Повышение качества обработки отверстий в алюминиевых сплавах на основе применения режущего инструмента с покрытием тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.08, кандидат технических наук Черкасова, Наталья Юрьевна

• Черкасова, Наталья Юрьевна
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Черкасова, Наталья Юрьевна

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ. ПОСТАНОВКА ЦЕЛИ И ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ.

1.1. Определение заусенца и его характерные геометрические параметры.

1.2. Анализ процесса заусенцеобразования при резании материалов.

1.2.1. Общий механизм заусенцеобразования.

1.2.2. Особенности механизма заусенцеобразования при сверлении.

1.2.3. Общая классификация заусенцев при резании.

1.2.4. Классификация заусенцев при сверлении.

1.3. Факторы, влияющие на размеры заусенца, и методы их минимизации.

1.3.1. Свойства обрабатываемого материала.

1.3.2. Геометрия заготовки.

1.3.3. Геометрия режущего инструмента и траектория движения режущих кромок.

1.3.4. Режимы резания.

1.3.5. Степень износа инструмента и наростообразование.

1.3.6. Использование СОЖ.

1.4. Анализ данных литературного обзора. Постановка цели и задач исследований.

2. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ.

2.1. Методика испытаний резанием.

2.1.1. Заготовка, обрабатываемый материал.

2.1.2. Режущий инструмент.

2.1.3. Станки и приспособления.

2.1.4. Режимы резания.

2.2. Методика измерений.

2.3. Методика вакуумно-плазменной поверхностной обработки инструмента. ^

2.4. Методика моделирования процесса образования ^ заусенца.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ИЗНОСОСТОЙКИХ ПОКРЫТИЙ НА СВЕРЛАХ НА КАЧЕСТВО ОТВЕРСТИЙ.

3.1. Определение силы стружкообразования при постоянном коэффициенте трения. ^

3.2. Экспериментальные исследования влияния покрытий на твердосплавных сверлах на размеры заусенцев при обработке алюминия.

4. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ДЛЯ РАСЧЕТА РАССТОЯНИЯ ДО КРОМКИ ДЕТАЛИ, НА КОТОРОМ НАЧИНАЕТСЯ ОБРАЗОВАНИЕ ЗАУСЕНЦА.

4.1. Разработка расчетной формулы для определения объема заусенца из условия равенства работ образования стружки и заусенца.

4.2. Построение математической модели для описания процесса образования заусенца при сверлении силуминов.

5. АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ПОКРЫТИЙ НА ТВЕРДОСПЛАВНЫХ СВЕРЛАХ НА РАЗМЕРЫ ЗАУСЕНЦЕВ ПРИ ОБРАБОТКЕ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ С ПОМОЩЬЮ МЕТОДА КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение качества обработки отверстий в алюминиевых сплавах на основе применения режущего инструмента с покрытием»

В современном машиностроении одной из самых трудоемких операций является обработка отверстий повышенной точности размера, формы и расположения. Трудности при обработке точных отверстий обусловлены пониженной жесткостью инструмента, сложностью подвода СОЖ в зону резания и удаления оттуда пульпы. Указанные обстоятельства приводят к необходимости снижения режимов резания и введению в технологический процесс дополнительных операций.

При сверлении образуются характерные нарушения точности обработанной поверхности, для предотвращения появления и минимизации которых разработаны различные методики. Однако основное внимание уделяется обработке наиболее ответственных поверхностей, а такие вспомогательные операции, как зачистка кромок, удаление заусенцев, часто упускаются из виду.

Непредсказуемо возникающие дефекты на кромках деталей могут травмировать рабочих, помешать сборке изделия и измерениям (при наличии заусенцев на поверхности, являющейся технологической или измерительной базой), препятствовать выполнению последующих операций изготовления, а также затруднить последующее функционирование готового изделия. Наибольшее количество проблем заусенцы создают, образуясь на труднодоступных кромках и поверхностях деталей, например, на внутренних кромках пересекающихся отверстий для прохождения смазочных сред.

Существует два подхода к решению проблемы образования заусенцев. Первый подход - это минимизация размеров образующихся заусенцев с 'целью снижения затрат на последующее их удаление и достижения требуемой точности детали. Второй подход - это удаление заусенцев с поверхностей деталей механическим способом (срезание, машинная очистка щетками, шлифование песком и другими абразивными частицами, очистка вибрацией, термическая и электрохимическая очистка, снятие заусенцев при помощи лазера [21, 26, 41, 48]). Стоимость очистки прецизионной детали например, детали авиационного двигателя) достигает 30% от общих затрат на ее производство [53]. Кроме того, существуют ограничения по геометрии обрабатываемой поверхности и материалам, достигаемой точности и качеству поверхности, величине партии одновременно обрабатываемых заготовок, экологический аспект.

Используются и различные способы минимизации появления дефектов на кромках деталей: разработка специальных конструкций заготовок, изменение геометрии режущих инструментов, предварительное упрочнение выходной поверхности заготовки, применение специальной траектории движения режущего инструмента и его вибрации и др. Однако все эти методы имеют свои ограничения и недостатки.

Различные виды обработки оставляют заусенцы различной формы и размеров, затрудняя автоматизацию процесса обработки. На размеры и местоположение заусенцев влияет множество факторов, варьирование которых в часто ограничено: свойства обрабатываемого материала, режимы резания и траектория движения режущего инструмента, геометрия режущего инструмента.

Теоретические и практические исследования процессов обработки .резанием сосредотачивались в основном на периоде установившегося резания, при котором не учитывалось влияние кромки заготовки на зону резания, как это происходит на выходе инструмента из заготовки, когда образуются заусенцы. Анализ процесса заусенцеобразования с целью нахождения оптимального способа минимизации размеров образующегося заусенца, является актуальной задачей.

Перспективным, но и наименее исследованным методом уменьшения размеров образующихся на кромках деталей дефектов является применение износостойких антифрикционных покрытий на режущих инструментах для .обработки отверстий.

Настоящая работа является продолжением ряда исследований, выполненных на кафедре «Высокоэффективные технологии обработки» и

Центре физико-технических исследований в Московском государственном технологическом университете «СТАНКИН».

Цель работы:

Повышение качества обработки отверстий в алюминиевых сплавах на основе применения режущего инструмента с вакуумно-плазменными покрытиями, сочетающими высокую износостойкость с низким коэффициентом трения.

Научная новизна работы заключается:

- в установлении влияния износостойких покрытий на режущем инструменте на качество обработанной поверхности, а именно на высоту, объем, площадь основания заусенцев на кромках деталей;

- в установлении закономерностей изменения напряжений в зоне деформаций для различных покрытий на режущем инструменте при выходе инструмента из заготовки;

- в установлении зависимостей температур в зоне деформаций от покрытия на режущем инструменте при выходе инструмента из заготовки;

- в разработке математической зависимости для определения расстояния до выходной кромки заготовки, на котором начинается образование заусенца, в зависимости от сил резания, крутящего момента, угла трения, геометрии инструмента при сверлении силуминов.

Практическая ценность работы состоит:

- в повышении качества отверстий в корпусе головки цилиндра двигателя внутреннего сгорания Я4ЕА111 при нанесении вакуумно-плазменных покрытий на режущий инструмент в результате снижения средней высоты заусенца и его объема в 2-4 раза и в уменьшении площади его основания в 1,5-3 раза в зависимости от свойств покрытия и режима резания;

- в рекомендациях по выбору составов покрытий для твердосплавных сверл, обеспечивающих минимальную интенсивность изнашивания и оптимальное качество обработанной поверхности при обработке алюминиевых сплавов.

Результаты работы были доложены на заседаниях кафедры Высокоэффективные технологии обработки МГТУ «СТАНКИН», на I th

Международной научной конференции «8 CIRP International Workshop on Modeling of Machining» в Кемнитце (Германия), на 4-ой Всероссийской юбилейной научно-практической конференции «Ресурсосберегающие технологии в машиностроении - 2004» в г. Бийске, «Производство. Технология. Экология - 2004» в Москве.

По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ.

Автор выражает благодарность научному руководителю работы зав. кафедрой «Высокоэффективные технологии обработки» профессору, д.т.н. С.Н. Григорьеву, а также преподавателям и сотрудникам кафедры «Высокоэффективные технологии обработки» за помощь, оказанную при выполнении работы.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Черкасова, Наталья Юрьевна, 2005 год

1. Артоболевский И.И. Механизмы в современной технике. Т.1. Рычажные механизмы. - М.:Наука, 1970. - 608 с.

2. Атрошенко А.П., Зиновьев И.С., Костин Л.Г. и др.; Под ред. Е.И. Семенова. Ковка и штамповка: Справочник: В 4 т. М.: Машиностроение, 1986. Т. 2., 592 с.

3. Бобров В.Ф. Основы теории резания металлов. М.: Машиностроение, 1975.-344 с.

4. Васин С.А., Верещака A.C., Кушнер B.C. Резание материалов: Термомеханический подход к системе взаимосвязей при резании: Учеб. Для техн. Вузов. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001. - 448 е.: ил.

5. Власов В.И. Стохастическая динамическая модель резания / Сборник докладов научно-методической конференции «Проблемы интеграции и науки». М.: СТАНКИН, 1990 г., 37 с.

6. Воронов С.А. Оптимизация процессов вибрационного сверления. Диссертация на соискание ученой степени к.т.н. 1986. 209.

7. Гаврилов Ю.В. Математическое моделирование процессов резания и режущего инструмента: Конспект лекций. -Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 1998. -78с.

8. Гиссин В.И. Исследование технологического процесса развертывания отверстий плавающими инструментами: Диссертация на соискание степени к.т.н. Ростов-на-Дону, РИСМ, 1977. 189 с.

9. Ковка и объемная штамповка стали: Справочник: В 2 т. Под ред. М.В. Сторожева. М.: Машиностроение, 1968. Т. 1., 448 с.

10. Лакирев С.Г. Обработка отверстий: Справочник. М.: Машиностроение, 1984. - 208 с.

11. Лоладзе Т.Н. Прочность и износостойкость режущего инструмента: М.: Машиностроение, 1982.

12. Мертенс К.К. Исследование деформаций и усилий на конечный момент горячей облойной штамповки на прессах: Автореферат на соискание степени канд. техн. наук: Л., 1967. 16 с.

13. Решетов Л.Н. Самоустанавливающиеся механизмы: Справочник. -М.Машиностроение, 1985.-272 с.

14. Романовский В.П. Справочник по холодной штамповке. Л.: Машиностроение, 1965. - 788 с.

15. Уткин Н.Ф., Кижняев Ю.И., Плужников С.К. и др.; под общ. ред. Н.Ф. Уткина. Обработка глубоких отверстий — Л.: Машиностроение. 1988. -269 с.

16. Шапошников Д.Е. Изготовление поковок на горячештамповочных прессах. М.: Машгиз, 1962. 179 с.

17. Arndt М., Kacsich Т. Performance of new AlTiN coatings in dry and high speed cutting. Surface and Coatings Technology 163-164 (2003) 674-680.

18. Balasubramaniam R., Krishnan J., Ramakrishnan N. Investigation of AJM for deburring. Journal of Materials Processing Technology, Jul 1998, Volume 79, Issues 1-3, pages 52-58.

19. Beier H.-M. Burr formation an approach by. means of reshaping technology, FHTW Berlin, 2002, pp. 1 -11.

20. Bellido-Gonzalaz V., Jones A. H. S., Hampshire J., Allen T.J., Witts J., Teer D.G., Ma K.J., Upton D. Tribological behavior of high performance Mo2Scoatings produced by magnetron sputtering. Surface and Coatings Technology 97 (1997), Pages 687-693.

21. Chu C.-H. A Framework for Burr Minimization in a CAD/CAM Integrated Environment. Laboratory for manufacturing automation. University of California, Berkley. Research reports 1999-2000, pp. 15-19.

22. Dornfeld D., Min S., Kim J., Hewson J., Chu C.-H., Tyler P. Bun-Prevention and Minimization for the Aerospace Industry. Laboratory for manufacturing automation. University of California, Berkley. Research reports, 1999, pp. 4-9.

23. Flores G. FHTE Sonderverfahren der Fertigungstechnik EK5/P05 7 Mechanisches Entgraten ECM-Entgraten - TEM-Entgraten, Maschinenfabrik Gehring GmbH & Co. Pages 1-9.

24. Gillespie L. K., "The formation and properties of machining burrs," M.S. Thesis, Utah State University, Logan, UT, 1973.

25. Guo Y., Dornfeld D.A., "Finite Element Analysis of Drilling Burr Minimization with a Backup Material," Trans, of NAMRI/SME, vol. 26, 1998, pp. 207-212.

26. Hashimura M., Chang Y. P., Dornfeld D. Analysis of Burr Formation Mechanism in Orthogonal Cutting. Journal of Manufacturing Science and Engineering. Vol. 121, February 1999, pp. 1-7.

27. Kim J. Control Chart of Drilling Exit Burr in Stainless Steel. Laboratory for manufacturing automation. University of California, Berkley. Research reports, 1998.

28. Kim J., Dörnfeld D. A. Development of an Analytical Model for Drilling Burr Formation in Ductile Materials. Journal of Materials Processing Technology. Volume 124, April 2002, pp. 192-198.

29. Ko S.-L., Chang J.-E., Yang G.-E. Burr minimization scheme in drilling. Journal of Materials Processing Technology, Vol. 140 (2003), pp. 237-242.

30. Ko S.-L., Dornfeld D.A. Burr formation and fracture in oblique cutting. Journal of Materials Processing Technology 62 (1996) 24-36.

31. König W., Servet W. Grate vermeiden bei der Bohr- und Fraesbearbeitung von Guss- und Stahlwerkstoffen. Oelhydraulik und Pneumatik Band 39 (1995)5. Seite 405-409.

32. Lee K. Optimization and Quality Control in Burr Formation using Design of Experiment (II): Drilling of Intersecting Holes. Laboratory for manufacturing automation. University of California, Berkley. Research reports 2000-2001, pp. 48-53.

33. Lee S.H., Dornfeld D.A. Precision Laser Deburring. Journal of Manufacturing Science and Engineering. Vol. 123 (2001), pp. 601-608.

34. Leopold J., Neugebauer R., Hänle P., Schwenck M. Influence of Coating-Substrate-Systems on Chip- and Burr Formation in Precision Manufacturing. 7th International Conference on Deburring and Surface Finishing, June 7-9, 2004, Berkley-USA.

35. Lin T.-R. Experimental study of burr formation and tool chipping in face milling of stainless steel. Journal of Materials Processing Technology, Vol. 108 (2000), pp. 12-20.

36. Link R. Gratbildung und Strategien zur Gratbildung. Dissertation, RWTH Aachen, 1992.

37. Min S., Dornfeld D.A. Control Chart of Drilling Exit Burr in Low Carbon Steel (AISI4118). Laboratory for manufacturing automation. University of California, Berkley. Research reports, 1998, pp. 27-30.

38. Min S., Dornfeld D.A., Nakao Y. Influence of Exit Surface Angle on Drilling Burr Formation. Journal of Manufacturing Science and Engineering. November 2003, Vol. 125, pp. 637-644.

39. Moriwaki T., Shamoto E. Ultrasonic elliptical vibration cutting. Annals of the CIRP, Vol. 44/1/1995, pp. 31- 34.

40. Mory T., Hirota K., Kawashima Y. Clarification of magnetic abrasive finishing mechanism. Journal of Materials Processing Technology, Vol. 143-144(2003), pages 682-686.

41. Paldey S., Deevi S.C.: Single Layer and Multilayer Wear Resistant Coatings of (Ti,AI)N: a Review, Materials Science and Engineering, Eisevier B.V., New York, NY, A342 (2003), p.58-79.

42. Rech J., Kusiak A., Battaglia J. L. Tribological and thermal functions of cutting tool coatings. Surface and Coatings Technology. Vol. 186, Issues 3, 1 September 2004, Pages 364-371.

43. Schäfer F. Untersuchungen zur Gratbildung und zum Entgraten insbesondere beim Umfangsstirnfrösen. Dissertation, TH Stuttgart, 1976.

44. Sofronas A. The Formation and Control of Drilling Burrs, Ph. D. dissertation, The University of Detroit. 1975.