Серебренникова Анжела Геннадьевна， Чжан Дань，Бреев Сергей Валерьевич， Козлова Мария Андреевна

(ИКПМТО, Комсомольский-на-Амуре государственный технический Университет, гКомсомольск-на-Амуре 681013, Россия)



ПРИМЕНЕНИЕТЕМПЕРАТУРНО-МОЩНОСТНОГОКРИТЕРИЯДЛЯОПРЕДЕЛЕНИЯЗОНЫВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЙОБРАБОТКИТРУДНООБРАБАТЫВАЕМЫХМАТЕРИАЛОВ

Серебренникова Анжела Геннадьевна， Чжан Дань，Бреев Сергей Валерьевич， Козлова Мария Андреевна

(ИКПМТО, Комсомольский-на-Амуре государственный технический Университет, гКомсомольск-на-Амуре 681013, Россия)

Abstract:A large proportion of the cost of the tool in the treatment of intractable materials, poses the problem of production, optimize processing due to the use of such treatment regimes that would allow faster processing, but leave operable cutting tool. Article is devoted to the problem of handling difficult materials, the search processing modes with the search criteria, which would allow to describe the processes occurring in the treatment area and suggest new treatment regimens.

Key words:machining; high-speed machining; hard materials; cutting conditions; cutting power; tempreatura in cutting area

0　Введение

Рост научно-технического прогресса нераз-рывно связан с развитием ведущих отраслей машиностроения-авиационной, ракетной, косм-ической, электронной и атомной техники, энергетического и химического машиностроения, где используются детали из труднообрабатываемых материалов (титановые сплавы, жаростойкие, коррозионностойкие стали) со специальными физико-химическими свойствами, сочетающими высокие прочность, ударную вязкость и корро-зионную стойкость.

Обработка резанием является основным мет-одом получения различных деталей и составляет до 80% от общей трудоемкости изготовления различных изделий. Доля затрат на инструмент в структуре себестоимости детали из трудноо-брабатываемых материалов доходит до 42%.В денежном выражении это составляет сотни тысяч рублей, поэтому повышение эффективности обработки труднообрабатываемых материалов является важной и актуальной задачей, как с практической, так и с научной точки зрения. Одним из методов такого повышения эффекти-вности является использование высокоскоростной обработки (ВСО).

К основным проблемам ВСО труднообраб-атываемых материалов относятся:

низкая производительность (т.е. объем мат-ериала, удаляемый в единицу времени) обработи;

повышенные затраты на инструмент из-за низкой стойкости инструмента;

применение специального оборудования и режущего инструмента[2].

Для решения вышеуказанных проблем необ-ходимо понимать физико-механические и химические свойства материалов. Классификация труднообрабатываемых материалов[7]по обрабат-ываемости, в каждой из которых объединены стали и сплавы примерно одинакового химиче-ского состава, подразделяется на 8 групп, в скобках приведены примеры каждой из групп:

теплостойкие хромистые, хромоникелевые и хромомолибденовые стали перлитного, мартенситно-ферритного и мартенситного классов (34ХН3М);

коррозионно-стойкие и сложнолегирова-нные стали ферритного, мартенситно-ферритно-го и мартенситных классов (12Х3, 14Х17Н2)；

коррозионно-стойкие, кислостойкие, жаро-стойкие хромоникелевые стали аустенитного, аустенитно-ферритного и аустенитно-марте-нситного классов (12Х18Н10Т, 07Х16Н6)

жаропрочные, жаростойкие, кислотостойкое хромоникелевые, хромоникеламарганцевые слож-нолегированные стали аустенитного и аустенитно-ферритного классов (10Х11Н20Т3МР,08Х15Н24В4ТР)；

жаропрочные деформируемые сплавы на железоникелевой и никелевой основах (36НТЮ, ХН60МВТЮ)；

окалиностойкие и жаропрочные литейные сплавы никелевой и хромовой основах (ВЖ36-Л2, АНВ-300)；

сплавы на титановой основе (ВТ3, ОТ4)；

высокопрочные стали (28Х3СНМВФА, Н18К9М5Т).

Согласно классификации[7], для исследования выбраны аустенитные стали третьей группы и сплавы на титановой основе седьмой группы как сплавы, широко применяемые в различных отраслях промышленности, в частности авиа- и кораблестроении.

Стали третьей группы применяются почти во всех отраслях промышленности для изготовления деталей, работающих в условиях, которые вызывают коррозию металла и при условиях высоких температур, которые достигают 800 ℃. Стали данной группы кислостойкие, жаростойки и коррозионностойки. Химический состав в общем виде можно представить как: хром (более 15%), никель (более 5%), небольшое количество других легирующих элементов, таких как титан, кремний и др.

Сплавы и стали седьмой группы состоят более чем из 30 различных марок с широким диапа-зоном обрабатываемости, зависящим в основном от предела прочности сплавов.Трудоемкость механической обработки титановых сплавов в 4 раза больше, чем для углеродистых сталей, и в 15-20 раз выше, чем для алюминиевых сплавов. Титановые сплавы отличаются высоким отношением предела текучести к временному сопротивлению разрыва-показатель способности материала к деформационному упрочнению. Это соотношение составляет для титановых сплавов 0.85-0.95, в то время как для сталей оно равно 0.65-0.75. В итоге при механической обработке титановых сплавов возникают большие удельные усилия, что приводит к высоким температурам в зоне резания, обусловленным так же низкой тепло- и температуропроводностью титана и его сплавов, затрудняющей отвод тепла из зоны резания. Из-за сильной адгезии и высоких температур титановые сплавы склонны к налипанию на режущий инструмент, что вызывает значительные силы трения. Температура в зоне резания наиболее сильно повышается с увеличением скорости резания, в меньшей степени—с увеличением подачи. Глубина резания по сравнению со скоростью и подачей оказывает еще меньшее влияние.

Для обработки труднообрабатываемых мате-риалов выбор режущего инструмента и режимы резания играют ключевую роль. Основные требования к инструментальному материалу, которые были сформулированы Бобровым В.Ф.[6], это:высокая твердость,высокая механическая прочность,высокая теплостойкость, высокая износостойкость, высокая

теплопроводность.

Дон Грэхэм в своей статье[5]Жаропрочные сплавы - работа с материалами класса S по ISO, выделил основные направления развития режуще-го инструмента для обработки труднооб-рабатываемых материалов в ближайшем будущем. К ним относятся:

Использование режущего инструмента, спроектированного таким образом, что его можно использовать при увеличенной скорости и подачи. Конструкция подобного инструмента состоит из высокоструктурированных сплавов с хорошей прочностью и красностойкостью режу-щей кромки и обладают высоким сопротивлением деформации и износу.

Необходимо использовать режущие инстру-менты с более острой заточкой режущих кромок, тем самым предотвращая накопление теплоты.

Минимизация числа проходов для уменьшения упрочнения сплавов при механической обработке.

При выборе марки твердосплавного инстру-мента рекомендуют руководствоваться следующим правилом[6](с 25):чем тяжелее условия работы инструмента в силовом отношении, тем больше кобальта должен содержать сплав, и чем легче силовой режим, тем больше в сплавах должно содержаться карбидов титана и вольфрама.

Важным аспектом, влияющим на прочность твердых сплавов, является размер зерна карбида вольфрама. Чем больше размер зерен (до определенного предела), тем больше прочность, т.к. с ростом размера зерна увеличивается прослойка цементирующей фазы. Уменьшение же размеров зерен, хотя и снижает прочность, влечет за собой повышение твердости и износостойкости. Также необходимо учитывать, что твердость контактных поверхностей инструмента при обработке должна превосходить твердость обрабатываемого материала. Поэтому, в ходе научно-исследовательской работы для проведения экспериментов был выбран сплав VP15-TF фирмы Mitsubishi, аналог российско-го ВК8ОМ.

Выбор основывался на условиях того, что Т15К6 содержит 79 % карбида вольфрама, что на 13 % меньше чем у сплава ВК8, и 15 % карбида титана 15 %. Сплав Т15К6 незначительно тверже сплава ВК8 (90 HRA и 87,5 НRA соответственно) но обладает почти в 2 раза меньшей теплопроводностью, что приближает сплав Т15К6 по значению к теплопроводности быстрорежу-щей стали.

Общепринятым параметром, который теоре-тически обосновывает высокоскоростную обработку, являются так называемые кривые Соломона (рисунок 1), которые показывают снижение сил резания в некотором диапазоне скоростей[1].

В самом начале 30-х годов прошлого века на заводах Круппа в Германии была проведена серия научных изысканий в области повышения скоро-сти обработки. Осуществлял эти эксперименты Карл (в других источниках - Герман) Соломон. Результат исследований Соломона - кривые зависимости силы от скорости резания (кривые Соломона) показывают снижение силы резания в некотором диапазоне скоростей. Эффект от снижения силы резания сказывается в снижении температуры в зоне резания.

Все свои эксперименты Соломон проводил, используя дисковые пилы сравнительно большого диаметра, которые и позволили достичь высоких скоростей резания. Для фрез относительно малого диаметра такие скорости были тогда недостижимы-станков с подобными характеристиками в то время еще не существовало. Вероятно, открытие Соломона значительно опередило свое время и именно поэтому первоначально не получило широкого распространения, уступив место другим концепциям.

Рис. 1.　Кривые Соломона

В последующие годы изучением этого вопроса занимались многие ученые, в их опытах на баллистических установках были зафикси-рованы гораздо более высокие скорости резания (Кузнецов, 1 947 г, 50 000 м/мин; Кроненберг, 1 958 г, 72 000 м/мин; Арндт, 1 972 г, 132 000 м/мин) и предложены физические и мате-матические модели, объясняющие этот эффект.

Применительно к фрезерованию впервые эффект ВСО был реализован в 1 979 г в Техни-ческом университете Дармштадта (Германия), где с использованием шпинделя на магнитных подшипниках была достигнута скорость резания 4 700 м/мин. Группой сотрудников университета под руководством профессора Г. Шульца была предложена теория процессов ВСО и изучена возможность промышленного внедрения этого эффекта. Физическая природа высокоскоростного резания исследуется и российскими учеными на основе изучения фундаментальных закономерно-стей процессов в зоне стружкообразования.

1Оптимизации параметры режущий процесса инструмента

1.1Определения зона обработки

Увеличение скорости резания влечет за собой увеличение температуры в зоне обработки, а основным местом концентрации выделенной теплоты должна являться стружка. Так при обычной обработке в стружку отводится около 80% теплоты, тогда как при ВСО около 95%-97% тепла. Для максимизации потока теплоты в стружку, она должна иметь минимальные размеры, что и определяет основные параметры ВСО: высокая частота вращения шпинделя в сочетании с минимально возможными глубиной резания и подачей на оборот (рисунок 2). При таких условиях меняется механизм снятия стружки. Так как область первичных деформаций является основным источником выделения энергии, при уменьшении зоны контакта инструмента и заготовки (толщина срезаемого слоя) уменьшается зона выделения энергии, переходя в плоскостное определение, и тепловая волна не успевает достичь инструмента.

1.2Математической модели мощностирезания

Мощность резания является основным параметром, определяющим количество теплоты, выделенное в процессе резания, и может выступить критерием, описывающим процесс высокоскоростной обработки. Так как сила резания зависит от скорости, то зависимость мощности от силы резания рассчитывается по формуле:

(1)

где-P-сила резания,N; V-скорость резания,m/s[3].

Рис. 2　Схема формирования стружки

Из математического анализа известно, что при произведении монотонно убывающей функции на аргумент, получается монотонно возрастающая функция, при этом скорость возрастания уменьшается при стремлении аргумента к бесконечности. Так как зависимость силы резания от скорости имеетпадающийхарактер (рис 3. а), то мощность резания при значительном увеличении скорости будет возрастать незначительно (рис 3.б), а, следо-вательно, будет незначительно возрастать и коли-чество теплоты в зоне обработки.

Однако на практике этого не происходит: при значительном увеличении силы резания значительно возрастает и температура в зоне обработки, что приводит к катастрофическому падению стойкости и разрушению перегретой режущей кромки. Следовательно, существуютграницы-значения мощности, между которыми температура стабильна, т.е. либо убывает, либо возрастает незначительно.

Теоретически такой расчет на данном этапе развития науки о резании невозможен из-за необходимости учета множества явлений, для которых еще не созданы математические модели (например, адгезия, наростообразование, учет структурных изменений в материалах режущего инструмента и заготовки), поэтому наиболее эффективным путем исследования зависимости температуры от мощности является экспер-имен-

тальный.

Рис. 3　　　　Обобщенные графики падающей

2Экспериментальные исследования отношений между температурой и мощностью

2.1процесс экспериментов

Для получения такой зависимости был разработан и проведен ряд экспериментов на токарном станке с использованием лабораторного стенда STD.201-2. Лабораторный стенд (рисунок 4) предназначен для проведения научно-исследовательских и лабораторных работ с целью изучения динамических и тепловых процессов, протекающих при резании металлов в различных режимах токарных станков.

Функционально стенд состоит из головки-резцедержателя, интерфейсного блока, персо-нального компьютера и комплекта кабелей. Габа-ритные размеры головки резцедержателя (рису-нок 5) позволяют использовать на станке 16К20.

Рис. 4　　　　Схема расположения элементов стенда STD.201-2

Рис. 5　Внешний вид головки-резцедержателя

На рисунке 6 представлен используемый в ходе эксперимента режущий инструмент:

Рис. 6　режущий инструмент

Обработка велась на токарном станке 16К20 при поперечном точении диска (материалы дисков: стали 12Х18Н10Т, 08Х18Н10Т, тита-новый сплав ВТ-20) начальным диаметром 180 мм и толщиной 3 мм резцом, ширина режущей кромки которого больше толщины диска, для непрерывного изменения скорости резания. Число оборотов (от 100 до 250 мин-1) и подача (от 0.07 до 0.22 мм/об) подбирались в зависи-мости от марки обрабатываемого мате-риала. Обработка велась без применения смазывающе-охлаждающих технологических сред. В процессе резания с помощью выше-указанного стенда фиксировались координатные составляющие силы резания и температура в зоне контакта. На рисунке 7 представлены фотографии хода эксперимента.

Рис. 7　Проведение эксперимента

Для обработки полученных данных были разработан алгоритм и программа, позволяющая значительно снизить время анализа полученных значений. Для проведения анализа и обеспечения объективности полученных данных, опыт в каждой точке повторялся 3 раза. Дальнейшая обработка результатов подтвердила воспроизводи-мость эксперимента по G-критерию Кохрена.

2.2Результаты экспериментов и анализ

На рисунке 8 представлена полученная зависимость усредненных по трем опытам значений (на примере материала 12Х18Н10Т): точками обозначены усредненные экспериме-нтальные значения, а линией-их аппрокси-мация полиномом третьего порядка.

Рис. 8　Зависимость температура-мощность

Полученные результаты подтверждают гипо-тезу о падении температуры при повышении мощности на некотором интервале. Исходя из значений, полученных путем анализа аппрок-симирующей зависимости, нижняя граница мощно-сти (начало мощностного интервала ВСО) 558.7±1.8 Вт, верхняя граница мощности (конец интервала ВСО) 951.8±2.1 Вт. Данные границы определяются по методике анализа функции, заключающиеся в решении уравнения, получаемого из условия равенства нулю первой производной исходной функции[8-10].

Снижение температуры при увеличении мощности, на первый взгляд противоречит законам термодинамики. Однако, необходимо учитывать, что измерение температуры прои-сходило непосредственно в зоне обработки, следовательно большая часть тепловой энергии направлялась в стружку и эффективно отводилась из зоны обработки, что и привело к сниже-нию температуры.

Интервал мощности, в котором наблюдается снижение температуры в зоне контакта, не позволяет однозначно вычислить интервал скоро-сти резания (в соответствии с формулой (1)), которая может быть рекомендована для ВСО стали 12Х18Н10Т. Однако, полученные экспери-ментальные результаты показывают, что интервал мощности ВСО располагается в зоне скоростей выше традиционной (112-118 м/мин и 56-78 м/мин соответственно).

3　Выводы

Проделанная работа позволяет сформули-ровать следующие выводы:

Определен однозначный критерий границ высокоскоростной обработки для труднооб-рабатываемых материалов-интервал мощности, в котором, температура в зоне обработки подчиняется определенному закону распределения и имеет квазистабильный либо падающий характер.

Разработана методика определения границ интервала ВСО для различных труднооб-рабатываемых материалов, заключающаяся в анализе зависимости температуры в зоне обработки от мощности резания и определения точек экстремума из условия равенства нулю первой производной функции T(W), полученной аппроксимацией экспериментальных данных полиномом третьего порядка.

Определены границы мощности резания, при которой возможна реализация эффектов ВСО: для стали 12Х18Н10Т от 558.7±1.8 до 951.8±2.1 Вт; для стали 08Х18Н10Т от 558.7±1.8 до 9 518±2.1 Вт; для стали 12Х18Н10Т от 5 587±1.8 до 951.8±2.1 Вт.

Литература:

[1]БреевС В,Серебренникова А Г.Науки о природе и технике,Комсомольск-на-Амуре:ФГБОУ ВПО[J].КнАГТУ, 2013№3-1(15)с: 52-60.

[2]Бреев С В,СеребренниковаА Г.Науки о природе и технике,Комсомольск-на-Амуре: ФГБОУ ВПО[J]. КнАГТУ, 2013№4-1(16)с: 59-66.

[3]Бреев С В, Серебренникова А Г. Науки о природе и технике,Комсомольск-на-Амуре: ФГБОУ ВПО[J]. КнАГТУ, 2013№1-1(17)с: 47-52.

[4]Резников А Н, Резников Л А.Тепловые процессы в техноло-гических системах[М]. Машиностроение, 1990(288)с: ил.

[5]Жаропрочные сплавы, официальный сайт интернет журнала[M]. Твердый сплав, URL: http://tverdysplav.ru/zharoprochnye-splavy-rabota-s-materialami-klassa-s-po-iso/(дата обращения: 05.09.2014).

[6]Бобров В Ф. Основы теории резания металлов[М]. Маши-ностроение, 1975, с: 344-348.

[7]Гуревич Я Л, Горохов М В, Захаров В И. и др2-е изд.Перераб и доп[М]. Машиностроение, 1986, с: 240-245.

[8]Бреев С В, Бреев С В, Серебренникова А Г.Межотраслевой институт[J]. Наука и образование,Екатеренбург, 2013(3): 27-32.

[9]Бреев С В, Серебренникова А Г, Козлова М А.Применение температурно-мощностного критерия для определение зоны высокоскоростной обработки труднообрабатываемых материалов[J]. Сборник научных трудов SWorld,Одесса,2013(3): 76-83.

[10]Бреев С В, Серебренникова А Г, Козлова М А, Бреев С В, Теоретическое обоснование высокоскоростной обработки труднообрабатываемых материалов,Сборник научных трудов SWorld, Одесса, 2013(3)： 30-34.

(编辑张丹刘扬)

Для проблемы высокой стоимости режущий труднообрабатываемых материалов,производили оптимизации параметров процесса режущий инструмента, получили технологический процесс резкитруднообрабатываемых материалов, улучшение производительности инструме-нттруднообрабатываемых материалов, создалимоделипараметров процесса резки, наконец получитьтехнологический процесс труднообрабатываемых материалов.

механическая обработка; высокоскоростная обработка; труднообра-батываемые материалы; условия резания; силы резания; температуры резания

High efficient processing area of difficult-to-machine materials by using temperature-horsepower criterion

ANGELASG，ZHANGDan，SERGEYBV，MARINAKA

(Komsomolsk-on-Amur State Technical University, Komsomolsk-on-Amur 681013, Russia)

2095-7262(2015)04-0386-08 Document code:A

2015-01-16；

2015-06-10

简介： 谢列布列尼科娃 安热拉 根纳季耶夫娜(1969-)，女，俄罗斯阿穆尔-共青城人，副教授，工学副博士，研究方向：金属切削动力学，E-mail：angel@kmscom.ru。

10.3969/j.issn.2095-7262.2015.04.008

CLC:TG506