Способ динамической стабильности процесса тонкой лезвийной обработки за счет анизотропных свойств режущего инструмента

Наряду с этим существуют резцы, сложной конструкции, в качестве воброгасящего эффекта используется изменяемый центр масс [6]. В технологической подсистеме «станок» используются изменения в конструкции самого станка. К таким возможным способам можно отнести и изменение крепления резца в резцедержателе. Путем уменьшения времени возврата упругих опор в исходное положение после снятия с резцедержателя пиковых перегрузок в условиях точения при переменных усилиях резания, тем самым обеспечивается и виброустойчивость всего механизма

Стабильность процесса резания также достигается путем сообщения резцу противофазных колебаний в сравнении с колебаниями, измеряемыми в процессе резания [7].

Кроме этого, для обеспечения динамической стабильности существуют схемы включающие изменение шпиндельных узлов, в которых между подшипниками устанавливают упругий элемент [7].

Для обеспечения динамической стабильности процесса резания в технологической подсистеме «заготовка» всё большее применение находит метод предварительного локального физического воздействия на обрабатываемую поверхность заготовки путём нанесения высоко или низкотемпературного, а также деформационного воздействий [9].

2.5 Выводы и постановка задачи в работе

Проанализировав вышеизложенные данные можно сделать следующие выводы:

1. Для разработки виброустойчивого инструмента для тонкой лезвийной обработки нужно использовать теорию возникновения автоколебаний, воспользовавшись концепцией запаздывающих сил, предложенной М.Е.Эльясбергом в 1955 году [24].

2. Все приведенные методы и способы для обеспечения динамической стабильности процесса резания имеют конструкции эффективные для определенных диапазонов резания и получения определенных результатов. Но для тонкой лезвийной обработки эти методы недостаточно эффективны: шероховатость полученной поверхности не имеет расчетных значений, точность поверхности требует дополнительных затрат, физические свойства поверхностного слоя заготовки не отвечают запроектированным требованиям. Также данные конструкционные решения сложны в изготовлении и дороги. А некоторые модели резцов не работают в условиях тонкой лезвийной обработки на больших скоростях.

В результате вышеизложенного материала можно определить цели и задачи дальнейших исследований.

Целью работы является разработка научно-обоснованного способа повышения эффективности тонкой лезвийной обработки за счет динамической стабильности, используя анизотропные свойства режущего инструмента.

Для достижения поставленной цели требуется решить следующие задачи:

1. Исследования анизотропных свойств материала режущего инструмента.

2. Разработать и обосновать выбор конструкции режущего инструмента с анизотропными свойствами на основе исследований и расчетов.

3. Разработать динамическую модель технологической системы при тонкой лезвийной обработке.

4. Выполнить комплекс экспериментальных исследований с целью подтверждения полученных теоретических исследований.

3. Способ динамической стабильности процесса тонкой лезвийной обработки в автомобильном производстве

3.1 Способ обеспечения динамической стабильности процесса тонкой лезвийной обработки за счёт анизотропных свойств режущего инструмента

Повышение эффективности процесса резания, особенно при обработке коррозионно-стойких и жаропрочных сталей и сплавов, в современном автомобильном производстве обусловливает необходимость широкого использования высокопроизводительного оборудования, позволяющего автоматизировать процессы механической обработки [33]. Успешное решение задач управления процессами механической обработки в автоматизированных производствах возможно лишь на основе формирования новых подходов к изучению и использованию явлений, сопровождающих процесс резания металлов.

Теоретические и экспериментальные исследования, проведенные в последние годы в области механической обработки металлов резанием, основанные на дислокационном представлении структуры материала, позволили глубже понять многие физические явления в их взаимосвязи, что существенно способствовало совершенствованию технологии обработки металлов. С точки зрения рациональной организации процесса резания при обработке сталей наиболее желательно иметь сливную стружку, поскольку она является показателем динамической устойчивости технологической системы, обеспечивает высокое качество обработанной поверхности и гарантированное время службы инструмента. В реальных условиях обработки заготовок это соответствует узкому диапазону состояния технологической системы в процессе резания, что не всегда соответствует требованиям по производительности к применяемым режимам резания и параметрам стойкости инструмента. Появление возмущения в упругой системе приводит к изменению состояния деформированной зоны и к соответствующему изменению сил резания. Это изменение не может распространяться мгновенно на всю зону, что вызывает запаздывание в изменении сил резания. Наличие запаздывающих сил, возбуждающих замкнутую технологическую систему, может вызывать автоколебания в процессе резания. Потеря устойчивости процесса резания и возникновение автоколебаний вызывают повышение интенсивности изнашивания режущего инструмента и снижение долговечности исполнительных механизмов станка. Наличие вибраций обусловливает ухудшение качества поверхностного слоя изделия и точности обработки, что, в конечном итоге приводит к снижению производительности обработки и ограничению технологических возможностей оборудования [24].

При лезвийной обработке отклонение реального микропрофиля от расчетного, детермированного, происходит в результате вторичных пластических деформаций. В зоне контакта инструмента и обрабатываемой поверхности, упругого восстановления поверхностного слоя и появления вибраций при резании.

Одним из способов динамической стабильности технологической системы является создание многослойных державок, в которых применяют разориентацию структуры металла (рис.3.12). Предлагаемую державку режущего инструмента изготавливают из пакета собранных между собой по плоскостям, параллельным опорной поверхности державки, пластин, вырезанных из листового проката с продольной 1, поперечной 2 и вертикальной 3, 4 ориентировкой их плоскости относительно направления их прокатки и собранных в пакет с углом разориентировки текстуры [34].

Для достижения наибольшего демпфирующего эффекта разориентация текстуры деформации в двух соседних пластинах должна быть максимальна. Тогда колебательная волна при переходе границы раздела меняет своё направление, в результате чего происходит рассеяние энергии колебаний. При малой величине разориентации текстуры деформации диссипация энергии незначительна. Поэтому в предлагаемом техническом решении пластины державки ориентируют таким образом, чтобы при переходе от одной пластины к другой текстура деформации изменялась на 90 10⁰ относительно действия на державку основной - тангенциальной составляющей силы резания (рис. 3.12).

Рис.3.12. Способ изготовления пластин державки

Под действием силы резания в верхних слоях державки возникают преимущественно максимальные растягивающие напряжения у_р, а в нижних, опорных, сжимающие напряжения у_сж. Поэтому для стабилизации прочности различных зон и увеличения прочности и надёжности всей державки необходимы дополнительные условия по ориентации текстуры деформации в пластинах сборной державки относительно сил резания. Известно, что максимальное сопротивление растягивающим напряжениям прокатанный металл оказывает в продольном направлении, а минимальное - в вертикальном направлении относительно направления прокатки. Максимальным сопротивлением сжимающим напряжениям, наоборот, прокатанный металл обладает в вертикальном направлении, а минимальным - в продольном. Сопротивление металла в поперечном направлении и растягивающим, и сжимающим напряжениям имеет промежуточные значения. Направления прокатки в опорной пластине 1 ориентировано параллельно тангенциальной составляющей силы резания. В верхней пластине 2 направление прокатки ориентированно параллельно радиальной составляющей силы резания, а плоскость прокатки располагается перпендикулярно тангенциальной составляющей силы резания. Направление прокатки в средней пластине 3 параллельно действию осевой составляющей силы резания (рис. 3.13).

Рис. 3.13. Многослойная державка

Опробование режущего инструмента, державка которого, изготовлена по предлагаемому способу, проводилась на станке мод. 16Б16Т1 на операции точения закреплённой в центрах заготовки из стали 40Х с твёрдостью HRC 50. Заготовка имела размеры ? 60х320мм. В качестве режущего инструмента использовали два резца с одинаковым сечением 25х18 мм, длиной 150 мм, изготовленные из стали 40Х с твёрдостью HRC 63. В качестве режущего материала использовали режущую керамику марки ВОК- 63 формы 2010-0162. Испытания инструмента проводили на режимах резания х=120м/мин, s=0,15 мм/об, t= 1,0мм. При установке преобразователя на оси Х на предлагаемой державке в процессе обработки получена амплитуда колебаний в 1,7…2,0 раза меньше, чем на державке, изготовленной по известному способу. При этом износ задней поверхности режущей пластины при периоде стойкости Т= 60 мин в 1,6…1,8 раз меньше, шероховатость обработанной поверхности по параметру R_а в 1,7…1,9 раз ниже. Логарифмический декремент собственных затухающих колебаний державки по оси Х, закреплённой в инструментальном магазине, в 2,5…3,0 раза выше по сравнению с типовыми конструкциями инструмента.

Как видно из сравнительных испытаний, изготовление державок режущих инструментов по предлагаемому способу позволяет в процессе обработки заготовок обеспечить более эффективное динамическое гашение колебаний, чем известные, так как повышается коэффициент поглощения и демпфирования колебаний за счёт большой диссипативной силы сопротивления материала державки с ориентированной в разных направлениях текстурой деформации металла.

3.2 Анализ способа изготовления державки режущего инструмента на основе анизотропных свойств металла

Механическая обработка резанием является наиболее распространённым видом формообразования деталей из соответствующих заготовок. На основе деталей комплектуются сборочные единицы, узлы машины в целом. Поэтому требования к качеству производимых машин соответствующим образом отображается в показателях качества каждой обработанной детали [1].

Применительно к механической обработке резанием устанавливаются требования относительно точности исполнения размеров и формы изделия, микрогеометрии обрабатываемой поверхности, вида и уровня остаточных напряжений. Решение этих задач связано с необходимостью выбора режимов механической обработки изделий с учетом динамических свойств технологической системы.

Определяющее влияние на качество процесса обработки в металлорежущем станке оказывают динамические свойства технологической системы, состоящей из подсистем «станок - приспособление - инструмент - деталь». Динамические свойства каждой из подсистем определяет совокупное свойство всей технологической системы в процессе обработки. На стадии тонкой лезвийной обработки наиболее слабым звеном является подсистема «заготовка-инструмент». Поэтому в данной работе для обеспечения динамической стабильности процесса резания в подсистеме «заготовка-инструмент» была рассмотрена одна из доминирующих парциальных систем - система «инструмент». Для обеспечения динамической стабильности в системе «инструмент» были использованы анизотропные свойства металлов для изготовления державки резца [34].

Анизотропия является следствием упорядоченности в расположении структурных элементов и их ориентации. Слово анизотропия происходит от греческих: «анизос» - неравный и «тропос» - направление и означает неодинаковость свойств материала в различных структурных направлениях. Значительной анизотропией отличаются кристаллы, поэтому большие успехи в изучении физических свойств анизотропных тел накопились в кристаллофизике. Широко применяемое в кристаллофизике учение о симметрии открывает новые возможности и для исследования анизотропии механических свойств металлов [3].

Анизотропия механических свойств стали, как правило, является следствием преимущественной ориентировки кристаллов после пластического деформирования (волочения, прокатки или другой обработки давлением) [4].

При прокатке листового металла его свойства двух направлениях - параллельном и перпендикулярном направлению проката - существенно различаются [3, 4]. На рис.1 представлены диаграммы растяжения и сжатия продольных и поперечных образцов стали 40Х после закалки и отпуска. Из этих диаграмм следует, что при сжатии в процессе всего нагружения и при растяжения почти до предела прочности анизотропия практически не проявляется, в тоже время по характеристикам разрушения при растяжении продольные поперечные образцы имеют существенную разницу.

Для выбора составных элементов державки резца можно воспользоваться тензометрическим способом. Тензометрией называется экспериментальное изучение деформации непосредственно на деталях машин и конструкций, имеющее своей целью исследование напряженного состояния. К тензометрии прибегают обычно тогда, когда теоретическое определение напряжений невозможно или когда необходимо проверить степень соответствия теоретических формул действительности.

По результатам тензометрии на изотропных материалах выч

Исчисляются главные напряжения, действующие в опасных точках. В случае если исследуется прочность деталей из анизотропного материала, вычисление главных напряжений не является необходимым. Проверка прочности при плоском напряженном состоянии требует определения напряжений, действующих по площадкам симметрии материала. Если направление осей симметрии материала заранее известно, то задача эта существенно упрощается.

Определение истинного расположения осей симметрии ортотропного (неоднородного по составу) материала в детали может быть осуществлено различными способами. Иногда оно с большой точностью задается технологией изготовления. Например, в прокатных металлических листах направление проката довольно точно определяет положение одной из осей симметрии всех механических свойств металла.

Истинное направление преимущественной ориентации металла, а, следовательно, и расположение осей упругой симметрии при ортогональной укладке волокон может быть найдено при помощи ультразвука. Для этого на готовую деталь наносится окружность произвольного радиуса (рис.3.15.). Через две диаметрально противоположные точки 1 и 2 пропускается ультразвуковая волна.

Время, за которое волна проходит расстояние между отмеченными точками, фиксируется прибором, и по известному расстоянию между точками, равному диаметру нанесенной окружности, определяется скорость прохождения ультразвуковой волны. Быстрее всего волна пробегает вдоль оси наибольшей жесткости материала, совпадающей с направлением преимущественной ориентации волокон. Поэтому, измеряя скорость волны в нескольких направлениях, можно легко определить ось наибольшей жесткости, т. е. ось упругой симметрии материала.

Наибольшее распространение при изучении напряженного состояния в деталях из анизотропных материалов нашли проволочные датчики (тензорезисторы). Для определения напряжений применяются розетки, состоящие из трех датчиков. Два датчика розетки наклеиваются по направлениям осей симметрии материала, а третий -- под углом 45° к первым двум [5].

Особенности тензометрического определения напряжений, действующих в деталях из анизотропных материалов, могут служить примером практического применения в решении вопросов виброустойчивости режущего инструмента.

3.3 Результаты и выводы по главе

Проанализировав вышеизложенные данные можно сделать следующие выводы;

1. Энергия, рассеиваемая за цикл, зависит от длительного цикла; при этом, чем больше частота процесса, тем большей оказывается и площадь петли гистерезиса. Многочисленными прямыми и косвенными экспериментами установлено, что у реальных материалов эта связь отсутствует для весьма широкой области значений амплитуд напряжений (исключая весьма малые) и частот (исключая сверх высокие).

2. При лезвийной обработке отклонение реального микропрофиля от расчетного, детермированного, происходит в результате вторичных пластических деформаций.

3. Одним из способов динамической стабильности технологической системы является создание многослойных державок, в которых применяют разориентацию структуры металла.

4. Анизотропия механических свойств стали, как правило, является следствием преимущественной ориентировки кристаллов после пластического деформирования (волочения, прокатки или другой обработки давлением).

В результате вышеизложенного материала можно определить цели и задачи дальнейших исследований:

1. Исследовать пластины державки в поперечном и продольном исполнении на степень анизотропии.

2. Исследовать режущий инструмент с анизотропными свойствами державки.

3. Получить данные о наиболее благоприятных режимах обработки инструментом с анизотропными свойствами.

4. Исследование режущего инструмента с анизотропными свойствами державки

4.1 Анизотропия характеристик прочности по экспериментальным данным

Анизотропия металла, обработанного давлением, известна очень давно [36,37]. Анизотропия чистых металлов и твердых растворов объясняется тем, что при пластическом деформировании кристаллиты принимают форму вытянутых в длину дисков, а их кристаллографические оси становятся параллельными друг другу, что создает ориентированную структуру (текстуру).

Характер анизотропии может быть различным в зависимости от структуры металла. Для прокатных меди и алюминия характерно минимальное значение предела прочности на разрыв под углом 45° к направлению проката. Для латуни величина предела прочности уменьшается постепенно от направления проката, достигая минимума в поперечном направлении. Для цинка прочность в поперечном направлении больше, чем в направлении проката (рис. 4.1).

Наиболее удобным методом испытания для проверки степени анизотропии металла служит растяжение. Не только предел прочности, но и предел упругости и текучести, а также характеристики пластичности при растяжении обнаруживают анизотропию. При этом степень анизотропии различна для разных характеристик и может быть различной при растяжении и сжатии. В табл. 5 приведены характеристики прочности алюминиево-магниевого сплава при растяжении и сжатии [23]. Почти все характеристики прочности этого сплава в направлении проката при растяжении ниже, а при сжатии выше, чем в перпендикулярном направлении.

Характеристики прочности алюминиево-магниевого сплава при растяжении и сжатии см. (Табл. 5).

Таблица 5 Характеристики прочности алюминиево-магниевого сплава при растяжении и сжатии

Характеристика прочности, кГ/мм2	Растяжение	Сжатие
	Угол направления проката, град.
	0	45	90	0	45	90
Предел упругости у 0,02	8,5	5,3	9,4	10,4	6,3	7,1
Предел текучести у 0,2	14,0	11,7	18,1	20,3	10,8	11,8
Предел прочности у в	16,0	18,5	23,0	39,8	35,2	41,6

Рис. 4.1. Полярная диаграмма предела прочности у в при растяжении катаных листов цветных металлов, построенная по данным работы [21 ]:

1-- цинк; 2 -- чистая медь; 3 -- латунь

Рис. 4.2. Анизотропия характеристик прочности алюминиево-магниевого сплава при растяжении (сплошные кривые) и при сжатии (штриховые кривые):

1 и 2 -- предел упругости у 0,02; 3 и 4 - предел текучести у 0,2; 5 и 6 -- предел прочности у в

По данным табл. 5 и по формуле построены кривые (рис. 4.2), показывающие, что характер анизотропии этого сплава при растяжении и при сжатии совершенно различен.

Неметаллические включения, имеющиеся в большинстве прокатных металлов, усиливают анизотропию, а по мнению некоторых авторов, является ее основной причиной [36]. При обработке давлением неметаллические включения вытягиваются и располагаются в листовом прокате в виде тонких пленок, образуя так называемую строчечную структуру. По характеру анизотропии такой металл близок к слоистым материалам со слабыми прослойками. Его разрушение часто идет по плоскости, параллельной плоскости листа, т. е. по «строчке».

Для строчечной структуры характерно, что пределы прочности в направлении «волокон» металла всегда наибольшие, а в поперечных направлениях -- наименьшие.

В работе [37] приведены результаты исследования анизотропии

холоднокатаной стали строчечной структуры при различных степенях наклепа. Целью этого исследования было изучение причины появления «ушей» (фестонов), приводящих к браку при изготовлении патронных стаканов из катаной стали посредством глубокой вытяжки. Появление ушей связано с тем, что металл в одних направлениях вытягивается легче, а в других - труднее, что характеризуется анизотропией пластических свойств. Это явление замечено в листах меди, сплава меди с никелем, латуни и стали.



Рис. 4.3. Полярные диаграммы изменения предела прочности ув и предела текучести у0,2 магниевого сплава в зависимости от направления вырезки образцов: а-- в плоскости прессования; б -- в плоскости, перпендикулярной пластин и направлению прессования; в -- в плоскости, перпендикулярной пластин и параллельной направлению прессования; кривые построены по формуле (49):

Ои *-- средние результаты испытаний.

Радван считает основной причиной анизотропии, особенно при большой степени наклепа (более 70%), не текстуру, а волокнистое строение металла, при котором на границах зерен выделяется цементит и неметаллические включения, образующие как бы пленку, разделяющую волокна. При наклепе свыше 70% такая волокнистая или строчечная структура приводит к тому, что разрушение образцов, растягиваемых под углом более 45° к направлению проката металла, происходит по площадкам, параллельным волокнам, что характерно главным образом для таких сильно анизотропных волокнистых материалов как древесина.

При очень большой степени наклепа (85%) предел прочности в направлении, перпендикулярном прокатке (б=90°), заметно падает. Относительное сужение при этом тоже падает. Материал проявляет склонность к хрупкому разрушению, что характерно для всех слоистых материалов при растяжении в направлении, перпендикулярном слоям.

Еще более значительна анизотропия ударной вязкости стального проката при строчечной структуре, обусловленной неметаллическими включениями. По данным работы [37] величина ударной вязкости поперечных образцов конструкционной стали составляет всего 27,9% от величины ударной вязкости продольных образцов.

Так, по данным работы [36] величина а_н для образцов, параллельных ширине прессованной полосы алюминиевого сплава, получается в два раза, а для образцов, параллельных толщине, почти в четыре раза ниже, чем а_н для образцов, параллельных длине. Еще более значительна анизотропия ударной вязкости стального проката при строчечной структуре, обусловленной неметаллическими включениями. По данным работы [37] величина ударной вязкости поперечных образцов конструкционной стали составляет всего 27,9% от величины ударной вязкости продольных образцов.

Рис. 4.4. Зависимость прочности прокатной стали от угла б° наклона усилия к направлению проката (по данным Е. Гувер):

1, 2 -- разрывное усилие Р для сталей партий I и II; 3 -- работа разрыва А для стали партии I

На рис. 4.4. представлены кривые, построенные по данным Е. Гувер . Как видно из этого рисунка, анизотропия ударной вязкости (кривая 3) более значительна, чем анизотропия разрывного усилия (кривые 1 и 2). Прокатная сталь испытывалась Е. Гувер в различных по отношению к прокату направлениях.

Часть полос стали (партия I) была прокатана только в продольном направлении, причем длина прокатанных полос в 210 раз превышала длину отливок. Остальные полосы стали (партия II) были получены прокаткой сперва в продольном направлении (длина плиты была в 13 раз больше длины отливки), а потом в перпендикулярном (длина плиты увеличилась в 19 раз). При этом на поверхности полос не было обнаружено никаких повреждений или дефектов. Анизотропия прочности стали партии II невелика и составляет по величине временного сопротивления на стандартных образцах уо /у90 1,1.

Испытания анизотропной стальной полосы проводились Е. Гувер на образцах в форме пластинок с глубоким надрезом и сверлением в конце надреза. Эти образцы испытывались при различных углах наклона разрывного усилия к направлению проката полосы, причем надрез всегда оставался перпендикулярным разрывному усилию. Были испытаны два вида материала: сталь партии I подвергалась до испытаний предварительному прокату в одном направлении, а сталь партии II отличалась от стали партии I только тем, что была прокатана в двух взаимно перпендикулярных направлениях.

Ординаты кривых 1, 2 и 3 (рис. 4.4) подсчитаны по формуле . Между данными расчета и опыта получилось довольно близкое соответствие. По-видимому, вследствие незначительной анизотропии упругих свойств прокатной стали, различия в напряженных состояниях по разному ориентированных образцов получились в этих испытаниях ничтожными. Коэффициент концентрации напряжений, изменяющийся в зависимости от направления растягивающего усилия тем сильнее, чем больше различие в модулях упругости Е вдоль и поперек проката, в данном случае оставался почти постоянным. Поэтому и оказалось, что формула (49), выведенная для характеристик прочности при однородных простых напряженных состояниях, приближенно справедлива и при сложных напряженных состояниях, при которых обстоятельства опыта почти не меняются при изменении ориентировки образца.

4.2 Способ изготовления и методика испытания механических свойств пластин державки

Способ относится к обработке металлов резанием, в частности к производству металлорежущего инструмента. Целью такого способа является повышение стойкости за счет уменьшения вибраций державки. Пластины державки изготавливают из листового проката с продольной и поперечной ориентировкой их по плоскости относительно направления прокатки. Они крепятся на корпусе державки с углом разоориентировки текстуры деформаций в нижней и верхней пластинах. Причем направление прокатки в пластине с опорной поверхностью ориентировано параллельно тангенциальной составляющей силы резания, а в верней пластине направление прокатки ориентировано параллельно радиальной составляющей силы резания.

Таким образом, пластины имеют различную текстуру деформации в своей плоскости и в своем сечении, обладают различными физико-механическими, в том числе демпфирующими свойствами, относительно действия нагружающих сил (составляющие силы резания). Для достижения наибольшего демпфирующего эффекта разориентация текстуры в верхней и нижней пластинах должна быть максимальной. Тогда колебательная волна при переходе границы раздела меняет свое направление, в результате чего происходит рассеивание энергии колебаний. При малой величине разориентации текстуры деформации энергия незначительна. Поэтому в предлагаемом техническом решении пластины державки ориентированы таким образом, чтобы при переходе от одной пластины к другой текстура деформаций изменялась на 90°±°относительно действия на державку основной - тангенциальной составляющей силы резания. Известно, что максимальное сопротивление растягивающим напряжениям прокатанный металл оказывает в продольном направлении, а минимальное - в вертикальном направлении относительно направления проката. Максимальным сопротивлением сжимающим напряжением, наоборот, прокатанный металл обладает в вертикальном направлении, а минимальным - в продольном. Сопротивление металла в поперечном направлении и рассеивающим и сжимающим напряжениям имеет промежуточные значения. Направления прокатки в опорной пластине ориентировано параллельно тангенциальной составляющей силы резания. В верхней пластине направление прокатки ориентировано параллельно радиальной составляющей силы резания, а плоскость прокатки располагается перпендикулярно тангенциальной составляющей силы резания.

Проверка механических свойств пластин державки была произведена с помощью испытательных образцов в лаборатории металлов(см. рис. 4.5 и 4.6). Результаты испытаний приведены в (Табл. 6).

Таблица 6

Протокол испытания в соответствии с ГОСТ 1497-84, 9454-78

Лаборатория металлов	ПРОТОКОЛ ИСПЫТАНИЯ	Цех получатель
Испытательное оборудование 1958 МК-30 Тип образца: Тип III N6 Тип I		Требования: Материал:Сталь 45
Испытания проведены в соответствии с : ГОСТ 1497-84, 9454-78
N п/п	Направ- ление пробы	N образ- ца	Предел текучести у0,2, Н/мм2	Предел проч- ности у b, Н/мм2	Относи-тельное удлине-ние д5, %	Относи-тельное сужение ш, %	Ударная вязкость KCU кДж/м2	Твер- дость НВ
	90°	1	380	640	26	51
	90°	2	380	630	31	53
	90°	3					735
	90°	4					735
	0°	5	380	650	33	58
	0°	6	380	640	30	57
	0°	7					955
	0°	8					980

Образец цилиндрический на Образец для испытаний на ударный растяжение (тип III N6) ГОСТ 1497-73 изгиб (тип I - KCU) ГОСТ 9454-73

Рис.4.5. Рис. 4.6.

Диаграмма результатов испытаний.

Рис.4.6.

1.Предел текучести - у_0,2 , Н/мм² ;

2. Предел текучести - у _в , Н/мм² ;

3. Относительное удлинение - д5, %;

4. Относительное сужение - ш, %;

5. Ударная вязкость KCU, кДж/м².

По результатам механических испытаний составим диаграмму рис.4.6.

Из диаграммы видно, что в образцах с продольной и поперечной текстурой имеются различия механических свойств. Это значит, что мы имеем эффект анизотропии. Анизотропия механических свойств материала связана прежде всего с особенностями их внутреннего строения. Поэтому анизотропию в большей степени характеризует соотношение продольных и поперечных свойств исследуемого материала. В связи с этим определяющим в продольном и поперечном направлениях, соответственно ориентированных по отношению к оси анизотропии, является пластическое состояние и касательные напряжения. Пластины державки изготовлены из стали 45 ГОСТ1080-88. Представим таблицу химического состава, механических и технологических свойств стали 45 см. (Табл. 7).

Таблица 7 Химический состав, механические и технологические свойства стали 45

Химический состав, %
С	Si	Mn	S	P	Cr	Ni	Cu
			Не более
0,44-0,46	0,17-0,37	0,5-0,8	0,04	0,04	? 0,25	? 0,25	?0,25
Механические свойства
Режим термооб-работки	Располо-жение образца	ут, кгс/мм2	ув, кгс/мм2	д, %	Ш, %	ан, кгс··м/см2	HB
Отжиг	продольное						?170
Нормали-зация	продольное	28	52	18	45	4,0	145-187
Закалка	продольное	45	65	22	55	7	HRC?50
Технологические свойства
Температура ковки	Свариваемость	Обрабатываемость резанием	Склонность к отпускной хрупкости	Коррози-онная стойкость
начало	конец	РДС и ЭШС. Необходим подогрев и последующая термообработка	Твердый сплав КV=2,0 Быстрорежущая сталь КV=1,0 HB ?187	Склонна	Низкая
1250	800

Назначение: шестеренные валы, зубчатые колеса, шпиндели, бандажи, плунжеры, коленчатые и распределительные валы, рычаги, траверсы, цилиндры, муфты, штифты, шайбы, втулки и т.п.

4.3 Экспериментальные исследования режущего инструмента с анизотропными свойствами державки

Произведем сравнительные испытания шероховатости обрабатываемой поверхности после обработки резцами старой и новой конструкции. Обработку будем производить на токарно- винторезном станке марки 400. Московский станкостроительный завод “Красный пролетарий” им. А.И. Ефремова.

Технологическая оснастка:

1.Патрон токарный 3-х кулачковый самоцентрирующий , повышенной точности Ф 250 ГОСТ 3890-82.

2.Центр вращения К/М N5 ГОСТ 8742-75

Режущий инструмент:

1.Резец токарный сборный проходной с механическим креплением пластин трехгранной формы из керамики (старая конструкция). HxBxL, мм: 25x25x145.

2.Резец токарный сборный проходной с разноориентированной текстурой державки, с механическим креплением пластин трехгранной формы из керамики (новая конструкция). HxBxL, мм: 25x25x145.

3.Режущая пластина TNUN 160404 ГОСТ 25003-81; форма пластины - 01111-160404; материал пластины - сплав ВОК-71. Пластина изготовлена из керамического инструментального материала оксидного и оксидно-карбидного типов по ГОСТУ 26630-85 (СТ СЭВ 4814-84). Марка и основные физико-механические свойства материалов должны соответствовать указанным в (Табл. 8).

Таблица 8 Физико-механические свойства материалов

Марка (состав)	Код ОКП	Группа применения по ИСО 513-75	Физико-механические свойства
			Плотность x103,кг/м3	Предел прочности при изгибе, Н/мм2 (кгс/мм2), не менее	Твердость HRA, не менее
ВОК-71 (Al2O3+TiC)	197612	РО1(КО1)	4,20-4,30	637 (65)	93

Прим.1. Предел прочности при поперечном изгибе определяют по ГОСТ 200019-74.

1. Твердость материалов по Роквеллу - по ГОСТ 20017-74.

2. Плотность материалов определяют по ГОСТ 20018-74.

Режущие сменные пластины из сплава марки ВОК-71 применяются при чистовой и получистовой токарной обработке закаленных конструкционных сталей HRC 45…60 и более, серых ковких легированных чугунов с высокими скоростями резания с малыми сечениями среза.

Система обозначения пластин.

1 .Цифровое и буквенно-цифровые обозначения пластин - по ГОСТ 19042-80.

2. Условное обозначение пластин составляется с учетом общесоюзного классификатора продукции (ОКП).

Полный код ОКП условного обозначения пластин состоит из 16 знаков, первые шесть из которых (код ВКГ ОКП) обозначает марку керамики, следующие четыре знака (код серийно-порядкового номера ОКП) - форму пластины, последние шесть знаков - размер пластин.

Код серийно-порядкового номера ОКП для пластин указан в (Табл. 9).

Таблица 9 Код серийно-порядкового номера ОКП для пластин

Обозначение пластин	Код серийно-порядко-вого номера ОКП	Наимено- вание пластин	Эскиз	Рекомен-дуемое назначение
Циф-ровое	Буквенно-цифровое
01111	TNUN	0352	Пластина правильной трехгранной формы		Токарные и проходные, подрезные и расточные резцы

3. Пластины должны изготовляться двух классов:

U - шлифованные по опорным и задним поверхностям;

G - шлифованные по опорным и задним поверхностям с более жесткими допусками.

4. Предельные отклонения контролируемых параметров пластин должны соответствовать величинам, указанным в (Табл. 10).

Таблица 10 Предельные отклонения контролируемых параметров пластин

Контролируемый параметр	Предельное отклонение для пластин классов
	U	G
Диаметр вписанной окружности d	Св. 9,525 до 12,700	± 0,130	±0,025
Толщина s	± 0,13	± 0,13
Радиус при вершине r	± 0,1	± 0,1
Угол при вершине	± 30'	± 5'
Отклонение от параллельности опорных поверхностей	0,025	0,025
Отклонение от перпендикулярности задних поверхностей к опорной	± 30'	± 15'
Отклонение от плоскостности опорной поверхности	Выпуклость	0,005	0,005
	Вогнутость	0,015	0,015
Отклонение от плоскостности задних поверхностей	Выпуклость	0,025	0,010
	Вогнутость	0,050	0,010
Ширина фаски f	± 0,05	± 0,05
Угол наклона фаски	± 30'	± 30'

Измерение шероховатости обрабатываемой детали производились с помощью прибора САРТРОНИК 10. Данный прибор работает на батарейках, удерживается в руках, может использоваться на любых деталях при измерении шероховатости поверхности. Данная модель рассчитана на цифровую оценку шероховатости поверхности по Rа.

Техническая характеристика прибора:

1. Размер: 105x61x17,5 мм

2. Масса: 130 г

3. Измерительный диапазон: 0,1 мкм - 40 мкм

4. Длина перемещения датчика: 5 мм

5. Скорость перемещения датчика 2мм/сек

6. Измерительное усилие:10 мН (1г)

7. Погрешность: 5% от отсчета 0,1 мкм

8. Рабочие условия: 5-40°C; Относительная влажность - 90%; Емкость батареек: свыше 10000 операций

Перед началом работы следует проверить прибор на правильность калибровки с использованием эталона, который находится на дне переносного футляра. На цифровом табло должно быть : 6,1 мкм ± 0,3 мкм.

Порядок работы с прибором:

Переместить ограждение измерительного щупа из крайне левого положения вправо; установив Сартроник 10 в вертикальное положение на контролируемую поверхность таким образом, чтобы две стрелки на передней панели корпуса располагались над местом контроля или под эталоном. Нажать пусковую кнопку в верхней части прибора. Измерительный щуп переместится на расстояние 5 мм поперек следов механической обработки. На индикаторном табло появится результат измерения.

Практические испытания.

Сравнительные испытания шероховатости обрабатываемой поверхности будем производить на деталях “Калибр” чертеж МА 19105.02.001. Деталь изготавливается из стали марки ХВГ ГОСТ 5950-73. Деталь “Калибр” входит в состав установки для дорновки . Условия работы установки требуют от конструкции данной детали выполнение следующих параметров:

обработать наружный диаметр детали в размер Ф 38,2 h6(_-0,016 ) с чистотой поверхности Rа = 1,25 мкм при твердости 58…62 HRC.

Методика испытаний.

Испытания будем производить на заготовке из стали марки ХВГ. Твердость заготовки после термообработки, составляет 58…62 HRC. Обрабатывать будем наружный диаметр детали, т.е. имитировать чистовую (окончательную) обработку, стараясь достигнуть как можно большую чистоту обрабатываемой поверхности. В процессе обработки будем менять следующие параметры:

1.Скорось резания:

Скорость резания V рассчитывают по эмпирическим формулам, установленным для каждого вида обработки, которые имеют общий вид

V = C_v/ T^mt^xS^y*K_v - (м/c) [39] т.2,c.268,

где: t - глубина резания в мм;

S - подача резания мм/об;

C_v - коэффициент зависящий от марки обрабатываемого материала; для чистовой обработки C_v =420

T - период стойкости режущего инструмента, мин; (среднее значение стойкости Т при одноинструментной обработке - 30-60 минут);

m, x_V, y_V, - степенные показатели, которые выбираются по литературе [39] табл. 17, c.269-270.

Значения коэффициента C_v и показателей степени, содержащихся в этих формулах, так же как и периода стойкости Т инструмента, применяемого для данного вида обработки, приведены в таблицах для каждого вида обработки [2]. Вычисленная с использованием табличных данных скорость резания V учитывает конкретные значения глубины резания t, подачи s и стойкости Т и действительна при определенных табличных значениях ряда других факторов. Поэтому для получения действительного значения скорости резания V с учетом конкретных значений упомянутых факторов вводится поправочный коэффициент K_v. Тогда действительная скорость резания V = Vтб*К_V, где К_V - произведение ряда коэффициентов. Важнейшим из них, общими для различных видов обработки, являются:

К_mv - коэффициент учитывающий влияние материала заготовки, - [39] табл.1-4,с.261-263;

К_nv - коэффициент, отражающий состояние поверхности заготовки, -[39] табл.5,с.263;

K_uv - коэффициент, учитывающий качество материала инструмента, -[39] табл.5,с.263;

K_ц - поправочный коэффициент на величину главного угла в плане, -[39] табл.18,с.271;

K_r - поправочный коэффициент на радиус при вершине резца, -[39] табл.18,с.271;

К_v = К_mvК_nvK_uvKцKr

К_mv =k_t (750/у_в)^nv= 0,85*(750/1000)^1,0 = 0,637

k_т - коэффициент характеризующий группу стали по обрабатываемости. -[39] табл.2,с.262; принимаем k_т = 0,85;

n_v - показатель степени - [39] табл.2,с.262;

К_nv - принимаем равным 1,0

K_uv - принимаем равным 0,92

K_ц - принимаем равным 0,7

K_r - принимаем равным 1,0

K_v = 0,637·1,0·0,92·0,7·1,0 =0,41

V = 420/60^0,2··0,2^0,15·0,1^0,2 ·0,41 = 153,75 м/мин

Определяем частоту вращения шпинделя

n = 1000·V/р·D

n = 1000·153,75/3,14·49,2 = 995,22 об/мин

D - диаметр экспериментальной заготовки после термообработки 50 мм, рекомендуется перед чистовой обработкой обработать поверхность под чистовую обработку с глубиной резания 0,4 мм. Получили для подсчета расчетный диаметр равный 49,2 мм.

По паспорту станка выбираем ближайшее значение, которое равно 1000 об/мин.

Корректируем скорость резания V согласно паспортным значениям частоты вращения шпинделя:

V = р·D·n / 1000 =3,14 · 49,2·1000/ 1000 = 154,48 м/мин

Отделочная токарная обработка имеет ряд особенностей, отличающих ее от чернового и межоперационного точения, поэтому рекомендуемые режимы резания при тонком (алмазном) точении на быстроходных токарных станках приведены -[39] табл.19,с.271;

Пример: сталь с у_В ? 800 МПа с шероховатостью поверхности в пределах Rа = 1,25 - 0,63 мкм, при подаче 0,06 - 0,12 мм/об при обработке резцом с материалом режущей части инструмента из Т30К4 скорость резания должна быть в пределах 120-170 м /мин.

В связи с вышеизложенным и руководствуясь справочной литературой и паспортными данными станка - выбираем оптимальные s, t и V. Так что испытания будем производить при скорости V = 154,48 м/мин, с подачей s = 0,1 мм/об, при глубине резания t = 0,2 мм.

Обработку детали будем производить поочередно резцом новой и старой конструкции.

Опыт N1.

Проверяем шероховатость обрабатываемой поверхности с изменением скорости резания, меняя частоту вращения шпинделя согласно паспортным данным станка (см. табл. 11). Подача и глубина резания - величины постоянные:

S = 0, 1 мм/об; t = 0,2 мм. Эксперимент будем производить по пяти параметрам, выбирая оптимальную скорость резания и при этом сравнивать шероховатость поверхности детали после обработки резцами старой и новой конструкции. Шероховатость обрабатываемой поверхности будем измерять в трех разных точках, с занесением результатов измерений в таблицу. Под графой 3-х измерений будем считать средний результат.

Шероховатость поверхности при обработке с изменением скорости резания (Табл. 11)

Таблица 11 Шероховатость поверхности при обработке с изменением скорости резания

N Опыта	n об/мин	V м/мин	Новый резец (Чистота обработки ) Rа мкм	Старый резец (Чистота обработки ) Rа мкм
1.1	500	80	0,9	1,1	0,9	1,2	1,2	1,1
			Среднее значение - 0,966	Среднее значение - 1,16
1.2	630	97	1,0	1,0	1,0	1,3	1,2	1,2
			Среднее значение - 1,0	Среднее значение - 1,26
1.3	800	123	0,8	1,0	0,9	1,3	1,3	1,4
			Среднее значение - 0,9	Среднее значение - 1,33
1.4	1000	154	1,0	1,1	1,1	1,3	1,5	1,4
			Среднее значение - 1,06	Среднее значение - 1,4
1.5	1250	192	0,7	0,8	0,6	1,4	1,3	1,4
			Среднее значение - 0,7	Среднее значение - 1,36

Результаты опыта N1:

1.Резец новой конструкции по всем параметрам показал более высокий класс значения шероховатости обрабатываемой поверхности. С увеличением скорости резания, шероховатость поверхностного слоя улучшается. Этот процесс явно виден на графике. Особенно хорошие значения получены в опыте N 1.5 при скорости резания 192 м/мин.

2.Резец старой конструкции по всем параметрам испытаний показал более низкий класс обрабатываемой поверхности. У резца старой конструкции не так явно выражена зависимость чистоты обрабатываемой поверхности от скорости резания.

Опыт N2.

Проверяем шероховатость обрабатываемой поверхности с изменением подачи, согласно паспортным данным станка (см. табл. 12). Скорость и глубина резания - величины постоянные: V = 154 м/мин, t = 0,2 мм. Эксперимент будем проводить также по пяти параметрам, выбирая оптимальную подачу, при постоянной скорости резания и при этом сравнивать шероховатость поверхности после обработки поверхности детали резцами старой и новой конструкции. Шероховатость обрабатываемой поверхности будем измерять в трех разных точках, с занесением результатов измерений в таблицу. Под графой 3-х измерений будем считать средний результат.

Шероховатость поверхности при обработке с изменением подачи (Табл. 12)

Таблица 12 Шероховатость поверхности при обработке с изменением подачи

N Опыта	s мм/об	V м/мин	Новый резец (Чистота обработки ) Rа мкм	Старый резец (Чистота обработки ) Rа мкм
2.1	0,06	154	0,7	0,7	0,9	1,1	1,0	1,1
			Среднее значение - 0,766	Среднее значение - 1,066
2.2	0,1	154	1,0	1,0	1,1	1,2	1,3	1,0
			Среднее значение - 1,033	Среднее значение - 1,16
2.3	0,15	154	1,6	1,6	1,6	1,6	1,6	1,6
			Среднее значение - 1,6	Среднее значение - 1,6
2.4	0,2	154	1,9	1,6	1,5	1,7	1,7	1,9
			Среднее значение - 1,6	Среднее значение - 1,76
2.5	0,25	154	2,1	2,0	2,0	2,6	2,6	2,8
			Среднее значение - 2,033	Среднее значение - 2,66

Результаты опыта N2:

1.Резец новой конструкции почти по всем параметрам показал более высокий класс значения шероховатости обрабатываемой поверхности. С увеличением подачи шероховатость поверхностного слоя ухудшается. Этот процесс явно виден на графике. Особенно хорошие значения получены в опыте N 2.1 обработкой детали резцом новой конструкции. При скорости резания 192 м/мин и подаче 0,06 мм/об, получена шероховатость обрабатываемой поверхности Rа = 0,766 мкм.

2.Резец старой конструкции по всем параметрам испытаний показал более низкий класс шероховатости обрабатываемой поверхности. Только в опыте 2.3, при подаче 0,15 мм/об, получена одинаковая шероховатость обработанной поверхности Rа = 1,6 мкм. У резца старой конструкции также прослеживается тенденция ухудшение чистоты обработки с увеличением подачи.

Опыт N3

Проверяем шероховатость обрабатываемой поверхности изменяя глубину резания после каждого прохода. Опыт начнем, обрабатывая заготовку с минимальной глубиной резания t=0,1 мм. Скорость резания и подача - величины постоянные: V = 154 м/мин, S = 0,1 мм/об. Эксперимент

будем производить также по пяти параметрам, постепенно увеличивая глубину резания на 0,05 мм. Будем выбирать оптимальную глубину резания при постоянной скорости резания и подаче. После изменения каждого параметра, будем производить измерение шероховатости поверхности после обработки детали резцами старой и новой конструкции. Шероховатость обрабатываемой поверхности будем измерять в трех разных точках, с занесением результатов измерений в таблицу. Под графой 3-х измерений будем считать средний результат.

Шероховатость поверхности при обработке с изменением глубины резания (Табл. 13).

Таблица 13 Шероховатость поверхности при обработке с изменением глубины резания

N Опыта	t мм	V м/мин	Новый резец (Чистота обработки ) Rа мкм	Старый резец (Чистота обработки ) Rа мкм
3.1	0,1	154	1,4	1,2	1,2	1,6	1,4	1,5
			Среднее значение - 1,3	Среднее значение - 1,5
3.2	0,15	154	1,2	1,2	1,2	1,3	1,3	1,2
			Среднее значение - 1,2	Среднее значение - 1,26
3.3	0,2	154	1,1	1,3	1,2	1,2	1,4	1,2
			Среднее значение - 1,2	Среднее значение - 1,26
3.4	0,25	154	1,5	1,4	1,3	1,6	1,3	1,4
			Среднее значение - 1,4	Среднее значение - 1,43
3.5	0,3	154	1,6	1,5	1,6	1,6	1,8	1,
			Среднее значение - 1,56	Среднее значение - 1,7

Результаты опыта N3:

1.Резец новой конструкции по всем параметрам показал более высокий класс значения шероховатости обрабатываемой поверхности. По результатам опыта N3 делаем заключение, что оптимальная глубина резания 0,1 - 0, 2 мм. Особенно хорошие значения получены в опыте N 3.2 и 3.3 обработкой детали резцом новой конструкции. При скорости резания 154 м/мин и глубине резания 0,15 и 0,2 мм, получена шероховатость обрабатываемой поверхности Rа = 1,2 мкм. При глубине резания 0,3 мм происходит значительное ухудшение значений шероховатости обрабатываемой детали.

2.Резец старой конструкции по всем параметрам испытаний показал более низкий класс значений шероховатости обрабатываемой поверхности. Однако в опытах 3.2, 3.3 и 3.4 значения шероховатости обрабатываемой поверхности, по своим показателям довольно близко приближаются к значениям при обработке резцом новой конструкции. Оптимальная глубина резания также, как и резца новой конструкции 0,15-0,2 мм. У резца старой конструкции также прослеживается тенденция ухудшение шероховатости обработки с увеличением глубины резания до 0,3мм.

По результатам испытаний построим графики рис.4.7; 4.8 и 4.9.

Рис.4.7 Изменение скорости резания

V1=80 м/мин

V1=97 м/мин

V1=123 м/мин

V1=154 м/мин

V1=192 м/мин

Рис.4.8. Изменение подачи

S1= 0,06 мм/об

S1= 0,1 мм/об

S1= 0,15 мм/об

S1= 0,2 мм/об

S1= 0,25 мм/об

Рис.4.9. Изменение глубины резания

t= 0,1 мм

t= 0,15 мм

t= 0,2 мм

t= 0,25 мм

t= 0,3 мм

4.4 Результаты и выводы по главе

Проанализировав вышеизложенные данные в главе 4, можно сделать следующие выводы:

1. Наиболее удобным методом испытания для проверки степени анизотропии металла служит растяжение. Не только предел прочности, но и предел упругости и текучести, а также характеристики пластичности при растяжении обнаруживают анизотропию. При этом степень анизотропии различна для разных характеристик и может быть различной при растяжении и сжатии.

2. Неметаллические включения, имеющиеся в большинстве прокатных металлов, усиливают анизотропию, а по мнению некоторых авторов, является ее основной причиной.

3. Пластины для изготовления экспериментального резца имеют различную текстуру деформации, в своей плоскости и в своем сечении, обладают различными физико-механическими свойствами. Это явно видно на диаграмме результатов механических испытаний пластин державки.

4. Для достижения наибольшего демпфирующего эффекта разориентация текстуры в верхней и нижней пластинах должна быть максимальной.

5. Данную конструкцию резца рекомендовать для работы на деталях с высокой твердостью, высоким классом шероховатости поверхности. Резец использовать при чистовой токарной обработке.

5. Техника безопасности на токарных станках

5.1 Анализ потенциально опасных и вредных факторов на рабочем месте

1.Приспособления для закрепления обрабатываемой детали, особенно поводковые и кулачковые патроны, представляют опасность как при случайном к ним прикосновении, так и в случаях захвата одежды выступающими частями в процессе работы станка.

2.Обрабатываемая деталь, особенно быстро вращающиеся заготовки, в том числе прутковый материал, обрабатываемый на универсальных и станках с ЧПУ, может вырваться из закрепляющих устройств: травма может быть нанесена тяжелой заготовкой, устанавливаемой на станок, и обработанной деталью при ее снятии со станка вручную, без соответствующих приспособлений.