close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Исследование влияния наноструктурированных покрытий режущего инструмента на параметры качества поверхностного слоя и усталостную прочность деталей машин при обработке точением

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
Басков Максим Владимирович
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ
НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ ПОКРЫТИЙ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА
НА ПАРАМЕТРЫ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ
И УСТАЛОСТНУЮ ПРОЧНОСТЬ ДЕТАЛЕЙ МАШИН
ПРИ ОБРАБОТКЕ ТОЧЕНИЕМ
Специальность 05.02.08 – Технология машиностроения
Автореферат
диссертации на соискание ученой степен
кандидата технических наук
Рыбинск – 2016 г.
2
Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего образования «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П. А. Соловьева» на кафедре «Технология авиационных двигателей и общего машиностроения»
Научный руководитель: заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор
технических наук, профессор Безъязычный Вячеслав Феоктистович.
Официальные оппоненты:
Ведущая организация:
Бутенко Виктор Иванович, доктор технических
наук, профессор, профессор кафедры механики института радиотехнических систем и управления
ФГАОУ ВО «Южный федеральный университет»
Ковелѐнов Николай Юрьевич, кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры «Технология
машиностроения»
ФГАОУ ВО
«СанктПетербургский политехнический университет
Петра Великого»
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Брянский
государственный
технический
университет»
Защита диссертации состоится 28 декабря в 10:00 на заседании диссертационного совета Д.212.210.01 в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего образования «Рыбинский государственный
авиационный технический университет имени П. А. Соловьева» по адресу:
152934, г. Рыбинск, Ярославской области, ул. Пушкина, 53, ауд. Г-237.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте
(http://www.rsatu.ru/) Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Рыбинский государственный
авиационный технический университет имени П. А. Соловьева».
Автореферат разослан
Ученый секретарь
диссертационного совета
27 октября 2016 г.
Надеждин Игорь Валентинович
3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. На сегодняшний день задача обеспечения требуемых параметров, характеризующих качество поверхностного слоя деталей, актуальна для авиастроения, где разрушение ответственных деталей может привести к катастрофе. Параметры, характеризующие качество поверхностного
слоя обработанных деталей, в значительной степени определяют эксплуатационные свойства деталей машин, при этом одним из наиболее важных свойств
является усталостная прочность.
Известные методики расчетного определения параметров, характеризующих качество поверхностного слоя после механической обработки, базируются
на учете преимущественного влияния или теплового, или силового факторов.
Эти методики, как правило, не учитывают действие объемных источников тепла в зоне резания, а также упрочнение поверхностного слоя в процессе обработки.
При изготовлении деталей газотурбинных двигателей, относящихся к категории ответственных (валы, диски, корпусы компрессора и др.) преимущественно используются операции механообработки, в частности, обработка точением. К сожалению, до настоящего времени недостаточно изучены закономерности влияния широко применяемых в производстве наноструктурированных покрытий режущих инструментов на механизмы формирования параметров, характеризующих качество поверхностного слоя, и эксплуатационные
свойства деталей газотурбинных двигателей. Между тем, учет их влияния на
процесс резания позволит более точно определять параметры, характеризующие качество поверхностного слоя и эксплуатационные свойства деталей газотурбинных двигателей.
В связи с этим, на сегодняшний день актуальным является исследование
влияния наноструктурированных покрытий режущих инструментов на параметры, характеризующие качество поверхностного слоя, и усталостную прочность материала деталей, изготавливаемых точением.
Степень разработанности темы. Вопросами расчетного определения параметров, характеризующих качество поверхностного слоя, и эксплуатационных
свойств, формируемых при механической лезвийной обработке деталей машин, занимались многие известные ученые. Между тем, широкое применение в производстве лезвийного инструмента с наноструктурированными покрытиями требует
уточнения и дополнения существующих методик расчета, а также изучения целесообразности использования отдельных наноструктурированных покрытий для
технологического обеспечения требуемых эксплуатационных свойств.
Целью данной работы является исследование влияния наноструктурированных покрытий режущих инструментов на параметры, характеризующие
качество поверхностного слоя, и усталостную прочность деталей машин с учетом объемных источников тепла и упрочнения материала детали при точении.
Для достижения цели работы необходимо решить следующие задачи:
1) установление возможности применения существующих расчетных зависимостей по определению параметров процесса резания при использовании
4
инструмента с наноструктурированными покрытиями;
2) расчет параметров, характеризующих качество поверхностного слоя
детали, с учетом действия объемных источников тепла и упрочнения, вызванного влиянием теплового фактора в зоне резания, при обработке точением;
3) установление влияния наноструктурированных покрытий режущих инструментов на величину остаточных напряжений, глубину и степень наклепа
поверхностного слоя, а также величину параметра шероховатости поверхности
Rz при обработке точением;
4) исследование влияния наноструктурированных покрытий режущих инструментов на усталостную прочность обрабатываемых деталей.
Основные положения научной новизны, выносимые на защиту:
1) способ учета переменной интенсивности тепловыделения по глубине
поверхностного слоя детали при расчете температуры с учетом действия объемных источников тепла в зоне резания при точении;
2) результаты исследования повышения точности расчетного определения
параметров, характеризующих качество поверхностного слоя (величина остаточных напряжений, глубина и степень наклепа, параметр шероховатости поверхности
Rz), и предела выносливости, как характеристики усталостной прочности детали, на
базе учета упрочнения поверхностного слоя детали, при обработке точением;
3) характер влияния наноструктурированных покрытий режущих инструментов на параметры, характеризующие качество поверхностного слоя (величину остаточных напряжений, глубину и степень наклепа, параметр шероховатости поверхности Rz) и предел выносливости материала детали.
Практическая значимость работы. Дополнена базовая методика расчета температуры в зоне резания с учетом объемных источников тепла при токарной обработке, путем учета изменяющейся интенсивности тепловыделения по
глубине материала обрабатываемой детали, в том числе, при использовании инструмента с наноструктурированными покрытиями.
Выработаны рекомендации по практическому применению базовых и дополненных автором зависимостей для расчета температуры резания, а также остаточных напряжений от действия теплового фактора для деталей газотурбинных машин, изготавливаемых из коррозионностойких сталей и жаропрочных сплавов.
Сформулированы практические рекомендации по целесообразности использования отдельных наноструктурированных покрытий режущих инструментов для
технологического обеспечения требуемых эксплуатационных свойств деталей из
коррозионностойких сталей и жаропрочных сплавов, обрабатываемых точением.
Разработано программное обеспечение для расчета параметров, характеризующих качество поверхностного слоя деталей, при обработке инструментами с
наноструктурированными покрытиями (свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2016619840, дата регистрации 31 августа 2016г.).
Соответствие диссертации паспорту научной специальности 05.02.08.
Соответствует пункту 7 – технологическое обеспечение и повышение качества поверхностного слоя, точности и долговечности деталей машин.
Методы диссертационного исследования. Теоретические исследования
основаны на фундаментальных положениях технологии машиностроения. Для
5
решения поставленных задач использованы методы идеализации, сравнения и моделирования. Практическая часть основана на проведении теоретических и исследований параметров, характеризующих качество поверхностного слоя детали,
сформированных механической обработки. Эксперименты проводились по стандартным и общепринятым методикам исследования поверхностного слоя. Анализ
и обработка экспериментальных данных осуществлялась посредством применения
программных продуктов Mathsoft® Mathcad, Microsoft® Office Excel.
Степень достоверности результатов и выводов работы подтверждается
использованием апробированных методик проведения исследования и обработки экспериментальных данных, а также использованием достоверных литературных источников.
Апробация работы. Основные результаты и положения диссертации обсуждались и докладывались на конференциях различного уровня: «Машиностроение – традиции и инновации» (Югра, 2011); «Будущее машиностроения
России» (Москва, 2014); «Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации» (Курск, 2014); «Современные тенденции в
технологиях металлообработки и конструкциях металлообрабатывающих машин и комплектующих изделий» (Уфа, 2014).
Личный вклад автора:
1) разработка теоретических положений по расчету температуры в зоне
резания с учетом переменной интенсивности тепловыделения по глубине поверхностного слоя детали;
2) исследование характера влияния наноструктурированных покрытий режущих инструментов на параметры обработки точением, величину остаточных
напряжений, глубину и степень наклепа, параметр шероховатости поверхности Rz
и предел выносливости, как характеристики усталостной прочности детали;
3) выполнение экспериментов, обработка полученных данных и формулирование выводов;
4) разработка программного обеспечения для расчета параметров, характеризующих качество поверхностного слоя деталей, после обработки инструментами с наноструктурированными покрытиями.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 научных работ, из
них 3 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертация имеет введение, четыре главы,
общие выводы. Объем работы – 141 страница машинописного текста, в том
числе 48 рисунков, 26 таблиц, список использованных источников из 82 наименований, 3 приложения.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении дается обоснование актуальности темы работы и общая характеристика направления исследований, а также текущее состояние исследований в области исследования влияния покрытий режущего инструмента качество поверхностного слоя, определены цели и задачи.
6
В первой главе представлены примеры деталей, изготавливаемых лезвийной
механической обработкой, к качеству поверхностного слоя которых предъявляются
высокие требования. Проведен анализ работ, посвященных технологическому
обеспечению параметров, характеризующих качество поверхностного слоя, и исследованию их влияния на эксплуатационные свойства деталей. Основополагающими являются труды Бабичева А.П., Безъязычного В.Ф., Биргера И.А.,
Букатого С.А., Бутенко В.И., Исаева А.И., Кожиной Т.Д., Кравченко Б.А., Кудрявцева И.В., Макарова А.Д., Маталина А.А., Мухина В.С., Овсеенко А.Н., Одинга И.А., Папшева Д.Д., Петухова А.Н., Подзея А.В., Промптова А.И., Силина С.С.,
Старкова В.К., Сулимы А.М., Суслова А.Г., Colwell L.V., Howes M., Totten G. и др.
Анализ работ показал высокую исследованность влияния технологических
условий обработки лезвийным инструментом без покрытия на рассматриваемые
в работе параметры качества поверхностного слоя (величины остаточных
напряжений, степени и глубины наклепа, параметра шероховатости поверхности
Rz) и предел выносливости материала детали. Также были проанализированы
работы Верещаки А.С., Григорьева С.Н., Кабалдина Ю.Г., Рыкунова А.Н.,
Табакова В.П., Фоменко Р.Н., Шустера Л.Ш. и др. по исследованию влияния покрытий режущих инструментов на параметры процесса резания. Отмечена недостаточная изученность связи параметров, характеризующих качество поверхностного слоя, и усталостной прочности деталей с технологическими условиями
обработки режущими инструментами с наноструктурированными покрытиями.
В результате анализа состояния проблемы были сформулированы цель и задачи диссертации.
Во второй главе обоснован выбор для исследования обрабатываемых материалов, режущего инструмента и режимов резания, а также произведено исследование влияния наноструктурированных покрытий на температуру в зоне резания и
силу Pz. Жаропрочный сплав ЭИ437 (ХН77ТЮР) и коррозионностойкая сталь
ЭК26 (05Х12Н2К3М2АФ) выбраны, так как к изготовленным из них деталям газотурбинной техники предъявляется высокие эксплуатационные требования. Рассматриваемый метод обработки – чистовое продольное точение резцами из твердого сплава ВК6Р с наноструктурированными покрытиями
(Ti;Si)N,
(Ti;Si;Al)N, нанесенными
ионно-плазменным вакуумно-дуговым методом, и
покрытием, полученным
методом ионной имплантации наночастиц Al2O3 в
рабочие поверхности инструмента.
Температура резания
Рисунок 1 – Схема действия объемных источников рассчитывалась по интетепла (на резце выделена область
гральным зависимостям для
наноструктурированного покрытия)
вариантов действия плос-
7
ких и объемных источников тепла. На рисунке 1 объемный источник тепла
ABKNA возникает в зоне основных пластических деформаций металла снимаемого припуска, объемный источник тепла ANN1А1А возникает впереди инструмента в результате пластических деформаций в поверхностном слое детали,
объемный источник тепла ДАА2Д1Д возникает на площадке контакта инструмента с деталью АД в результате взаимного трения.
Расчет температуры в зоне резания с учетом действия объемных источников
тепла было предложено производить, принимая во внимание распределение интенсивности тепловыделения вдоль оси у для источников тепла ANN1А1А и ДАА2Д1Д

y 
y

соответственно: q2 у  exp   p  и q3 у  exp   p  , где h – размер источ
h

h1 

ника тепла ANN1А1А вдоль оси y, м; h1 – размер источника тепла ДАА2Д1Д вдоль
оси y, м; p = 5 – константа, характеризующая распределение интенсивности
тепловыделения. Значение интенсивности тепловыделения для источников тепла ANN1А1А и ДАА2Д1Д имеет следующий вид, соответственно:
q АВ  а1 
q2 
2 h

0
1
sin 1

x 
y

exp

n

(1

)

exp

p



 dy2dx2
 
h


 2 

0
.
и
q3 
 р V
p

.
1  exp   p  h1
В работе выполнены расчеты температуры резания по интегральным формулам для варианта действия
плоских и варианта действия
объемных источников тепла.
Рассматривалась обработка
заготовки Ø98 мм при различных скоростях резания
(сплав ЭИ437, глубина резания 1 мм, подачи 0,1; 0,2; 0,3
и 0,4 мм/об, резец ВК6 с геометрией режущей части:
 = 10;  = 5; ρ = 10 мкм;
r = 1 мм; φ = 45; 1 = 15). В Тэкс – экспериментальное значение температуры резарезультате
сопоставления ния; Тпл – температура резания, рассчитанная с учетом
экспериментальных данных и действия плоских источников тепла; Тоб – температура
резания, определенная с учетом действия
результатов расчета по кажобъемных источников тепла
дому из рассматриваемых вариантов установлено, что при
Рисунок 2 – Расчетные и экспериментальные
увеличении значения подачи
значения температуры в зоне резания при обраточность зависимостей для ботке детали из сплава ЭИ437 (подача 0,3 мм/об)
8
расчета температуры резания с учетом действия плоских источников тепла значительно падает, что делает нецелесообразным их применение (рисунок 2).
Для определения влияния наноструктурированных покрытий режущего инструмента на температуру резания производился ее расчет с учетом действия
объемных источников тепла, принимая во внимание распределение интенсивности тепловыделения по глубине поверхностного слоя обрабатываемой детали.
Результаты расчетов показали, что покрытия режущего инструмента
(TiSiAl)N и Al2O3 значительно снижают температуру резания по сравнению c инструментом без покрытия при точении образцов из коррозионностойкой
стали ЭК26. Разница достигает 25% при скорости резания
1,4 м/с и подаче 0,2 мм/об
(рисунок 3), при этом, влияние покрытия (TiSi)N на температуру в зоне резания значительно ниже.
При обработке жаропрочного сплава ЭИ437 покрытия режущего инструмента значительно меньше
Рисунок 3 – Температура резания при обработ- снижают температуру в
зоне резания в отличие от
ке образцов из коррозионностойкой
обработки аналогичных обстали ЭК26 (подача 0,2 мм/об)
разцов из ЭК26.
Различие характера влияния наноструктурированных покрытий режущего
инструмента на значения температуры в зоне резания при обработке образцов
из ЭК26 и ЭИ437 объясняется различием тепловой интенсивности источников
деформации и трения по передней поверхности инструмента.
Применение покрытий режущего инструмента (TiSi)N, Al2O3 при обработке образцов из коррозионностойкой стали ЭК26 заметно снижают силу резания Pz по сравнению с вариантом обработки инструментом без покрытия
(различие значений
достигает
15%).
Применение покрытия (TiSiAl)N несущественно снижает
силу резания Pz (рисунок 4).
Рисунок 4 – Сила резания при обработке образцов из
Применение
сталиЭК26 при подаче 0,2 мм/об
наноструктурированных покрытий режущих инструментов при обработке жаропрочного сплава ЭИ437 практически не оказывает никакого влияния на силу резания Pz.
Причиной снижения силы резания Pz при применении наноструктурированных покрытий может являться изменение коэффициента укорочения стружки,
9
напрямую зависящего от безразмерного комплекса В и изменения адгезионных
процессов в сочетании инструментального и обрабатываемого материалов.
В третьей главе изучено влияние наноструктурированных покрытий режущих инструментов на величину остаточных напряжений, степень и глубину
наклепа, значение параметра шероховатости поверхности Rz и предел выносливости материала детали.
Была выдвинута гипотеза
о влиянии упрочнения обрабатываемого материала вызванного действием теплового фактора
на точность расчета величины
остаточных напряжений после
токарной обработки. Проверка
гипотезы осуществлялась с помощью имитационного моделирования остаточных напряжений, возникающих в резуль.расч.без упрочн. – расчетные остаточные напряжения
тате точения жаропрочного без учета упрочнения материала; .расч.с упрочн. – рассплава ЭИ437 при подаче
четные остаточные напряжения с учетом упрочне0,1 мм/об, глубине резания
ния материала; .экспер. – экспериментально полученные значения напряжения материала
1 мм, скорости резания 0,59 м/с
резцом из твердого сплава ВК8 Рисунок 5 – Эпюры суммарных расчетных и
с геометрией режущей части экспериментальных остаточных напряжений
при обработке образцов из сплава ЭИ437
α = 12,
 = 10,
 = 45,
1 = 15, r = 1 мм. Рассматривались два варианта – с учетом упрочнения обрабатываемого материала от действия
теплового фактора, а также вариант без его учета. Результаты расчетов показали
большую корреляцию с экспериментальными данными значений, полученных при
моделировании с учетом упрочнения, по сравнению с вариантом, не учитывающим
упрочнение (рисунок 5).
При обработке образцов из жаропрочного сплава ЭИ437 выявлено незначительное влияние наноструктурированных покрытий режущих инструментов
на величину суммарных остаточных напряжений. При обработке коррозионностойкой
стали ЭК26 все рассматриваемые
наноструктурированные покрытия значительно
снижают величину остаточных напряжений и глубину
Рисунок 6 – Эпюра остаточных напряжений
их залегания. В частности,
при использовании покрытия при обработке образцов из коррозионностойкой стали ЭК26 (подача 0,14 мм/об)
Al2O3 и подаче 0,14 мм/об
10
глубина залегания неблагоприятных растягивающих остаточных напряжений
снижается на 35% (рисунок 6).
Анализ результатов выполненных расчетов позволил сформировать рекомендации по целесообразности применения для чистового точения стали
ЭК26 наноструктурированных покрытий режущих инструментов Al2O3,
(TiSi)N, (TiSiAl)N (расположены в порядке возрастания величины и глубины
залегания остаточных напряжений).
Причиной различия величин и глубин залегания остаточных напряжений
могут являться разные значения коэффициентов трения сочетания деталь-инструмент, приводящие к изменению внутреннего трения и течения поверхностных
слоев обрабатываемой детали, а также влияние температурного фактора.
При обработке образцов из сплава ЭИ437 наноструктурированные покрытия режущих инструментов не оказывают какого-либо влияния на глубину
и степень наклепа (таблица 1).
Таблица 1 – Расчетные значения глубины h и степени наклепа N при обработке образцов из сплава ЭИ437 (глубина резания 1 мм, скорость резания 0,9 м/с)
Подача
Покрытие
0,07 мм/об
0,14 мм/об
0,2 мм/об
h, мкм
N, %
h, мкм
N, %
h, мкм
N, %
Отсутствует
14
6
21
9
24
11
(TiSi)N
14
6
20
9
25
11
(TiSiAl)N
14
6
21
9
26
12
Al2O3
14
6
22
10
24
11
При обработке образцов из коррозионностойкой стали ЭК26 наноструктурированные покрытия режущих инструментов оказывают значительное влияние на глубину и степень наклепа (таблица 2). Использование наноструктурированного покрытия Al2O3 приводит к снижению значений глубины и степени наклепа обработанной поверхности на 41% по сравнению со значениями,
полученными при использовании инструмента без покрытия. Положительное
влияние покрытий несколько снижается при уменьшении подачи инструмента с
0,2 мм/об до 0,07 мм/об.
Таблица 2 – Расчетные значения глубины h и степени наклепа N при обработке образцов из стали ЭК26 (глубина резания 1 мм, скорость резания 1,3 м/с)
Подача
Покрытие
0,07 мм/об
0,14 мм/об
0,2 мм/об
h, мкм
N, %
h, мкм
N, %
h, мкм
N, %
Отсутствует
8
4
18
8
24
12
(TiSi)N
6
3
11
5
14
7
(TiSiAl)N
6
3
11
5
14
7
Al2O3
5
2
11
5
14
7
11
Применение нитридных наноструктурированных покрытий для режущих
инструментов оказывает общее положительное влияние на снижение значения
параметра шероховатости Rz обработанной поверхности как для жаропрочного
сплава ЭИ437, так и для коррозионностойкой стали ЭК26.
Использование наноструктурированных покрытий (TiSi)N и (TiSiAl)N
при обработке образцов из жаропрочного сплава ЭИ437 позволяет достичь
снижения значений параметра шероховатости Rz обработанной поверхности на
30%. Обработка образцов из коррозионностойкой стали ЭК26 с использованием
наноструктурированного покрытия (TiSi)N позволяет достичь снижения значения параметра шероховатости Rz обработанной поверхности на 10%. Покрытие
режущих инструментов Al2O3 не оказывает положительного влияния на шероховатость обработанной поверхности.
Для расчетного определения предела выносливости материала образцов
после обработки, как характеристики усталостной прочности, использовалась
зависимость, полученная Безъязычным В.Ф. и Водолагиным А.Л.
 
 1  m   В 
  вэ 
K
 Rz  0,05  hC
 0,147
  ост
 0,09
,
где Rz – шероховатость поверхности, мкм; hc – глубина наклепа в поверхностном слое, мкм; ост – растягивающие остаточные напряжения в поверхностном слое, МПа; m и K – табличные величины, зависящие от вида обработки; В/ВЭ – отношение пределов прочности обрабатываемого материала и
предела прочности электротехнической стали соответственно.
Покрытия режущего инструмента (TiSi)N, (TiSiAl)N, Al2O3 при обработке
детали из жаропрочного сплава ЭИ437 не оказывают влияния на усталостную
прочность материала детали (таблица 3). Это можно объяснить тем, что значения
растягивающих остаточных напряжений и их глубины залегания в поверхностном
слое остаются одинаковыми при всех вариантах рассматриваемых покрытий.
Таблица 3 – Расчетные значения предела выносливости образца из сплава
ЭИ437 при обработке точением (подача 0,2 мм/об, скорость резания 0,9 м/с,
глубина резания 1 мм)
Шероховатость
Глубина
Остаточное
Предел выносПокрытие
Rz, мкм
наклепа, мкм напряжение, МПа ливости, МПа
Отсутствует
2,9
24
330
391
(TiSi)N
2,1
26
360
389
(TiSiAl)N
1,7
25
370
395
Al2O3
3,0
24
350
388
При использовании наноструктурированных покрытий (TiSi)N, (TiSiAl)N,
Al2O3 инструмента при обработке точением деталей из стали ЭК26 происходит
12
увеличение предела выносливости обрабатываемой детали, наблюдаемое в сочетании со снижением шероховатости, наклепа и величины растягивающих
остаточных напряжений (таблица 4). Для проведения расчета взяты максимальные значения растягивающих остаточных напряжений.
Наиболее предпочтительным покрытием режущего инструмента с точки
зрения наибольшего значения предела выносливости детали при обработки точением стали ЭК26 является Al2O3. Его применение повышает предел выносливости
относительно варианта обработки инструментом без покрытия примерно на 11%.
Таблица 4 – Расчетные значения предела выносливости образца из стали
ЭК26 при обработке точением (глубина резания 1 мм, скорость резания 0,9 м/с)
Глубина Остаточное Предел выносПодача,
ШероховаПокрытие
наклепа, напряжение, ливости, МПа
мм/об
тость Rz, мкм
мкм
МПа
Отсутствует
0,6
8
510
436
(TiSi)N
0,5
6
420
467
0,07
(TiSiAl)N
0,5
7
470
452
Al2O3
0,6
5
400
477
Отсутствует
2,1
18
400
371
(TiSi)N
1,7
11
320
411
0,14
(TiSiAl)N
2,0
12
360
399
Al2O3
2,0
11
290
412
Отсутствует
3,9
24
250
360
(TiSi)N
2,4
14
190
408
0,2
(TiSiAl)N
3,0
16
220
391
Al2O3
3,5
14
170
406
В четвертой главе представлено экспериментальное исследование влияния наноструктурированных покрытий режущих инструментов на величину
остаточных напряжений, степень и глубину наклепа, значение параметра шероховатости поверхности Rz при токарной чистовой обработке колец с наружным
диаметром 60 мм, толщиной 3 мм и шириной 15 мм, изготовленных из стали
ЭК26. Технологические условия проведения эксперимента были приняты: глубина резания 1мм, скорость резания 1,3 м/с, значения подачи 0,07 мм/об, 0,14
мм/об и 0,2 мм/об, задний угол α = 15°, передний угол γ = 5°, радиус при вершине резца r = 1 мм, главный и вспомогательный углы в плане φ = φ1 = 45°.
Инструментальным материалом при проведении экспериментальных исследований выступал твердый сплав МС321 (аналог ВК6) без покрытия и твердый сплав МС321 с нанесенными нитридными наноструктурированными покрытиями (TiSiAl)N и (TiSi)N.
Определение температуры резания производилось на основе термо-ЭДС
естественной термопары заготовка-резец. Регистрирование составляющих сил
резания Pz, Ру и Рх производилось универсальным динамометром УДМ – 600.
Для определения остаточных напряжений в поверхностном слое использова-
13
лась методика послойного электрохимического стравливания материала с образца. Микротвердость поверхностных слоев определялась с помощью микротвердомера Emco-test Durascan 20. Для измерения шероховатости обработанной
поверхности детали использовался портативный высокоточный профилометрпрофилограф TR 200 фирмы TIME GROUP INC.
При проведении эксперимента были произведены замеры значения силы
резания Pz и температуры резания Т (таблица 5). Расчетные значения и результаты проведенных экспериментов имеют хорошую степень корреляции (значение коэффициента Пирсона 0,63).
Таблица 5 – Расчетные и экспериментальные значения силы резания Pz и
температуры резания Т при чистовом точении образцов из стали ЭК26
Экспериментальные
Расчетные
Подазначения
значения
ча,
Покрытие
мм/об
Pz, Н
Pz, Н
T, С
T, С
Отсутствует
203
701
230
780
0,07
(TiSiAl)N
185
660
220
750
(TiSi)N
170
620
198
650
Отсутствует
380
850
392
950
(TiSiAl)N
360
797
375
880
0,14
(TiSi)N
350
758
334
760
Отсутствует
493
940
525
1010
0,2
(TiSiAl)N
460
844
480
940
(TiSi)N
452
794
440
815
Результаты расчета остаточных напряжений по зависимостям, описанным
во второй и третьей главах, учитывающим влияние объемных источников тепла
и упрочнение обрабатываемого материала детали в процессе токарной обработки, показывают достаточно хорошее совпадение
характера изменения значений с измеренными
экспериментальными
данными (рисунок 7).
Расчетные и экспериментальные значения
параметра шероховатости
Rz, а также глубины
наклепа
обработанной
поверхности показывают
удовлетворительную сходимость и зависимость от
технологических режиРисунок 7 – Эпюра остаточных напряжений при
мов точения. Кроме того, точении образца из стали ЭК26 (подача 0,14 мм/об)
14
результаты экспериментов подтвердили, что использование инструментов с
наноструктурированными покрытиями позволяет улучшить значения параметра
шероховатости обработанной поверхности Rz, величины остаточных напряжений и глубины наклепа по сравнению с точением инструментом без покрытия.
Результаты исследований реализованы в виде программного продукта
(свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ
№2016619840, дата регистрации 31 августа 2016 г.) и внедрены в учебный процесс кафедры «Технология авиационных двигателей и общего машиностроения» РГАТУ имени П.А. Соловьева.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ
1) Широкое применение в производстве режущего инструмента с наноструктурированными покрытиями требует использования соответствующих
расчетных зависимостей по определению параметров процесса резания. Большинство существующих зависимостей, связывающих параметры процесса резания, не учитывают физико-механические характеристики наноструктурированных покрытий, наносимых на инструмент и изменяющих температурносиловые условия протекания процесса лезвийной обработки резанием.
2) Существующие методики расчетного определения параметров, характеризующих качество поверхностного слоя, основанные на базе учета преимущественного влияния силового, либо теплового фактора процесса резания, с ограниченной адекватностью описывают сложные процессы в зоне резания. Известные
методики по расчету параметров качества поверхностного слоя на основе учета
взаимного действия теплового и силового факторов процесса резания требуют
уточнения закономерности изменения интенсивности тепловыделения при расчете температуры резания. Наличие наноструктурированных покрытий на рабочих
поверхностях режущих инструментов делает ограниченным, а зачастую просто
невозможным, применение большинства существующих расчетных методик
определения параметров, характеризующих качество поверхностного слоя. Применение в ходе моделирования процесса токарной обработки резанием подхода,
учитывающего действие объемных источников тепла и упрочнения, вызванного
влиянием теплового фактора в зоне резания, позволяет повысить точность расчетов и корреляционные характеристики базовых зависимостей.
3) Установлено следующее влияние наноструктурированных покрытий
режущих инструментов на величину остаточных напряжений, степень и глубину наклепа поверхностного слоя, а также шероховатость поверхности при чистовой обработке точением:
а) жаропрочного сплава ЭИ437:
– на величину суммарных остаточных напряжений, а также глубину их
залегания, влияние покрытий Al2O3, (TiSi)N, (TiSiAl)N незначительно;
– на величину глубины и степени наклепа, использование покрытий
Al2O3, (TiSi)N, (TiSiAl)N не оказывает практически никакого влияния;
– на величину значения параметра шероховатости Rz обработанной поверхности применение покрытий (TiSi)N и (TiSiAl)N влияет положительно,
15
позволяя достичь снижения значений параметра шероховатости Rz обработанной поверхности на 30%. Покрытие Al2O3 не оказывает практически никакого
влияния на шероховатость обработанной поверхности;
б) коррозионностойкой стали ЭК26:
– величина остаточных напряжений и глубина их залегания значительно
снижаются при использовании любого из покрытий Al2O3, (TiSi)N, (TiSiAl)N
(расположены в порядке возрастания величины и глубины залегания остаточных напряжений) по сравнению с вариантом обработки аналогичным твердосплавным инструментом без покрытия;
– величина глубины и степени наклепа значительно зависит от применения покрытий Al2O3, (TiSi)N, (TiSiAl)N, при этом, покрытие Al2O3 позволяет
снизить значения глубины и степени наклепа обработанной поверхности на
41% по сравнению со значениями, полученными при использовании аналогичного твердосплавного инструмента без покрытия;
– на величину значения параметра шероховатости Rz обработанной поверхности применение покрытий (TiSi)N и (TiSiAl)N в целом влияет положительно, обеспечивая снижение значений параметра шероховатости Rz обработанной поверхности при использовании покрытия (TiSi)N на 10%. Покрытие
режущего инструмента Al2O3 не оказывает практически никакого влияния на
шероховатость обработанной поверхности.
4) На усталостную прочность обрабатываемых деталей наноструктурированные покрытия режущих инструментов оказывают следующее влияние:
– при обработке жаропрочного сплава ЭИ437 исследуемые покрытия
(TiSi)N, (TiSiAl)N, Al2O3 оказывают одинаковое нейтральное влияние на усталостную прочность материала детали;
– при обработке коррозионностойкой стали ЭК26 наиболее предпочтительным вариантом покрытия инструмента, обеспечивающим наибольшее значение
предела выносливости детали, является Al2O3. Его применение повышает предел
выносливости относительно варианта обработки инструментом без покрытия
примерно на 11%.
5) Результаты исследования, реализованные в виде разработанного автором программного обеспечения, могут быть использованы для практического
применения в инженерно-технологических расчетах, связанных с точением деталей из коррозионностойких сталей и жаропрочных сплавов.
ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:
1) Басков, М.В. Расчет остаточных напряжений от действия теплового
фактора при обработке деталей точением / Безъязычный В.Ф. // Известия ЮгоЗападного государственного университета. − Курск, 2014. №3(54). С.140-144.
2) Басков, М.В. Расчет температуры резания в интегральной форме с
учетом объемных источников тепла / Безъязычный В. Ф., Тимофеев М. В. //
Вестник РГАТУ им П.А. Соловьева. – Рыбинск, 2014 №3 (30). С.106-111.
3) Басков, М.В. Исследование влияния наноструктурных покрытий ре-
16
жущего инструмента на параметры качества поверхностного слоя деталей машин при обработке точением с учетом действия объемных источников тепла и
упрочнения обрабатываемого материала / В. Ф. Безъязычный, М. В. Тимофеев
// Вестник РГАТУ им П.А. Соловьева. – Рыбинск, 2015 №1(32). С.142-145.
Публикации в других изданиях:
4) Басков, М. В. Исследование усталостной прочности деталей, обработанных инструментами с нанопокрытиями. / Безъязычный В. Ф., Тимофеев М. Ф.
// Сборник трудов Всероссийской молодежной конференции.
Юргинский технологический институт. − Томск, 2011.С.148-152.
5) Басков, М.В. Методика расчета остаточных напряжений от действия
теплового фактора при механической обработке с учетом упрочнения материала обрабатываемой детали / Безъязычный В.Ф. // Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации. Сборник научных
трудов XI-ой Международной научно-практической конференции: в 4 томах.
Том. 1. – Курск, 2014 С.207-212.
6) Басков, М.В. Методика расчета остаточных напряжений при обработке деталей точением // Будущее машиностроения России: сб. тр. Седьмой Всерос. Конф. Молодых ученых и специалистов. – Москва, 2014. С. 56-58.
7) Басков, М.В. Учет упрочнения материала детали, обрабатываемой точением, при расчете остаточных напряжений от действия теплового фактора //
Современные тенденции в технологиях металлообработки и конструкциях металлообрабатывающих машин и комплектующих изделий: Межвузовский научный сборник / Уфимск. Гос. авиац. Техн. ун-т. – Уфа, 2014. С.25-31.
Свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ:
8) Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ
№2016619840. Расчетное определение параметров качества поверхностного
слоя обработанной поверхности и усталостной прочности деталей машин с учетом упрочнения и действия объемных источников тепла при точении инструментом с наноструктурным покрытием для различных обрабатываемых материалов / Безъязычный В.Ф., Басков М.В., Тимофеев М.В.; правообладатель
ФГБОУ ВО «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П.А. Соловьева»; заявл. 05.07.16; опубл. 20.09.16.
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа