кирюшин, Игорь Евгеньевич

• Кирюшин, Игорь Евгеньевич
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Кирюшин, Игорь Евгеньевич

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНЫЕ МЕТОДЫ ЛЕЗВИЙНОЙ ОБРАБОТКИ И КАЧЕСТВО ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ЗАКАЛЕННЫХ СТАЛЕЙ, КОТОРОЕ ОНИ ОБЕСПЕЧЕВАЮТ.

1.1 Основные параметры качества поверхностного слоя.

1.1.1 Остаточные напряжения.

1.1.2 Особенности формирования шероховатости поверхности.

1.1.3 Наклёп поверхностного слоя.

1.1.4 Структура поверхностного слоя деталей.

1.1.5 Неоднородность свойств поверхностного слоя деталей.

1.2 Высокоскоростная лезвийная обработка.

1.3 Управление качеством поверхностного слоя.

1.4 Особенности структуры закаленных сталей.

1.5 Инструментальные материалы, применяемые при высокоскоростном фрезеровании закаленных сталей.

1.6 Постановка задач исследования.

ГЛАВА 2. МОДЕЛИРОВАНИЕ И АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ВЫСОКОСКОРОСТНОГО ТОРЦЕВОГО ФРЕЗЕРОВАНИЯ ЗАКАЛЕННОЙ СТАЛИ НА ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ДЕТАЛИ.

2.1 Технологические остаточные напряжения в поверхностном слое деталей.

2.1.1 Модель остаточные напряжения в поверхностном слое детали от действия силового фактора.

2.1.2 Нахождение остаточных напряжений от действия температурного фактора.£

2.1.3 Нахождение остаточных напряжений от действия структурно - фазовых превращений.^g

2.1.4 Определение результирующих остаточных напряжений в поверхностном слое обработанной детали.

2.2 Особенности формирования шероховатости поверхности при ВСО.

2.3 Расчёт микротвёрдости поверхностного слоя при ВСО.

2.4 Методика исследования структурно-фазового состава поверхностного слоя. Схема определения процентного содержания фаз.

2.5 Выводы.

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ СОСТОЯНИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ДЕТАЛЕЙ ПОСЛЕ ВЫСОКОСКОРОСТНОГО ТОРЦЕВОГО ФРЕЗЕРОВАНИЯ.

3.1 Многофакторная модель шероховатости поверхности после ВСО.

3.2 Исследование микротвердости поверхности.

3.3.1 Исследование структурно-фазового состава поверхностного слоя деталей.

3.3.2 Пример определения структурно-фазового состава поверхностного слоя по разработанной методике.

3.4 Исследование неоднородности свойств поверхностного слоя вихретоковым методом.

3.5 Исследование технологических остаточных напряжений вихретоковым и рентгеновским методами.

3.6 Выводы.

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НАГРЕВА ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛИ, СТОЙКОСТИ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА И ТОЧНОСТИ ОБРАБОТКИ ПРИ ВЫСОКОСКОРОСТНОМ ТОРЦЕВОМ ФРЕЗЕРОВАНИИ.

4.1 Исследование тепловой модели.

4.1.1 Анализ экспериментально-аналитической тепловой модели высокоскоростного резания.

4.1.2 Исследование температуры нагрева поверхностного слоя заготовки.

4.2 Исследование стойкости режущего инструмента.

4.2.1 Выбор оптимального критерия стойкости и средств измерения, разработка схемы измерения и плана проведения эксперимента.

4.2.2 Проведение эксперимента и оценка результатов.

4.3 Исследование точности обработки при высокоскоростном торцевом фрезеровании.

4.3.1 Определение значимых факторов, влияющих на точность обработки при высокоскоростном торцевом фрезеровании.

4.3.2 Экспериментальное исследование точности обработки.

4.4 Выводы.

ГЛАВА 5. ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОВ ВЫСОКОСКОРОСТНОГО ТОРЦЕВОГО ФРЕЗЕРОВАНИЯ ЗАКАЛЕННОЙ СТАЛИ С УЧЁТОМ ПАРАМЕТРОВ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ДЕТАЛИ.

5.1 Задачи, особенности и физические предпосылки назначения режимов обработки резанием.

5.2 Технологические ограничения для процесса высокоскоростного торцевого фрезерования закалённых сталей.

5.3 Практическая реализация чистового высокоскоростного торцевого фрезерования на производстве.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Обеспечение качества поверхностного слоя деталей при высокоскоростном торцевом фрезеровании закаленных сталей»

При современном уровне развития машиностроения всё большее внимание уделяется качеству и себестоимости продукции. Появление высокоскоростной лезвийной обработки позволило повысить производительность резания в несколько раз. Однако для дальнейшего совершенствования процесса необходимо уделять особое внимание требованиям к качеству выпускаемой продукции. Ведущую роль при этом играет обеспечение заданного качества поверхностного слоя.

С совершенствованием станкостроения и появлением новых инструментальных материалов увеличивалась скорость резания. В настоящее время с успехом применяется новый вид механической обработки -высокоскоростная лезвийная обработка (ВСО). Для неё созданы специальные высокоскоростные станки, оснастка и инструмент. Обработка с высокими скоростями является принципиально новой технологией, для которой характерны свои особенности, такие как низкая сила резания, высокие температуры и т.д. Применение высокоскоростной обработки в ряде случаях позволяет отказаться от использования финишных операций: шлифования, шабрения. Широкое применение ВСО нашла в производстве штампов и пресс-форм. Однако процессы, происходящие при ВСО, ещё не достаточно изучены. Поэтому нахождение производительных и эффективных методов обеспечения качества поверхностного слоя детали при высокоскоростном чистовом торцевом фрезеровании закаленных сталей, позволяющих получить изделия с заданными свойствами поверхностного слоя, является актуальной задачей для механообрабатывающего производства

С развитием техники всё более широкое применение находят материалы, которые трудно обрабатывать по существующим технологиям. Например, закаленные стали высокой твердости обрабатываются шлифованием, что приводит к получению поверхностного слоя с растягивающими остаточными напряжениями и прижогами или на дорогостоящих и сложных в эксплуатации электроэрозионных станках.

Таким образом, существуют различные методы высокоэффективной механообработки, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки. Для обработки деталей штампов и пресс-форм из закаленной стали предпочтительней высокоскоростная лезвийная обработка, так как она обеспечивает формообразование поверхностного слоя деталей с оптимальными величинами остаточных напряжений, шероховатости, микротвердости, структурно-фазового состава и неоднородности свойств и не требует дополнительных оснастки и оборудования.

Исследованию обеспечения качества поверхностного слоя при высокоскоростной обработке посвящены исследования многих отечественных и зарубежных авторов, таких, как Томас Скопесек, Юрий Свобода и Петр Хофманн и др [9, 10, 18]. Качество поверхностного слоя, а также его управление описано исследователями: А. М. Сулима, В. А. Шуловым, А. Ю. Албагичевым, В. А. Моисеевым [28, 31, 32]. Однако получить поверхность с заданными параметрами поверхностного слоя затруднительно, так как отсутствуют методы обеспечения его качества. Имеются методики для расчета отдельных параметров, таких как шероховатость, остаточные напряжения, микротвердость. Однако практически все они выведены для традиционных методов лезвийной обработки и не учитывают весь комплекс свойств, характеризующими состояние поверхности детали. Высокоскоростная лезвийная обработка закаленных сталей с учетом особенностей формообразования в условиях локального термопластического сдвига требует создания собственного технически обоснованного способа обеспечеия качества поверхностного слоя с заданными величинами остаточных напряжений, шероховатости, микротвердости, структурно-фазового состава и неоднородности свойств.

При изготовлении деталей штампов и пресс-форм необходимо получения очень высокого качества их рабочих поверхностей. В настоящее время на финишных операциях изготовления подобных изделий широко применяется абразивная обработка, которая позволяет получить высокую чистоту поверхности, однако приводит к появлению прижогов и поверхностных растягивающих технологических остаточных напряжений, что неблагоприятно сказывается на стойкости продукции. К тому же абразивная обработка существенно удорожает и и увеличивает длину производственного цикла. При ВСО достигается поверхность высокой чистоты с благоприятной картиной распределения технологических остаточных напряжений. Также внедрение ВСО способствует значительному сокращению себестоимости продукции и машинного времени.

Однако при ВСО закаленных сталей с неправильно подобранными режимами имеют место такие недостатки поверхностного слоя деталей, как изменение структуры, появление микротрещин, растягивающие технологические остаточные напряжения, высокая шероховатость, изменение микротвердости [75, 90, 27].

Цель работы. Обеспечение качества поверхностного слоя деталей (оптимальных величин остаточных напряжений, шероховатости, микротвердости, структурно-фазового состава и неоднородности свойств) при высокоскоростном торцевом фрезерования закаленных сталей для повышения производительности и качества получаемых изделий.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- разработана модель образования технологических остаточных напряжений в поверхностном слое детали на основе диаграммы напряжение-деформации, позволяющая находить величину остаточных напряжений от режимов резания и свойств обрабатываемого материала;

- разработаны методика экспериментального исследования остаточных напряжений, шероховатости, микротвердости, структурно-фазового состава и неоднородности свойств поверхностного слоя после ВСО при чистовой обработке закаленных штамповых сталей; эмпирические модели шероховатости и микротвердости, необходимые для определения факторов, влияющих на качество поверхностного слоя деталей;

- получена экспериментально-аналитическая теплофизическая модель процессов высокоскоростного торцевого фрезерования, которая позволяет рассчитать температуру на поверхности детали в зависимости от режимов резания и используется при определении оптимальных режимов ВСО, для которой разработан ряд технологических ограничений по остаточным напряжениям в поверхностном слое, шероховатости поверхности детали, наклёпу, по структурно-фазовому составу поверхностного слоя (температуре нагрева), стойкости инструмента, достигаемой точности обработки, паспортным данным станка.

Практическая ценность и реализация результатов работы. На основании теоретических и экспериментальных исследований обоснована возможность получения поверхностного слоя детали с заданными величинами остаточных напряжений, шероховатости, микротвердости, структурно-фазового состава и неоднородности свойств. Разработаны рекомендации по промышленному использованию обеспечения качества поверхностного слоя деталей при чистовом высокоскоростном торцевом фрезеровании закаленной стали на машиностроительных предприятиях для производства штампов и пресс-форм. Полученные результаты внедрены на ОАО «ОСАННА» (сварные конструкции) и ЗАО НПК «Энергия» (роторы, корпуса, основания датчиков).

Для изучения картины распределения технологических остаточных напряжения в поверхностном слое заготовки была разработана собственная математическая модель. Данная модель была проверена экспериментальными исследованиями, и установлена её адекватность. Предложена оригинальная методика для определения структурно фазового состава поверхностного слоя с использованием компьютерной программы Adobe Photoshop 7.0, позволяющая подсчитывать процентное соотношение фаз. Методика исключает необходимость применения дорогостоящего программного обеспечения и позволяет с высокой степенью достоверности оценивать структурно-фазовый состав. С её помощью возможно проводить расчёт остаточных напряжений, возникающих от действия структурно-фазовых превращений.

Исследованы свойства поверхностного слоя деталей при высокоскоростном торцевом фрезеровании закаленных сталей и определены факторы, влияющие на остаточные напряжения, шероховатость, микротвердость, структуру и неоднородность структуры поверхностного слоя детали. Экспериментальными исследованиями проверена выбранная теоретическая модель шероховатости поверхности и установлена её адекватность реальному процессу ВСО. Для проверке модели образования остаточных напряжений проведены экспериментальные исследования на дифрактометре «Дрон-3.0» и сканирующем вихретоковом преобразователе, которые подтверждают адекватность разработанной модели.

Для изучения тепловых процессов была разработана экспериментально-аналитическая теплофизическая модель процессов высокоскоростного фрезерования, которая позволяет рассчитать температуру на поверхности детали в зависимости от режимов резания. Данная модель позволяет находить остаточные напряжения от действия температурного фактора и получить технологическое ограничение процесса ВСО по достигаемому структурно-фазовому составу поверхностного слоя.

Для формирования технологических ограничений, накладываемых на процесс резания, проведено экспериментальное исследование стойкости инструмента и точности обработки. Получены эмпирическая зависимость точности обработки от режимов резания и обрабатываемого материала, а также технологический критерий стойкости режущего инструмента.

Для решения оптимизационной задачи была создана математическая модель, и разработаны технологические ограничения по остаточным напряжениям в поверхностном слое, шероховатости поверхности детали, наклёпу, по структурно-фазовому составу поверхностного слоя (температуре нагрева), стойкости инструмента, достигаемой точности обработки, паспортным данным станка и др. Оптимизационная задача определения режимов ВСО решалась на ЭВМ.

ВСО сравнивалось по экономическим показателям с традиционными методами механической обработки. Анализ полученных результатов показал, что ВСО имеет значительные преимущества по себестоимости и трудоёмкости обработки.

Работа выполнена на кафедре ТЭМ ТИ СГТУ.

Экспериментальная часть работы выполнена в станочной лаборатории кафедры ТЭМ, лаборатории кафедры «Общая и неорганическая химия» СГУ, в производственном цехе ООО «ОСАННА», на ОАО «Саратовский подшипниковый завод».

Апробация работы. Основные научные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались и на конференциях: Международной научно-технической конференции «Высокие технологии в машиностроении» (Самара, 2002), Всероссийской научно-технической конференции «Теплофизические и технологические аспекты управления качеством в машиностроении» (Тольятти, 2002), Всероссийской научно-технической конференции «Высокие технологии в машиностроении» (Самара, 2005), Международной научно-технической конференции «Автоматизация технологических процессов и производственный контроль» (Тольятти, 2006), Всероссийской научно-технической Интернет-конференции «Высокие технологии в машиностроении» (Самара, 2006). Материалы диссертации обсуждались на кафедре «Технология и оборудование электрофизических и электрохимических методов обработки» ТИ СГТУ в 2006 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ, в том числе одна работа в издании, входящим в перечень ВАК, пять - в сборниках конференций.

Внедрения. Результаты исследований внедрены на 2 предприятия, полученный материал передан на 1 предприятие.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, приложения и списка литературы. Работа содержит 137 страниц машинописного текста, включая 11 таблиц и 57 рисунков.

Заключение диссертации по теме «Технология машиностроения», Кирюшин, Игорь Евгеньевич

4.4. Выводы

Анализируя полученные в данной главе результаты, можно сделать следующие выводы:

1. На величину температуры на обрабатываемой поверхности 0 наибольшее влияние оказывают скорость и глубина резания. С увеличением скорости резания при данной глубине и подачи температура на поверхности падает до минимального значения. Напротив, температура увеличивается с увеличением глубины резания и подачи. Значит, подбирая режимы резания, можно добиться требуемой температуры на обрабатываемой поверхности, что позволяет получить заданную величину технологических остаточных напряжений и не допустить появления структурно-фазовых превращений в детали.

2. Критерием стойкости режущего инструмента принимаем время работы фрезы, обеспечивающее шероховатость обработанной поверхности детали Rz £ 10;. 15 мкм. Критерием стойкости твердосплавной пластины является величина износа по задней поверхности AU = 0,18 0,38 мм. Стойкость твердосплавной пластины составляет при обработке закаленных сталей HRC 58.64 около 14 - 17 минут. Следовательно обработка закаленной стали на исследуемых режимах твердосплавным инструментом является возможной.

3. На точность обработки при высокоскоростном торцевом фрезеровании закаленных сталей наибольшее влияние оказывает состояние оборудования и его точность, а также режимы обработки и температурное влияние. С увеличением скорости резания при данной глубине и подачи отклонения от точности обработки падают до минимального значения. Напротив, отклонения от точности обработки увеличивается с увеличением глубины резания и подачи.

ГЛАВА 5. ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОВ ВЫСОКОСКОРОСТНОГО ТОРЦЕВОГО ФРЕЗЕРОВАНИЯ ЗАКАЛЕННОЙ СТАЛИ С УЧЁТОМ ПАРАМЕТРОВ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ДЕТАЛИ

5.1 Задачи, особенности и физические предпосылки назначения режимов обработки резанием

В современном производстве на процесс резания возложена задача обеспечения требуемой точности размеров детали и с заданными параметрами качества поверхностного слоя.

В.К. Старков [55] предлагает управлять качеством поверхностного слоя детали по величине скрытой энергии деформирования. Скрытая энергия деформирования - это энергия, накопленная обрабатываемым материалом в результате упрочнения. Он рассматривает её как интегральную характеристику напряженно-деформированного состояния поверхностного слоя после обработки резанием. Считается, что минимум скрытой энергии в поверхностном слое обеспечивает повышение коррозионной стойкости и снижает шероховатость обработанной поверхности.

Исследования показали, что величина скрытой энергии следующим образом зависит от режимов резания (сталь 28Х2МЮА): при увеличении скорости резания и главного переднего угла инструмента уровень скрытой энергии уменьшается (влияние переднего угла превалирует), чем выше фаска износа по задней поверхности инструмента, подача и глубина резания, тем выше уровень энергии. Фаска износа оказывает меньшее влияние, чем глубина резания. Для большинства материалов при увеличении скрытой энергии деформирования величина шероховатости поверхности возрастает. Однако при обработке различных материалов имеет место различное влияние одних и тех же технологических параметров на уровень скрытой энергии.

Управляя величиной скрытой энергии изменением режимов резания, можно обеспечить заданное качество поверхностного слоя. В нашем случае, вместо величины скрытой энергии можно управлять качеством поверхностного слоя детали через изменение температуры поверхности детали и сил резания. Для этого нам необходимо найти функциональные связи между параметрами качества поверхностного слоя с одной стороны (определяющие параметры), температурой и силами резания с другой (функциональные параметры). А также найти взаимосвязь между функциональными параметрами и режимами резания (управляющими параметрами).

Управление качеством поверхностного слоя детали при ВСО. Чтобы добиться высоких значений параметров качества поверхностного слоя детали и в то же время получить минимальные себестоимость и время обработки, необходимо искать компромиссное решение по назначению режимов резания. На нахождение этого решения и направлено управление.

Оптимизация - это выбор такого варианта управления процессом резания, при котором достигается экстремальное значение критерия, характеризующего качество управления» [55].

Критерий, определяющий качество управления процессом, называется критерием оптимизации или целевой функцией. А заданная его величина -критерий оптимальности.

Задачу оптимизации В.К. Старков представляет следующей формулой:

Q' = extr {/0(х, со) | хС} (5.1) технологические ограничения имеют вид: g (х, ю) < 0; /(х) < 0; а,- < Xi < Ьь (5.2) где /о(х, со) - критерий оптимизации, зависящей от управляемых х и постоянных ш параметров процесса; D - область допустимых значений х; ai; bj -постоянные.

В нашем случае проводится выборочная оптимизация, т.е. оптимизируются только несколько управляемых параметров обработки: величина технологических остаточных напряжений в поверхностном слое детали, величина шероховатости поверхности и микротвердости, а также производительность.

Для технологического освоения новой продукции необходимо знать режимы обработки, которые позволят получить изделия с необходимым качеством и снизить стоимость обработки. Поэтому в современной практике машиностроения довольно часто используется метод оптимизации режимов резания, основанный на применении линейного программирования (в частности Симплекс-метода). Под оптимальным режимом высокоскоростного торцевого фрезерования понимают режим, при котором достигается необходимые шероховатость, глубина и степень упрочнения, величина и глубина остаточных напряжений, структурно-фазовый состав поверхностного слоя, а наряду с этим и минимальный износ дорогостоящего инструмента и наибольшая производительность. Для реализации данного подхода на процесс ВСО накладываются технические ограничения в виде линейных функций вида: arX]+a2-X2+. + an-Xn+b = 0 (5.3)

К данному виду функций путём логарифмирования можно привести степенные формулы, которыми выражаются обычно режимы резания.

Таким образом, определим понятие оптимального режима для случая высокоскоростного торцевого фрезерования закаленных сталей. Оптимальным процессом будем считать такой, при котором обеспечивается максимальная производительность, но при этом обеспечиваются требуемые параметры качества поверхностного слоя: минимальные шероховатость поверхности, величина и глубина микротвердости (наклёпа), отсутствие структурных превращений, наличие в поверхностном слое сжимающих остаточных напряжений небольшой величины.

5.2. Технологические ограничения для процесса высокоскоростного торцевого фрезерования закалённых сталей

Основой для задания характеристик режимов ВСО является схема процессов образования параметров качества поверхностного слоя детали.

Определим технологические ограничения, накладываемые на процесс высокоскоростного торцевого фрезерования 9ХС. К их числу относятся:

Ограничение 1 - по остаточным напряжениям

В поверхностном слое обработанной детали должно быть поле остаточных напряжений, не способствующее образованию микротрещин и короблению детали после их релаксации. Желательно, чтобы значение остаточных напряжений было в указанном диапазоне и имеющиеся были сжимающими.

В общем виде ограничение имеет вид:

-200 < а (V, S, t) < -100 (5.4) для глубины t = 0,1 мм

Расчет величины остаточных напряжений производим по методике, изложенной в главе 2. е = °тгм + °с-ф + ° нач (6.5)

Ограничение 2 - по величине шероховатости обработанной поверхности

Определим величину параметры резания, которые обеспечивают требуемую шероховатость поверхности обработки. Основными технологическими факторами, которые влияют на формирования шероховатости при ВСО закалённых сталей, являются:

- режимы резания;

- свойства обрабатываемого материала.

Для определения величины Ra воспользуемся зависимостью, полученной в ходе эксперимента, которая связывает все вышеперечисленные факторы:

Rz = 3,55 • Ю-26 x V"'1 x 517'61 x t0'29 x [S'1" J6" (5.6)

Шероховатость поверхности должна соответствовать чистовому шлифованию. Таким образом, Rz = 3,2. .6,3 мкм.

Следовательно, ограничение можно записать в виде:

Rz(V,S,t)<6,3MKM (5.7)

Определим допустимую величину подачи Sz и оборотов п, учитывая Rz = 6,3.

Ограничение 3 - по упрочнению (наклёпу). Общий вид данного ограничения имеет вид:

35 < Н (V, S, t) < 60 (5.8)

Расчётная формула имеет вид:

Н = 1559,5х у-°'т х S0'219 хЛ49 х[б"0'443 J8' (5.9)

Ограничение 4 - по структурно-фазовому составу поверхностного слоя (температуре нагрева)

От действия высоких температур не должно происходить структурных изменений. Поэтому основное ограничение зададим в следующем виде:

0 (V, S, t) < 230°С (5.10)

Температуру в поверхностном слое детали определим по формуле:

0 = 0,004 х Vlil х 57,16 х /°-33 х [S"2'63 Y (5.11)

Ограничение 5 - по скорости резания

Значение чисел оборотов шпинделя п не должно превышать паспортных данных станка: п<п max ч , (6-12) п>п гг

Ограничение 6- по точности обработки

Величина точности обработки не должна быть меньше 0,03 мм, поэтому ограничение зададим в виде:

5.15)

Л£<0,03 (5.13)

Расчётная формула имеет вид:

2Лг = 586,14 х х 50'228 х Л268 (5.14)

Ограничение 7-по подачи

Значение продольной подачи станка не должно выходить за диапазон регламентируемых подач для данного оборудования.

S<S max s>s. mm .

Ограничение 8- по стойкости инструмента

Параметры подачи для режущей пластины не должны выходить за значения, рекомендованные фирмой производителем данного инструмента.

Значения подачи Sz должны находится в диапазоне, рекомендованном производителем. Для 4-х гранных твердосплавных пластин Т15К6 рекомендуются следующие значения подачи: Sz min = 0,05 мм/зуб; Sz max = 0,3 мм/зуб [53].

Следовательно, данное ограничение можно записать в виде:

0,05мм I зуб <Sz< 0,3мм / зуб (5.16)

Целевой функцией для модели оптимизации режимов резания является производительность.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Разработана модель образования технологических остаточных напряжений в поверхностном слое детали на основе диаграммы напряжение-деформации, для которой найдено собственное математическое описание, позволяющая находить величину остаточных напряжений от режимов резания и свойств обрабатываемого материала. На её основе создана программа для ЭВМ.

2. Разработана методика экспериментального исследования остаточных напряжений, шероховатости, микротвердости, структурно-фазового состава и неоднородности свойств поверхностного слоя после ВСО при чистовой обработке закаленных штамповых сталей и проведены исследования; получены эмпирические модели шероховатости и микротвердости, эмпирические модели шероховатости и микротвердости, необходимые для определения факторов, влияющих на качество поверхностного слоя деталей.

3. Разработана экспериментально-аналитическая теплофизическая модель процесса ВСО, позволяющая рассчитать температуру на поверхности детали в зависимости от режимов резания. По этой модели находятся величина и глубина залегания технологических остаточных напряжений. Выведены эмпирические зависимости величины достигаемой точности обработки (отклонения от настроечного размера) от режимов резания; изучена стойкость режущего инструмента, определён критерий стойкости от заданной величины шероховатости. На их основе задаются технологические ограничения при оптимизации.

4. Разработана математическая модель определения оптимальных режимов ВСО, для которой разработан ряд технологических ограничений. Определены оптимальные режимы ВСО, обеспечивающие максимальную производительность процесса, при которых получается поверхностный слой детали с заданными величинами остаточных напряжений, шероховатости, микротвердости, структурно-фазового состава и неоднородности свойств.

5. Проведен сравнительный анализ затрат на механообработку закаленной стали с использованием высокоскоростной обработки и традиционного плоского шлифования (время обработки меньше в 3,5 раза, стоимость - в 4,6 раза). Полученные результаты показывают, что ВСО имеет значительные преимущества по себестоимости и трудоёмкости обработки. Разработаны рекомендации по промышленному использованию обеспечения качества поверхностного слоя деталей при чистовом высокоскоростном торцевом фрезеровании закаленной стали на машиностроительных предприятиях для производства штампов и пресс-форм. 1

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Кирюшин, Игорь Евгеньевич, 2007 год

1. Албагичев А. Ю. Моделирование остаточных напряжений при механической обработке и эксплуатации деталей машин / А. Ю. Албагичев: www.MT-8@%20.ru.

2. Барташев JI.B. Технико-экономические расчеты при проектировании и производстве машин / JI.B. Барташев. М.; «Машиностроение», 1973. С. 384.

3. Безъязычный В. Ф. Расчёт остаточных напряжений в поверхностном слое деталей при механической обработке с учётом структурно-фазовых превращений / В. Ф. Безъязычный, Н. А. Тихомирова // Вестник машиностроения, 1993 № 5-6. С. 37.

4. Белоус М,В. Превращения при отпуске стали / М.В. Белоус, В.Т. Черепанин, М.А. Васильев. М: Металлургия. 1993. С. 231.

5. Бендат Дж. Измерение и анализ случайных процессов / Бендат Дж., Пирсол А. М.: Мир, 1974. С. 203.

6. Бобров В.Ф. Основы теории резания металлов / В.Ф. Бобров. М.: Машиностроение, 1975. С. 344.

7. Бобров В.Ф. Развитие науки о резании металлов./ В.Ф. Бобров, Г.И. Грановский, Н.Н. Зорев и др. М.: Машиностроение, 1986. С. 416.

8. Бородочев НА. Точность производства в машиностроении и приборостроении // Под ред. А.Н. Гаврилова. М.; «Машиностроение», 1973, С. 567.

9. В.А. Рогов. Методика и практика технических экспериментов / В.А. Рогов, Г.Г. Позняк. М.: Издательский центр «Академия», 2005. С. 288.

10. Гамрат-Курек Л.И. Выбор варианта изготовления изделий и коэффициенты затрат / Л.И. Гамрат-Курек, К.Ф. Иванов. М.: Машиностроение, 1975. С. 134.

11. Герасимов В.А. Влияние технологического нагрева на уровень остаточных напряжений и сопрлтивление усталости конструкционных материалов / В.А. Герасимов // Вестник машиностроения, 1990. № 5.

12. Головин Г. Ф. Остаточные напряжения, прочность и деформации при поверхностной закалке токами высокой частоты / Г. Ф. Головин. Л., Машиностроение, 1973. С. 144.

13. ГОСТ 8233-56 Сталь. Эталоны микроструктуры.

14. Горелик С.С. Рентгенографический и электроннооптический анализ/ С.С. Горелик, Л.Н. Расторгуев, Ю.А. Скаков. М.: Металлургия, 1970. С. 245.

15. Грачёв Ю.П. Математические методы планирования эксперимента / Грачёв Ю.П. М: Машиностроение, 1979. С. 278.

16. Губкин С. И. Пластическая деформация металлов / С. И. Губкин. М., 1960.

17. Гуляев А.П. Термическая обработка стали / А.П. Гуляев. М.: Машиностроение, 1979. С. 287.

18. Гусев А. С. Сопротивление усталости и живучесть конструкций при случайных нагрузках / А. С. Гусев. М.: Машиностроение, 1989. С. 248.

19. Дунин-Барковский И. Н. Измерения и анализ шероховатости, волнистости и некруглости поверхности / И. Н. Дунин-Барковский, А. Н. Карташова. М.: Машиностроение, 1978. С. 232.

20. Иващенко А. И. Корреляционный анализ зависимости предела выносливости от уровня остаточных напряжений / А. И. Иващенко //

21. Повышение эффективности использования режущих инструментов при обработке авиационных материалов: Сборник научных трудов/ Куйбышев, авиац. ин-т. им. С. П. Королёва. Куйбышев КуАИ, 1983. С. 17-20.

22. Игнатьев А.А. Мониторинг станков и процессов шлифования в подшипниковом производстве/ А.А. Игнатьев, М.В. Виноградов, В.В. Горбунов, В.А. Добряков, С.А. Игнатьев. Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2004. С. 124.

23. Йех. Я. Термическая обработка стали / Йех. Я. М.: Металлургия, 1979. С. 264.

24. Киселёв Е.С. Ультразвуковая релаксация технологических остаточных напряжений в шлифованных деталях / Е.С. Киселёв, В.Н. Ковальногов, А.А. Яшин // СТИН 2006, №1 С. 18-21.

25. Коршунов В. Я. Расчёт глубины упрочнения и остаточных напряжений при поверхностном пластическом деформировании / В. Я. Коршунов // СТИН 1998. №12.С. 24.

26. Кравцов Б. А. Силы резания, остаточные напряжения и трение при резании металлов / Б. А. Кравцов. Куйбышев, 1962. С. 180.

27. Кривоухов В.А. Качество поверхностного слоя. / В. А. Кривоухов, В. А., А. Д. Чубаров. М., Машиностроение, 1970, С. 180.

28. Леонов Б. Н. Исследование термоконтактных явлений в процессе тонкого точения металлов резцами из твёрдого сплава и эльбора / Б. Н. Леонов. Автореф. дис. канд. Куйбышев, 1973.

29. Лоладзе Т.Н. Прочность и износостойкость режущего инструмента / Лоладзе Т.Н. Машиностроение, 1982. С. 320.

30. Марков Н.Н. Нормирование точности в машиностроении / Н.Н. Марков,

31. B.В. Осипов, М.Б. Шабалина // Под ред. Ю.М. Соломенцева. М.; 2001.1. C. 335.

32. Маталин А. А. Качество поверхности и эксплуатационные свойства деталей машин / А. А. Маталин. М., Машгиз, 1956 С. 225.

33. Маталин А.А. Качество обработанных поверхностей / А.А. Маталин // Доклады Второй Ленинградской конференции. М.-Л. Машгиз, 1954. С. 123.

34. Микулик Н.А. Решение технических задач по теории вероятностей и математической статистике / Н.А. Микулик, Г.Н. Рейзина // Справ, пособие. Мн.: Выш. Шк., 1991. С. 164.

35. Моисеев В. А. Математическое моделирование влияния временного фактора резания на шероховатость обработанной поверхности / В. А. Моисеев// Известия ВУЗов. Машиностроение. 1993. № 6.

36. Насад Т.Г. Высокоскоростная лезвийная обработка труднообрабатываемых материалов с дополнительными потоками энергии в зоне резания / Т.Г. Насад, А.А. Игнатьев. Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2002. С. 112.

37. Насад Т.Г. Лезвийная обработка сталей с фрикционным подогревом резания / Т.Г. Насад, Г.А. Козлов // СТИН. 2000. №12. С. 27 29.

38. Нитцше К. Испытания металлов / К. Нитцше. М.: Металлургия, 1967. С. 460.

39. Новик Ф.С., Арсов Я.Б. Оптимизация процессов технологии металлов методами планирования экспериментов / Ф.С. Новик, Я.Б. Арсов. М., Машиностроение; София; Техника, 1980. С. 304.

40. Новые инструменты от Sandvik Coromant. Дополнение к основным каталогам. CoroPak 2005.1. wwvv.coromant.sandvik.com.ru.

41. Петров М.Н. Эффективная работа: Photoshop CS / М.Н. Петров. СПб.: Питер, 2004. С. 845.

42. Подзей А. В. Технологические остаточные напряжения / А. В. Подзей, Г. 3. Серебренников. М.: Машиностроение, 1973. С. 213.

43. Подураев В. Н. Резание труднообрабатываемых материалов / В. Н. Подураев. М.: Высш. школа, 1974.

44. Резников А.Н. Обработка металлов резанием с плазменным подогревом / А.Н. Резников, М.А. Шатерин, B.C. Кунин. М.: Машиностроение, 1986. С. 232.

45. Резников А.Н. Тепловые процессы в технологических системах / А.Н. Резников, JI.A. Резников. М.: Машиностроение, 1990. С. 288.

46. Резников А.Н. Теплофизика процессов механической обработки материалов / А.Н. Резников М.: Машиностроение, 1981, С. 279.

47. Силин С. С. Исследование термомеханических явлений при резании металлов методами теории подобия / С. С. Силин // Автореф. дис. док. М., 1970.

48. Силин С. С. Применение метода подобия для определения обрабатываемости резанием современных материалов / С. С. Силин // Новые методы определения обрабатываемости материалов резанием и шлифованием. Ярославль, 1957. С. 214.

49. Скопесек Т. Тепло резания при высокоскоростном фрезеровании твёрдых материалов / Т. Скопесек, Ю. Свобода, П. Хофманн. www.gy20.H-20.com.

50. Справочник технолога машиностроителя. В двух томах. Изд. 3, переработанное. Том 2. / Под ред. А.Н. Малова. М.: Машиностроение, 1972.

51. Справочник технолога-машиностроителя / Под ред. А.Г. Косиловой, Р.К. Мещерякова: В 2 т. М.: Машиностроение, 1986. Т. 2.

52. Солнцев Ю. П. Материаловедение / Ю. П. Солнцев, Е. И. Пряхин // Изд. 3-е перераб. И доп.-СПб.: ХИМИЗДАТ, 2004. С. 736.

53. Старков В.К. Управление стабильностью и качеством в автоматизированном производстве / В.К. Старков. М.: 1989, С. 296.

54. Стомберк Ф. Вопрос на 15 миллиардов долларов / Ф. Стомберк // Metal working World, 2004. №1. С.Ю.

55. Строшков А. Н. Обработка резанием труднообрабатываемых материалов с нагревом / А.Н. Строшков, Ш.Л. Теслер, С.П. Шабашов, Д.С. Элинсон. М.: Машиностроение, 1977. С. 140.

56. Сулима А. М. Качество поверхностного слоя и усталостная прочность деталей из жаропрочных и титановых сплавов / А. М. Сулима, М. И. Евстигнеев. М.: Машиностроение, 1974, С. 256.

57. Сулима А. М. Поверхностный слой и эксплуатационные свойства деталей машин / А. М. Сулима, А. Шулов, Ю. Д. М.: Машиностроение, 1988. С. 240.

58. Суслов А.Г. Обеспечение качества обработанных поверхностей с использованием самообучающей технологической системы / А.Г. Суслов, Д.И. Петрешин // СТИН. 2006. №1 С. 21-24.

59. Трент Е.М. Резание металлов / Е.М. Трент. М.: Машиностроение, 1980. С. 263.

60. Фиргер И.В. Термическая обработка сплавов / И.В. Фиргер. Л.: Машиностроение, 1982. С. 267.

61. Филимонов Л. Н. Особенности стружкообразования в условиях локального термопластического сдвига при высокоскоростном резании / Л. Н. Филимонов, Л. Н. Петрашина // Вестник машиностроения. 1993. -№ 5-6. - С. 23-25.

62. Форстен И.С. Режущие инструменты, оснащенные сверхтвердыми и керамическими материалами, и их применение / И.С. Форстена. М.: Машиностроение, 1987. С. 320.

63. Хусу А.П. Шероховатость поверхности (теоретико вероятностный подход) / А.П. Хусу, Ю.Р. Виттенберг, В.А. Пальмов. М.: Наука, 1975. С. 217.

64. Шепеляковский К. 3. Упрочнение деталей машин поверхностной закалка при индукционном нагреве / К. 3. Шепеляковский. М.: Машиностроение, 1972, С. 288.

65. Якобсон М. О. Шероховатость, наклёп и остаточные напряжения при механической обработке / М. О. Якобсон. М.; Машгиз, 1956, С. 292.

66. Ящерицын П.И. Теория резания. Физические и тепловые процессы в технологических системах / П.И. Ящерицын, М.Л. Еременко, Е.Э. Фельдштейн. Минск.: Вышейная школа, 1990, С. 512.

67. BENNING I. 0. CONTRIBUTED PAPERS. NON-DESTRUCTIVE DETERMINATION OF LOAD AND RESIDUAL STRESSES BY THE X-RAY STRESS METHOD /1. O. // The Rigaku Journal Vol. 6/ No. 2 / 1989. Dept. of Machinery, Fachhochschule Bochum.

68. Berka L. ON THE ANALYSIS OF RESIDUAL STRESSES BY RING CUTTING METHOD / L. Berka // Canadian Machinery and Metalworking, May, 2004, p. 16 -19. e-mail:[e-mail].

69. Dong-hui Wen. Modelling and calculation of forces of cutting at virtual processing / Wen Dong-hui, Lui Xian-li, Wang Min-jie Dalian Univ. Technol. 2003.43, №1. p. 65-69.

70. El-Wardany T.I. Surface Integrity of Die Material in High Speed Hard Machining / T.I. El-Wardany, H.A. Kishawy, M.A. Elbestawi. Part 1: Micrographical Analysis. Jornal of Manufacturing Science and Engineering, 2000, №4.-620-631.

71. Herbert S. HSC Franswerkzeuge arbeitssicherheits technisch qualizieren./ Schults Herbert, Becker Harmut // Werkstatt und Betr, 1996. - 129, N5. - C. 340-342.

72. HSC Frasen im Werkzeug und Formenbau/ Dtsch. Maschinenwelt. - 1994/ -N8.-c. 14-15.

73. Johnson D. Cutting tools and their materials in high speed machining / D. Johnson, http://www.mmsonline.com/articles/hsmgp/casel.html.

74. Kronenberg M. Gedanken zur Theoric und Praxis der Ultra-Shnel-Izerspannung / M. Kronenberg // Tech. Zbl. prakt. Metallbeard.- 1961.- Bd. 55.- №8. -S. 443-446.

75. McGrath P.J. A Novel 8-Element Gauge for Residual Stress Assessment Using the High Speed Centre Hole Drilling Method / P.J. McGrath, D.G. Hattingh, M.N. James, I.N. Wedderburn. E-mail: wangy@,oml.gov.

76. Measurement of Residual Stresses by the Hole-Drilling Strain Gage Method. [e-mail].

77. Mitsubishi carbide, [e-mail].

78. Numerical support for Residual Stress Measurement by the Hole Drilling Method. M. Svantner. University of West Bohemia, New Technologies-Research Centre 306 14 Plze, Czech Republic. e-mail:[e-mail].

79. Paul S. X-RAY DIFFRACTION RESIDUAL STRESS TECHNIQUES / Paul S. // Lambda Research Metals Handbook, 10, Metals Park, OH: American Society for Metals, 1986, pp. 380-392.

80. Schindler H.-J. Surface Integrity of die Material in High Speed Hard Machining / Hans-Jakob Schindler and Peter Bertschinger // Swiss Federal Labotratories for Materials Testing and Research Dubendorf. E-mail: hansjakob.schindler @empa.ch.

81. Schulz H. Aspect in Cutting Mechanism in High Speed Cutting / H. Schulz, G. Spur // Annals of CIPR. 1989. V. 38. № 1. P. 51 54.

82. Steinzig M. VERIFICATION OF A TECHNIQUE FOR HOLOGRAPHIC RESIDUAL STRESS MEASUREMENT / Michael Steinzig, Gregory J. Hayman, Michael B. Prime. HYTEC Incorporated, 110 Eastgate, Los Alamos, NM 87544.

83. Wang X.-L. Influence of residual stress on thermal expansion behavior / X.-L. Wang, С. M. Hoffmann, С. H. Hsueh, G. Sarma, C. R. Hubbard, and J. R. Keiser // APPLIED PHYSICS LETTERS VOLUME 75, NUMBER 21-22

84. NOVEMBER 1999. Oak Ridge National Laboratory, Oak Ridge, Tennessee 37831-6064.

85. Warnecke G. Динамика высокоскоростной обработки / G. Warnecke. www.hsctools.com.

86. Withers P. J. Material Science and Technology / P. J. Withers, H.K.D.H. Bhadeshia. April 2001, Vol. 17, p. 365.94. www.diiet.com.ru.

87. YOSHIOKA Y. VANCE IN STRESS ANALYSIS TAKING ACCOUNT OF STRESS GRADIENT / Yasuo YOSHIOKA, Koichi AKITA and Hiroshi SUZUKI. Musashi Institute of Technology, Tokyo Metropolitan University.

88. Дополнительный список источников

89. Кирюшин И.Е. Исследование влияния технологических остаточных напряжений на надёжность конструкций / И.Е. Кирюшин, С.Н. Салиенко, Т.Г. Насад // Автоматизация и управление в машино- и приборостроении: сб. науч. тр. / СГТУ. Саратов, 2005. С. 109 111.

90. Кирюшин И.Е. Методы исследования технологических остаточных напряжений / И.Е. Кирюшин, Т.Г. Насад // Автоматизация и управление в машино- и приборостроении: сб. науч. тр. / СГТУ. Саратов, 2005. С. 102 104.

91. Кирюшин И.Е. Инструментальные материалы, применяемые при высокоскоростном фрезеровании закаленных сталей / И.Е. Кирюшин // Автоматизация и управление в машино- и приборостроении: сб. науч. тр. / СГТУ. Саратов, 2006. С. 98 100.

92. Кирюшин И.Е. Исследование микротвердости поверхностного слоя при высокоскоростном торцевом фрезеровании закаленных сталей / И.Е. Кирюшин

93. Автоматизация и управление в машино- и приборостроении: сб. науч. тр. / СГТУ. Саратов, 2007. С. 112 114.