Ультразвуковая механическая обработка жаропрочных сплавов твёрдосплавным инструментом тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.03.01, кандидат технических наук Робакидзе, Зураби Юриевич

• Робакидзе, Зураби Юриевич
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Робакидзе, Зураби Юриевич

Введение

1. Анализ процессов упругопластических деформаций в зоне стружкообразования при резании металлов

1.2 Основные особенности упругопластических деформаций при резании металлов.

1.3 Неустойчивость, термодинамические свойства и принципы неоднородности пластической деформации при резании металлов.

1.4 Механизм импульсного (вибрационного) резания. Цели и задачи исследований.

2. Приспособления, используемые при реализации процессов силового ультразвукового точения

1.1. Основные особенности упругопластических деформаций при резании металлов \ q

2.1 Особенности процесса резания.

2.2 Конструирование преобразователя.

2.3 Приспособления для обработки резанием с применением ультразвуковых тангенциальных колебаний.

2.4 Расчет приспособления на максимальный прогиб и определение жесткости приспособления.

2.5 Приспособления для получения корней стружек.

3. Влияние режимов резания на частоту неизотермической неустойчивости процессов упругопластических деформаций в зоне стружкообразова-ния при обработке жаропрочных сплавов.

3.1 Зависимость частоты неизотермической неустойчивости в зоне стружкообразования от подачи.

3.2 Реализация устойчивых процессов резания титановых и никелевых сплавов. Технологические методы недопустимости развития эффектов неизотермической неустойчивости в зоне стружкообразования (механизм импульсного - вибрационного резания).

1. 4. Стойкостные исследования при силовой ультразвуковой механической обработке никелевых и титановых сплавов

4.1 Основные аспекты создания устойчивых процессов.

4.2 Влияние износа на процесс резания.

4.3 Явления износа и различие в его протекание. (ВК8)

4.4 Влияние вибрационного резания на процесс износа.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Ультразвуковая механическая обработка жаропрочных сплавов твёрдосплавным инструментом»

Во всех отраслях промышленности, связанных с обработкой металла, повышение производительности и снижение себестоимости в значительной мере определяется повышением эффективности самого процесса механической обработки, в частности процесса резания металлов.

Благодаря многочисленным исследованиям процессы резания металлов непрерывно совершенствовались. В итоге начали считать, что повышением скоростей резания можно улучшить эффективность процесса и скоростное резание признавалось перспективным процессом.

Сейчас можно утверждать, что скоростное резание практически достигло предела своих возможностей и здесь начинаются проявляться некоторые тенденции застоя. Последнее связано с тем, что увеличение скоростей резания приводит к неустойчивости процесса обработки, которая резко понижает точность и качество обработанной поверхности, стойкость инструмента. Причем существует два принципиально различных механизма потери устойчивости: в одном случае механизм потери устойчивости определяется жесткостью системы МПИД (машина, приспособление, инструмент, деталь), во втором принципиально не зависит от жесткости МПИД.

Именно второе обстоятельство сдерживает прогресс в развитии скоростных методов механической обработки.

В связи с этим целесообразно детально рассмотреть механизмы неустойчивости при резании металлов и, переосмыслив имеющиеся факты, предложить кардинальные технологические решения по совершенствованию технологии резания.

В настоящее время доказано [53]:

При определенных технологических режимах вне зависимости от жесткости системы МПИД процесс резания металлов становится неустойчивым.

Известен ряд видов неустойчивости процессов стружкообразования при резании: неустойчивость при образовании «элементных» и «сегментных» стружек.

Установлено, что возникновение неустойчивости приводит к негативным эффектам в процессе обработки: снижается точность и качество обработанной поверхности, стойкость инструмента. Ситуация особенно усложняется, если частота неустойчивости совпадает с одной из собственных частот системы МПИД, что может приводить к резонансным явлениям и развитию автоколебаний. Все вышеуказанное свидетельствует о чрезвычайной важности изучения неустойчивых процессов при резании металлов и методов их устранения.

Фундаментальными исследованиями В.А. Кудинова [31] доказано, что неустойчивость при резании металлов, не связанная с жесткостью системы МПИД, определяется процессами упругопластической деформации в зоне стружкообразования и контактной зоне.

Экспериментальные исследования показывают [23], что основным результатом возникновения неустойчивости при резании металлов является процесс сегментного стружкообразования. Причем источником возникновения неустойчивости, следует считать неустойчивость пластической деформации в зоне стружкообразования.

Принципиальной особенностью пластической деформации в зоне стружкообразования при образовании сегментной стружки являются высокие скорости деформации, В этом случае в результате диссипации механической энергии существенно возрастает температура и могут быть созданы условия для развития неустойчивости пластической деформации, то есть когда в каком-нибудь месте материала последующее приращение деформационно-скоростного упрочнения аннулируется деформационным разупрочнением.

Очевидно, последнее возможно при высоких скоростях деформирования, когда при определенных технологических режимах за счет диссипации энергии пластической деформации в зоне стружкообразования могут создаваться условия для накопления тепла в ограниченном объеме материала, которое не успевает отводиться за счет теплопроводности. В этом случае процесс деформации имеет адиабатический характер. Интенсивность температурного разупрочнения становится выше интенсивности деформационноскоростного упрочнения, что приводит к локализации деформации в тех областях, где впервые уменьшается сопротивление течению.

Такой механизм неустойчивости пластической деформации принято называть неизотермическим[23].

Общепринято, что с увеличением скорости резания возрастает скорость деформации в зоне стружкообразования. Таким образом, можно увеличивая скорость резания, найти такую, выше которой начнут проявляться эффекты неизотермической неустойчивости. Очевидно, ниже критической скорости резания пластическая деформация в зоне стружкообразования будет однородна и, следовательно, устойчива.

При скоростях резания выше критической, происходит переход от сливного стружкообразования к сегментному, что приводит к увеличению износа инструмента, снижению точности и качества обрабатываемой поверхности. В итоге попытка увеличения производительности резания за счет увеличения скорости наталкивается на довольно серьезные трудности.

В связи с этим одной из важнейших проблем при резании металлов становится создание технологических методов, которые позволили бы увеличить критическую скорость образования сегментных стружек, обеспечивая сливное стружкообразование при больших скоростях резания, тем самым значительно увеличив эффективность обработки.

В решении этой проблемы наиболее успешными были работы Т.Н.Лоладзе[36], направленные на создание процессов резания с предварительным подогревом заготовки до определенных оптимальных температур.

Положительная роль предварительного подогрева легко объяснима: так как в этом случае происходит уменьшение сопротивления пластической деформации, так в результате процесс сегментного стружкообразования не реализуется, но реальное применение этого способа довольно ограничено, так как подобные процессы достаточно сложно реализовать в производственных условиях.

Значительно более перспективным является использование "вибрационного" резания, когда на инструмент накладываются периодические тангенциальные колебания.

Для развития неизотермической неустойчивости в зоне стружкообразо-вания необходимо некоторое время U (время индукции процесса), очевидно, о ~ l/t* определяет частоту неизотермической неустойчивости в зоне стружкообразования в зависимости от технологических режимов и физико-механических свойств обрабатываемого материала. Если создать такие технологические процессы резания, при которых инструмент будет контактировать с обрабатываемым материалом время меньшее величины t*, то возможно устранение развития неизотермической неустойчивости в зоне стружкообразования. В этом случае процесс стружкообразования станет устойчив, что приведет к сливному стружкообразованию и как следствие повышению качества обработанной поверхности и стойкости инструмента.

Такие процессы были реализованы А.А.Козловым[23] при вибрационном ультразвуковом резании, т.е. при наложении тангенциальных колебаний с частотой f\ на инструмент.

А.А.Козлов [23] доказал, что если f\ будет больше частоты неизотермической неустойчивости /*, то возможно не допустить развития нежелательного локализованного сдвига в зоне стружкообразования, который приведет к неустойчивому процессу резания, в результате процесс резания станет устойчивым и следовательно будет развиваться с образованием сливной стружки. Таким образом, можно вполне осознанно (используя конкретные расчеты) добиться создания таких условий, при которых время контакта tK (или иначе — время резания) будет меньше времени t* развития локализованного адиабатического сдвига.

Причём экспериментально, на примере чистового точения, доказано, что стойкость инструмента в этом случае существенно увеличивается.[23]

Отмечено [23], что данный процесс наиболее эффективен при обработке жаропрочных сплавов, так как скорость сегментного стружкообразования для этих материалов незначительна и находится в диапазоне скоростей, определяемых условиями реализации импульсных ультразвуковых процессов резания.

Вышеуказанное позволяет утверждать, что разработка высокопроизводительных технологических процессов ультразвуковой механической обработки жаропрочных сплавов является чрезвычайно актуальной научно технической проблемой

В связи с этим целью данного исследования являлось: Детальное изучение влияния основных технологических параметров процесса ультразвукового резания жаропрочных сплавов на производительность обработки и стойкость режущего инструмента при силовом резани.

Разработка и создание системы ультразвуковых преобразователей, резцедержателей, охлаждения инструмента эффективных при силовом резани в современных производственных условиях.

Актуальность работы подтверждена ее выполнением в рамках Государственного контракта с Федеральным космическим агентством от 18.04.2003 №753-Т366/03, а также в рамках программы Министерства образования и науки РФ «Производственные технологии».

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы. Для удобства изложения постановка задачи исследований и литературный обзор дается в каждой главе.

Заключение диссертации по теме «Технологии и оборудование механической и физико-технической обработки», Робакидзе, Зураби Юриевич

Выводы

1. Экспериментально доказано, что частота неизотермической неустойчивости в зоне стружкообразования зависит от подачи. С увеличением подачи частота неизотермической неустойчивости уменьшается.

2. Экспериментально доказано, что частота тангенциальных ультразвуковых колебаний, накладываемых на инструмент при силовом точении жаропрочных сплавов, позволяет увеличить стойкость инструмента в два- три раза при /1=22кГц, а при ff= ЗОкГц стойкость инструмента увеличивается в четыре-пять раз.

3. Спроектирован, изготовлен и исследован новый комплекс ультразвукового оборудования для силового точения жаропрочных сплавов: разработана технология ультразвукового силового точения, выбрана и экспериментально подтверждена оптимальная конструкция крепления инструмента повышенной жесткости; определены оптимальные характеристики требуемых ультразвуковых генераторов и преобразователей; установлена необходимость использования УЗК малых амплитуд резцов (oi<2,5mkm) и найдены технические решения поддержания такой амплитуды; разработана экспериментальная оптическая установка для измерения малых амплитуд колебания и ее градуировка; разработана эффективная система охлаждения пьезокерамиче-ского преобразователя с поддержанием рабочей температуры 25-35°С при подаваемой от генератора акустической мощности 0,60,8кВт при частоте ЗОкГц; выявлена необходимость повышения жесткости резцедержателя при силовом ультразвуковом точении; разработано эффективное приспособление для получения корней стружек при точении с УЗК.

4. Установлена зависимость производительности процесса обработки от частоты колебаний: повышение частот колебаний инструмента при заданной амплитуде колебаний (а\<2,5 мкм) с частоты 22кГц до ЗОкГц приводит к увеличению стойкости твердосплавного инструмента в 2-2,5 раза.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Робакидзе, Зураби Юриевич, 2006 год

1. Абраимов Н. В. Авиационное материаловедение и технологии обработки материалов : учеб. пособ. для авиационных вузов / Н. В. Абраимов, Ю. С. Елисеев, В. В. Крышов ; под ред. Н. В. Абраимова. -М.: Высшая школа, 1998. 444 с.

2. Алыниц В.И. Динамика дислокаций / В. И. Алынин, В. JI. Инденбом // Проблемы современной кристаллографии. — М. : Наука, 1976. — С. 218-238.

3. Алыниц В.И. Динамическое торможение дислокаций / В. И. Аль-шин, В. JL Инденбом // Успехи физических наук. 1975. Т.115.- № 1,—С. 3-39.

4. Беляев Н. М. Сопротивление материалов / Н. М. Беляев. Изд. 15, перераб. - М.: Наука, 1976. — 608 с.

5. Беспахотный П. Д. Некоторые вопросы механики резания труднообрабатываемых материалов / П. Д. Беспахотный // Известия вузов. Машиностроение. 1967. - № 2.

6. Бобров В. Ф. О распределении удельных нормальных сил и сил трения на передней поверхности инструмента / В. Ф. Бобров // Обработка металлов резанием и давлением. — М. : Машиностроение, 1965.

7. Бобров В.Ф. Основы теории резания металлов / В. Ф. Бобров. — М. : Машиностроение, 1975. — 343 с.

8. Бобров В.Ф. Особенности образования суставчатой и элементной стружки при высокой скорости резания / В. Ф. Бобров, А. И. Си-дельников // Вестник машиностроения 1978. - №7. — С. 61-66.

9. Бэкофен В. Процессы деформации :пер. с англ. / В. Бэкофен—М. : Металлургия, 1977. — 287 е.

10. Васильев Д. Т. Силы на режущих поверхностях инструмента / Д. Т. Васильев // Станки и инструмент. 1968. - №12.

11. Волчков В.М. О механизме пластический деформации при высокоскоростном ударном нагружении / В. М. Волчков, 3. М. Гелунова, П. О. Пашков // Физика и химия обработки материалов. 1967. - № 4.— С. 101.

12. Волчков В.М. Реализация теоретической прочности в металлах при прохождении плоских ударных волн / В. М. Волчков, П. О. Пашков // Физика и химия обработки материалов. 1968. - №1. - С. 135.

13. Жуков А. М. Анализ факторов, влияющих на площадь соприкосновения стружки с передней гранью инструмента и на среднее удельное нормальное давление / А. М. Жуков // Вестник машиностроения.-1953,- №9.

14. Жуховицкий А. А. Об одном случае реализации теоретической прочности / А. А. Жуховицкий, М. А. Кришталл // ДАН СССР. -1963.- Т. 149,- № 1

15. Зорев Н. Н. Вопросы механики процесса резания металлов / Н. Н. Зорев.— М.: Машгиз,1956. 367 с.

16. Зорев Н. Н. О взаимозависимости процессов контакта передней поверхности инструмента / Н. Н. Зорев // Вестник машиностроения. -1963. -№1.- С. 42-50.

17. Зорев Н. Н. Обработка резанием тугоплавких сплавов / Н. Н. Зорев, 3. М. Фетисова. М.: Машиностроение, 1966. - 224 с.

18. Исаев А. И. Процесс образования поверхностного слоя при обработке металлов резанием / А. И. Исаев. М.: Машгиз, 1960. - 358 с.

19. Клушин М. И. О физических основах сверхскоростного резания металлов / М. И. Клушин // Труды Горысовского политехнического института им. А.А. Жданова. Т. 7, вып. 1. Горький, 1961. - С. 1522.

20. Клушин М.И. Резание металлов / М. И. Клушин. М. : Машгиз, 1958.-453 с.

21. Козлов А. А. Интенсификация процессов резания на основе анализа эффектов неизотермической неустойчивости упругопластической деформации в зоне стружкообразования и контактных явлений : докторская диссертация, Москва, 1997.

22. Козлов А.А. Экспериментальное исследование процессов неизотермической неустойчивости стружкообразование при резании металлов / А. А.Козлов, А. И.Курченко, 3. Ю. Робакидзе // Вестник машиностроения. 2001. - №3. - С. 44-45.

23. Козлов А. А. Реализация устойчивых технологических процессов при механической обработке титановых сплавов / А. А. Козлов, 3.

24. Ю. Робакидзе, Ю. В. Вологин // Резание и инструмент в технологических системах : международный научно технический сборник. Т.З. // Харьков, 2002. - С. 85 - 87.

25. Комник С. Н. О природе релаксации напряжений в деформированных кристаллах / С. Н. Комник, В. 3. Бенгуз // ДАН СССР. 1966. -№4. - С. 829-832.

26. Кудинов В. А. Динамика станков / В. А. Кудинова. М. : Машгиз, 1958.-453 с.

27. Кузнецов В. Д. Физика твердого тела / В. Д. Кузнецов. Томск : Из-во Красное знамя, 1944.

28. Кумабэ Д. Вибрационное резание : пер. с японск / Д. Кумабэ. М. : Машиностроение, 1985. - С. 423.

29. Лоладзе Т. Н. Износ режущего инструмента / Т. Н. Лоладзе. М. : Машгиз, 1958. - 355 с.

30. Лоладзе Т. Н. Прочность и изностойкость режущего инструмента / Т. Н. Лоладзе. М. : Машиностроение, 1982. - 319 с.

31. Лоладзе Т. Н. Стружкообразование при резании металлов / Т. Н. Лоладзе . М.: Машгиз, 1952.

32. Марков А. И. Ультразвуковая обработка материалов / А. И. Марков.- М.: Машинострение, 1980. 236 с.

33. Марков А. И. Ультразвуковое резание труднообрабатываемых материалов / А. И. Марков. М. : Машиностроение, 1968. - 367 с.

34. Миркин Л. И. Физические основы прочности и пластичности / Л. И. Миркин. М.: Из-во МГУ, 1968. - 539 е.

35. Надаи А. Пластичность и разрушение твердых тел / А. Надаи. М. : ИЛ, 1954. - 864 с.

36. Остафьев В. А. Физические основы процесса резания металла / В. А. Остафьев. Киев : Изд-во Киевского государственного университета, 1976. - 136 с.

37. Пашков П. О. Пластичность и разрушение металлов / П. О. Пашков.- Л.: Судпромгиз, 1960.

38. Петруха П. Г. Технология обработки конструкционных / П. Г. Пет-руха. М.: Высшая школа, 1992. - 512 с.

39. Подураев В .Н. Обработка резанием с вибрациями / В. Н. Подураев. -М.: Машиностроение, 1970. 350 с.

40. Развитие науки о резании металлов. М. : Машиностроение, 1970. -413 с.

41. Резников А. Н. Теплофизика резания / А. Н. Резников. М. : Машиностроение, 1969. -287 с.

42. Рехт Р. Ф. Разрушающий термопластический сдвиг : пер. с англ, / Р. Ф. Рехт // Прикладная механика : труды американского обществаинженеров-механиков. Т. 31, сер. Е, № 2. М. : Мир, 1964. - С. 3439.

43. Седов J1 .И. Механика сплошной среды. Т. 1. / J1. И. Седов. М. : Наука, 1973.- 536 с.

44. Силин С. С. Метод подобия при резании металлов / С. С. Силин. -М.: Машиностроение, 1979. 152 с.

45. Старков В. К. Дислокационные представления о резании металлов / В. К. Старков. М. : Машиностроение, 1979. - 160 с.

46. Столин А. М. Неизотермическая неустойчивость течения вязкоуп-ругих сред / А. М. Столин, С. И. Худяев // ДАН СССР. 1972. - Т. 207, №1.

47. Таблицы физических величин : справочник / под ред. Кикоина И. К. М.: Атомиздат, 1976. - 1005 с.

48. Талантов Н. В. Исследование контактных процессов, тепловых явлений и износ инструмента : докторская диссертация / Н. В. Талантов. Казань, 1970. - 455 с.

49. Талантов Н. В. Физические основы процесса резания, изнашивания и разрушения инструмента / Н. В. Талантов. М.: Машиностроение, 1992.-240 с.

50. Талантов Н. В. Влияние скорости на контактные процессы и основные характеристики процесса резания / Н. В. Талантов, Н. В. Черемушников // Известия вузов. Машиностроение. 1981. - № 3. - С. 11-115.

51. Талантов Н. В. Влияние скорости на закономерности процесса резания и износа инструментов / Н. В. Талантов, Н. В. Черемушников, А. И. Курченко // Технология машиностроения и автоматизации производственных процессов : сборник. Волгоград, 1978. - С. 2949.

52. Френкель Я .И. К теории пластической деформации и двойникова-ния / Я. И. Фрнекель, Т. А. Конторова // Журнал экспериментальной и теоретической физики. 1938. - С. 1349-1359.

53. Cowan G.R.// Trans. Met. Soc. AIME, v. 253, 1965.— P. 1120.

54. Komanduri R., Flom D.G., Lee M. Highlights of the DARPA advanced machining research program. High Speed Machining// The Winter ANNUAL Meeting of the ASME.—USA, Lousiana, 1984, pp. 15-36.

55. Flom D.G. Agvanced Machining Research Program (AMRP)// Final Technical Report/ Air Force Contract No. F33615-79-C-5119, GE Report No. 83-SRP-040, October, 15, 1983.

56. Flom D.G., Komanduri R., Lee M. High-Speed Machining of Metals// Ann. Rev. Mater. Sci., 1984.—PP. 231-278.

57. Toenshoff H.K., Winkler H., Patzhe M. Chip Formation at High-cutting Speeds// High Speed Machining// The Winter ANNUAL Meeting of the ASME—USA, Lousiana, 1984/—PP. 95-100.