Влияние качества поверхности на работоспособность деталей машин

      Введение. Обоснование актуальности

      1 Цели и задачи  работы. Научная новизна

      2 Обзор существующих  исследований и  разработок

      2.1 Труднообрабатываемые  материалы, применяемые  в машиностроении

      2.2 Теплофизические  особенности процесса  резания рассматриваемых  материалов

      2.3 Роль СОТС при  резании труднообрабатываемых  материалов

      2.4 Назначение режимов  резания

      3 Выбор технических  ограничений и  параметров оптимизации  для математической  модели

      Вывод

      Литература

Введение. Обоснование актуальности

 

      Несмотря на более  чем 80-летний опыт изготовления деталей  из труднообрабатываемых материалов, машиностроительные заводы испытывают значительные трудности при освоении технологии обработки резанием заготовок  из этих материалов. Снижение скоростей  резания приводит к возрастанию  трудоемкости изготовления изделий.

      Попытка интенсифицировать  обработку резанием путем ввода  в зону резания дополнительной энергии (резание с предварительным подогревом срезаемого слоя, обработка с вводом в зону резания ультразвуковых колебаний  и др.), а также заменить обработку  резанием электрофизической, электрохимической  не нашли значительного применения. Традиционное резание металлов является и в ближайшее время будет оставаться основным способом изготовления точных деталей машин, в том числе из труднообрабатываемых материалов.

      Поэтому разработка обоснованных технологических рекомендаций по выбору рациональных условий процесса резания  и оптимальных конструкций инструмента  для операций механической обработки  заготовок из широко применяемых  труднообрабатываемых сталей и сплавов  весьма актуальна. Наиболее исследована  токарная обработка труднообрабатываемых металлов, процесс сверления данных материалов еще мало изучен.

 

1 Цели и задачи  работы. Научная новизна

 

      Целью работы является повышение  производительности обработки отверстий  и стойкости осевого инструмента  при обработке труднообрабатываемых материалов.

      Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:

      - Рассмотреть классификацию,  физико-химические и механические  свойства и область применения  труднообрабатываемых материалов.

      - Изучить характер  протекания тепловых явлений  при механической обработке исследуемых  материалов.

      - Изучить методы повышения  производительности обработки за  счет обоснованного выбора СОТС.

      - Рассмотреть вопрос  оптимизации режимов резания  нержавеющих и жаропрочных сталей  и сплавов.

      - Разработать математическую  модель расчета оптимальных режимов  сверления.

      - Разработать технологический  процесс изготовления детали  с учетом особенностей обработки  данного материала.

      Предполагаемая научная  новизна работы заключается в  определении закономерности влияния  СОТС на режимы резания при сверлении. Определение оптимальных режимов  резания, для заданных условий обработки  при обеспечении высокой эффективности  проникновения СОТС в зону резания  и эффективного удаления стружки, позволит повысить производительность обработки, снизить ее себестоимость, а также  повысить качество обработанных отверстий.

 

2 Обзор существующих  исследований и  разработок 
 
2.1 Труднообрабатываемые материалы, применяемые в машиностроении

 

      В литературе вопрос об обработке  труднообрабатываемых материалов на сегодняшний  день рассмотрен недостаточно широко, особенно это касается обработки  сверлением. В тоже время по обработке  лезвийным инструментом (в частности  точением) существует достаточно большое  количество всевозможных исследований, которые широко применяются на практике. В области обработки труднообрабатываемых материалов широко известны работы Гуревича Я.Л., Подураева В.Н., Егорова И.С. и др.

      Так, Гуревич Я.Л. приводит следующее описание свойств труднообрабатываемых материалов[1]:

      1. Теплостойкие стали  обладают свойством противостоять  деформации и разрушению при  механическом нагружении в области температур ниже 550 °С, когда не возникает опасности интенсивного окалинообразования.

      2. Коррозионностойкие (нержавеющие стали) обладают стойкостью против электрохимической коррозии (атмосферной, почвенной, щелочной, кислотной, солевой, морской и др.).

      3. Жаростойкие (окалиностойкие) стали и сплавы обладают стойкостью против химического разрушения поверхности в газовых средах при температурах выше 550 °С, при работе в ненагруженном или слабонагруженном состоянии.

      4. Жаропрочными сталями  и сплавами обладают способностью  работать в нагруженном состоянии  при высоких температурах в  течение определенного времени,  обладая при этом достаточной  окалиностойкостью.

      Кроме этого, к труднообрабатываемым сталям можно отнести высокопрочные  закаленные и сверхпрочные стали, которые  представляют собой высоколегированные и углеродистые стали мартенситного  класса твердостью HRC > 28 [2].

      ЦНИИТМАШ разработана  классификация для труднообрабатываемых материалов по обрабатываемости резанием:

      I группа. Стали, применяемые для изготовления впускных и выпускных клапанов двигателей, лопаток и дисков турбин, работающих при температурах до 500-600 °С. Обрабатываемость таких сталей вполне удовлетворительная, мало отличается от обрабатываемости углеродистых и малолегированных конструкционных сталей соответствующей прочности.

      II группа. Стали, применяемые в основном как нержавеющие стали для изготовление арматуры, турбинных лопаток и дисков, работающих при температурах до 530-580 °С (1X13, 2X13, 15Х12ВМФ, ЭИ961 и др.), хирургического инструмента, шарикоподшипников (3X13, 4X13) и других деталей с высокой коррозионной стойкостью. Механическая обработка этих сталей производится как после отжига (1X13, 1Х17Н2, 2X13, 15Х12ВМФ и др.), так и после термической обработки до высокой прочности (3X13, 4X13, ЭИ961 и др.). В отожженном состоянии эти стали имеют удовлетворительную обрабатываемость по скорости резания. Применяемые скорости резания примерно в 1,5—2 раза ниже скоростей резания, применяемых при обработке стали 45.

      Обрабатываемость по чистоте поверхности сталей II группы в отожженном состоянии весьма низкая вследствие налипания срезаемого металла  на рабочие поверхности инструмента.

      III группа. Стали этой группы получили широкое распространение как кислотоупорные, нержавеющие и жаропрочные материалы. Они применяются почти во всех отраслях промышленности для изготовления деталей, работающих в условиях, вызывающих коррозию металла или в условиях высоких температур. В ряду жаропрочных сталей аустенитного класса они имеют наилучшую обрабатываемость резанием: применяемые скорости резания при их обработке примерно в два раза ниже скоростей резания, применяемых при обработке стали 45.

      IV группа. Сложнолегированные стали аустенитного класса, которые идут на изготовление дисков и лопаток газовых турбин, кольцевых и крепежных деталей, работающих при температурах до 650 °С. Обрабатываемость их резанием в три-четыре раза ниже стали 45.

      V группа. Жаропрочные деформируемые сплавы на никелевой и железоникелевой основах. К ним относятся сплавы типа 75-20-2,5 (ЭИ437, ЭИ437А, ЭИ437Б) и сложнолегированные сплавы ЭИ617, ЭИ445Р и др.

      VI группа. Литейные сплавы, применяемые для изготовления деталей, работающих в условиях больших нагрузок при температуре до 900—1000 °С. Для обработки таких сплавов в большинстве случаев применяют твердосплавный инструмент.

      VII группа. Сплавы на титановой основе (ВТ14, ВТ15, ВТ3-1, ВТ22 и др.).

      К группе VIII отнесены высокопрочные стали (28Х3СНМФА, 30Х2ГСН2ВМ, 35Х5МСФА, 42Х2ГСНМ, Н18К9М5Т)[1].

 

2.2 Теплофизические  особенности процесса  резания рассматриваемых  материалов

 

      Анализ и регулирование  тепловых явлений при резании  жаропрочных и коррозионностойких сталей и сплавов необычайно важны. Это обусловливается двумя особенностями:

      - силы резания труднообрабатываемых  металлов значительно превышают  силы резания при обработке  обычных конструкционных сталей, это приводит к повышению величины  удельной работы и количества  тепла на единицу срезаемого  объема металла;

      - теплопроводность труднообрабатываемых  материалов, как правило, существенно  ниже теплопроводности обычных  конструкционных материалов. В результате  тепло не успевает отводиться  из зоны резания, что вызывает  сильный нагрев режущей части  инструмента. Особенно это актуально  для процессов обработки осевым  инструментом, когда последний работает в относительно замкнутом пространстве [1].

      Исходя из этих особенностей, работа на рекомендованных для конструкционных  сталей режимах резания приводит к быстрому достижению допустимой температуры  резания, стойкость сверла резко  падает, увеличение сил резания приводит к поломке инструмента. Поэтому, для труднообрабатываемых материалов необходимо снижать скорости резания  от 2 до 20 раз, что приводит к снижению производительности обработки. В связи с этим, возникает вопрос об изыскании таких технологических методов, которые при высокой прочности обрабатываемых материалов обеспечили бы достаточно высокую производительность и стойкость режущего инструмента. Применение правильно подобранных смазочно-охлаждающих жидкостей позволяет несколько изменить тепловые процессы[2].

      Рисунок 2.1 представляет изменения температуры вдоль  режущей кромки сверла. Максимальный нагрев отмечен на расстоянии 0,8-0,9 диаметра сверла от его оси. Затем темп роста  температуры снижается. Такое распределение  температуры вдоль режущей кромки является результатом совместного  влияния подвода тепла к данной точке контакта инструмента с  деталью и отвода его в массу  детали. В сечениях, расположенных  близко к оси, температура, по мере удаления точек от лезвия сверла падает. 

 

      Температура на поперечной кромке составляет 60-80% от максимального  значения. С увеличением подачи S и особенно с увеличением скорости V темп нарастания температуры на периферийных участках оказывается выше, чем у поперечной кромки, здесь сказывается влияние теплоотвода в сердцевину сверла[3].

      Высокие температуры  в зоне обработки, возникающие из-за низкой теплопроводности труднообрабатываемых материалов, определяют необходимость  исследования температурных явлений  в зоне резания. Для этих видов  материалов представляет интерес дальнейшее развитие методики определения температур в зоне резания при использовании  СОТС и учет их влияния на выбор  оптимальных режимов резания.

 

2.3 Роль СОТС при  резании труднообрабатываемых  материалов