Повышение работоспособности дереворежущих фрез ультразвуковым пластическим деформированием рабочих поверхностей режущих элементов

Во введении отражена актуальность темы диссертационной работы,
приведены цели и задачи исследований, основные положения диссертации, вынесенные на защиту, представлена научная новизна.
В первой главе выполнен системный анализ состояния вопроса исследования, проведена первичная структуризация объекта исследования. На основе обзора работ Г.С. Андреева, А.Л. Бершадского, А.Э. Грубе, Г.А. Зотова В.А. Кудинова, Ф.М. Манжоса, В.И. Малыгина, А. Н. Маркова, Н.К. Мехта, Д.П. Саксена, В.Л. Фёдорова, А.Д. Шустикова, H. Jacobs сделаны выводы о том, что при рассмотрении вопросов эксплуатационной надёжности и совершенствования дереворежущих фрез, есть основания не учитывать влияние свойств оборудования (станка) на их работоспособность и рассматривать дереворежущие фрезы, как собственно изучаемую систему. В свою очередь, в дереворежущей фрезе выделяются отдельные конструктивные звенья, определяющие протекание физических процессов при резании, и, в конечном итоге, период безотказной работы инструмента в целом. Для дереворежущих фрез таким звеном является режущий элемент. В то же время физические процессы, происходящие в зоне резания непосредственно на передней поверхности режущего клина при контакте со стружкой и обрабатываемой поверхностью, зависят от физико-механических
свойств материала режущего элемента, обрабатываемого материала и изменения этих свойств в процессе резания.
Рассмотрены показатели качества дереворежущих фрез в целом и критерии качества режущих элементов, влияющие на эксплуатационную надёжность дереворежущих фрез. К таким критериям относятся критерии стойкости инструмента и критерии качества обработанной поверхности. Эти критерии зависят от показателей группы назначения, включающей марку, твердость материала РЭ, наличие износостойкого покрытия, состояние поверхностного слоя материала режущего элемента, основные показатели геометрической точности режущей части инструмента, параметры шероховатости и соответствия геометрии обработанной поверхности номиналу. Рассмотрены характеристики оценки износа режущего элемента. Проанализированы показатели качества поверхностного слоя металла рабочей поверхности РЭ, обеспечивающие его работоспособность, технологические методы упрочнения, обеспечивающие повышение эксплуатационных характеристик поверхностного слоя и работоспособности режущих элементов дереворежущих фрез. Сделан вывод о том, что инструментальные стали, применяемые для изготовления РЭ
повышения повысит повышения эксплуатационных характеристик поверхностного слоя РЭ из инструментальных сталей возможно применить ультразвуковую финишную обработку (УФО). Определены основные факторы, влияющие на качество поверхности РЭ при
УФО, цели и задачи исследования.
Во второй главе рассмотрены основные принципы расчёта и
функционирования узлов технологических комплексов УФО, влияющих на эффективность УФО. Представлена математическая модель формирования высоты микрорельефа при УФО РЭ по передней поверхности.
Микрорельеф рабочей поверхности режущих элементов при УФО определяется степенью деформирования и модификации этой поверхности индентором. При разработке математической модели принято допущение, что поверхность перед УФО идеально гладкая, отсутствует проскальзывание индентора по обрабатываемой поверхности в направлении обработки, обрабатываемое тело абсолютно жесткое, механические свойства материала распределены равномерно по поверхностному слою обрабатываемого тела. В процессе УФО, ультразвуковой инструмент (индентор) прижимается с постоянной силой FN к обрабатываемой поверхности с наложением периодически повторяющихся ультразвуковых импульсов. В интервале между импульсами сила внедрения деформирующего индентора равна нулю. Максимальное (пиковое) значение силы внедрения индентора Fmax (рис. 1б) существенно выше средней величины постоянной силы прижатия FN.
Ультразвуковая колебательная система представлена в виде конструкции, изображённой на рис. 1а. К основанию с массой М прикреплён сферический индентор на пружине растяжения. Под действием ультразвукового импульса, в определённые моменты времени, индентор касается плоской обрабатываемой поверхности, деформирует её, и затем отскакивает от этой поверхности.
дереворежущих фрез, имеют потенциальный
ресурс ресурса
эксплуатационных работоспособность
характеристик. Реализация этого РЭ и дереворежущей фрезы.
Для
В течение некоторого времени контакта между индентором и поверхностью нет. К системе постоянно приложена сила статического прижима FN, равная усреднённой за период колебаний силе контактного взаимодействия.
аб
Рисунок 1 Модель ультразвуковой колебательной системы (а), и характер
сил при взаимодействии индентора с поверхностью обработки (б).
F = 1 Т F t dt (1)
где Т – период ультразвуковых колебаний
Характер движения индентора и действующих сил изображён на рисунке 1б. Здесь t1 – момент касания индентора поверхности, t2 – момент прекращения контакта. Положение индентора описывается выражением.
 (t) = m sin 2 t (2) T
где ξm – амплитуда колебательных смещений индентора
Глубина внедрения индентора при упругой деформации поверхности
h(t)= sin2t−sin2t  (3) mT T1
n
T 0
()

Возникающая на основании теории Герца сила
F(t)=k h3 (4)
Максимум возникающей силы Fmax соответствует моменту времени
t = T4 (5)
3 2
F =k1−sin t (6)
max m T 1 
Отрыв индентора от поверхности при упругом взаимодействии
произойдёт при условии Таким образом
t =T−t (7) 221
T−t
121 322
F =  k msin t−sin t dt NTt1 T T1
(8) , F , 
Если в уравнениях (6), (8) пренебречь величиной t1 вследствие её незначительности, то они позволяют найти связь между величинами F
Приближённое соотношение имеет вид:
max N m F =kFpq (9)
max Nm
где k- коэффициент, зависящий от упругих свойств обрабатываемого
материала;
p = 23 , q = 12 – показатели степени, для данных условий – модель Герца
Глубина очага деформации (отпечатка) H0 от единичного внедрения индентора определяется соотношением
H =Q FNm (10) 0 HB
где Q – коэффициент, зависящий от упругих и пластических свойств обрабатываемого материала и инструмента,
НВ – твёрдость обрабатываемого материала по Бринеллю
Глубина отпечатка зависит от величины статической силы прижатия индентора FN, амплитуды колебательных смещений индентора ξm, упругопластических характеристик материала обрабатываемой поверхности. Приняв глубину отпечатка в качестве величины, характеризующей пластическую деформацию материала, можно определить высоту выступов микрорельефа (микрогребешков) поверхности hгр после УФО.
Формирование микрорельефа обработанной УФО поверхности в направлении продольного перемещения ультразвукового инструмента V происходит в результате многократных упругопластических деформаций, повторяющихся с частотой ультразвуковых колебаний при ударном вдавливании индентора и одновременном его перемещении вдоль поверхности обрабатываемого тела. Расстояние (шаг) PV между двумя соседними отпечатками индентора определяется зависимостью
PV =Vf (11)
где V – скорость перемещения деформирующего индентора
f – частота ультразвуковых колебаний индентора.
Для получения минимального размера высоты микрогребешка необходимо,
чтобы соседние отпечатки от индентора располагались с минимально возможным шагом (рис. 2а). При шаге, превышающем диаметр отпечатка на обработанной УФО поверхности, будут формироваться микрогребешки наибольшей высоты (рис. 2б).
б
поверхности РЭ при продольном перемещении индентора.
(а) – наименьшая высота микрогребешков, (б) – наибольшая высота
микрогребешков
Формирование микрорельефа обработанной УФО поверхности в поперечном направлении происходит в результате смещения ультразвукового инструмента на величину шага поперечной подачи Рs (построчного смещения) при ударном вдавливании индентора и одновременном его перемещении вдоль поверхности обрабатываемого тела. При превышении шагом поперечной подачи Рs определённой величины на обработанной УФО поверхности начнут образовываться участки с недеформированной зоной, имеющие наибольшую высоту микрогребешков (рис. 3б).
б
РЭ с поперечным перемещением индентора
Высота микрогребешков при УФО поверхности РЭ определяется зависимостью:
а
Рисунок 2 Схема формирования микрорельефа при УФО рабочей
а
Рисунок 3 Схема формирования отпечатков при УФО рабочей поверхности
h =1D − D2−8H Du−H i2 (12) грuu0 0
22 
где Du – диаметр деформирующего индентора; H0 – глубина единичного отпечатка
i – отношение шага между соседними отпечатками к диаметру единичного отпечатка
i = dP 0
где d0 – диаметр единичного отпечатка
P – шаг между соседними отпечатками Зависимости (12), (13) представляют
( 1 3 )
математическую формирования высоты регулярного микрорельефа поверхности РЭ при УФО. Рассчитанную по зависимости (12) высоту микрорельефа можно представить как шероховатость поверхности с параметром Rz. Для проверки на адекватность предлагаемой математической модели проведены экспериментальные
исследования.
В третьей главе приведены две методики исследования влияния
ультразвуковой финишной обработки на физико-механические, микрогеометрические и эксплуатационные характеристики РЭ из инструментальных сталей 9ХС, Р6М5, модифицированных УФО по передней поверхности. Представлены экспериментальные установки, оборудование, инструментальное сопровождение для проведения исследований.
Методика I – экспериментальное исследование влияния режимов УФО на физико-механические и микрогеометрические характеристики поверхности РЭ. Экспериментальная установка создана на базе токарного станка 16Б16КА с применением ультразвукового технологического комплекса (УЗТК) в состав которого входят: ультразвуковой генератор, ультразвуковая головка (УЗГ) с магнитострикционным преобразователем и рабочим деформирующим инструментом индентором, электронный индикатор линейного перемещения, воздушный компрессор. Экспериментальная установка показана на рисунке 4. В процессе УФО индентору, установленному в ультразвуковой головке через преобразующую и волноводную систему УЗТК, сообщаются механические колебания частотой 22 кГц, амплитудой 6-12 мкм, направленные по нормали к обрабатываемой поверхности образца РЭ, одновременно индентор прижимается к обрабатываемой поверхности с постоянной статической силой. Амплитуда колебаний индентора зависит от мощности электрического сигнала, подводимого к магнитострикционному преобразователю от ультразвукового генератора. Образец РЭ, закреплённый в патроне установки, вращается с определённой скоростью, а индентор, одновременно с вращением образца РЭ, непрерывно смещается на величину шага поперечной подачи. В результате такого воздействия на обрабатываемой поверхности образца РЭ происходит поверхностное пластическое деформирование с изменением физико-механических и микрогеометрических характеристик обработанной поверхности.
Ультразвуковая головка 2 установлена в резцедержателе через специальный держатель с двумя пластинчатыми пружинами, обеспечивающими постоянное усилие статического прижатия индентора к обрабатываемой поверхности, и контролируемое по индикатору линейного перемещения 3.
модель

аб
Рисунок 4 – Общий вид (а) и схема (б) экспериментальной установки для
исследования режимов ультразвуковой финишной обработки РЭ
1 – образец РЭ; 2 – ультразвуковая головка; 3 – электронный индикатор; 4- ультразвуковой генератор; 5 – компрессор; 6 – токарный станок
При проведении эксперимента применяли D – оптимальный план Хартли – Коно, предусматривающий проведение семнадцати опытов для четырёх переменных факторов. Методическая сетка опытов представлена в таблице 2.
Методическая сетка опытов Входные факторы
Таблица 2
No опыта
S, мм/об
Номинальные значения Уровни факторов
P, N n, X1 X2 X3 X4 Н Вт об/мин
1 0,17 225 100 80 0 0 -1 -1
2 0,1722510020000-10
3 0,1722510031500-11
4 0,1722515080000-1
5 0,172251502000000
6 0,172251503150001
7 0,1722520080001-1
8 0,172252002000010
9 0,172252003150011
10 0,04 50 150 200 1100
11 0,042251502001000
12 0,044001502001100
13 0,17 50 150 200 0100
14 0,174001502000100
15 0,3 50 150 200 1100
16 0,3 225 150 200 1 0 0 0
17 0,3 400 150 200 1 1 0 0
Образцы режущих элементов выполнены из инструментальных сталей, применяемых для изготовления режущих элементов дереворежущих фрез – быстрорежущая сталь Р6М5, низколегированная инструментальная сталь 9ХС.
11

Размеры образцов: диаметр 48 мм, высота 10 мм, твёрдость поверхности HRC 57-60. Перед УФО выполнялось шлифование поверхности образцов. При проведении эксперимента определяли шероховатость, микротвёрдость, остаточные напряжения на поверхности образцов режущих элементов до и после УФО.
Статистическую обработку результатов эксперимента проводили в компьютерной программе электронных таблиц Microsoft Excel, содержащей пакет регрессионного анализа данных. Определяли коэффициенты уравнений регрессии, по которым составляли регрессионную модель, предсказывающую значения шероховатости, микротвёрдости и остаточных напряжений для каждого опыта. Значимость коэффициентов уравнений регрессии проверяли по критерию Стьюдента. Все незначимые коэффициенты исключали, а оставшиеся данные анализировали повторно. Адекватность модели проверяли по критерию Фишера при 5%-уровне значимости. По результатам эксперимента строили графики изменения шероховатости поверхности, микротвёрдости, остаточных напряжений на поверхности образцов РЭ.
Методика II – экспериментальное исследование износостойкости режущих элементов дереворежущей фрезы, модифицированных ультразвуковой финишной обработкой по передней поверхности. Экспериментальная установка создана на базе фрезерного станка 6Т80Ш. Общий вид экспериментальной установки представлен на рис. 5.
аб
Рисунок 5 – Экспериментальная установка (а) и фреза для исследования
износостойкости РЭ (б)
1 – фрезерный станок 6Т80Ш; 2 – экспериментальная фреза; 3 – горизонтальный шпиндель станка; 4 – оправка; 5 – обрабатываемая заготовка; 6– корпус,
7– режущий элемент, 8– запирающий клин, 9– контргайка, 10– регулировочный микровинт, 11– накладка, 12 – зажимной винт
Для проведения исследования разработана и изготовлена экспериментальная цилиндрическая сборная дереворежущая фреза рис. 5б
12

с возможностью установки четырёх сменных режущих элементов. Фреза имеет следующие параметры: наибольший диаметр с установленными режущими элементами d=158мм, ширина корпуса фрезы и сменных режущих элементов 16 мм, материал сменных режущих элементов – сталь Р6М5 или 9ХС. Геометрия углов заточки и установки режущих элементов фрезы выполнена по ГОСТ 14956-79 «Фрезы дереворежущие насадные цилиндрические сборные. Типы, основные параметры и размеры».
Пазы для установки режущих элементов в корпусе фрезы промаркированы порядковыми номерами с No1 по No4. В два противоположных паза No1 и No3 устанавливаются режущие элементы, не обработанные УФО, в два противоположных паза No2, и No4 режущие элементы, обработанные УФО по передней поверхности на режимах обеспечивших наилучшие параметры качества поверхности при проведении эксперимента в методике I. Режущие элементы закрепляют винтом через запирающий клин. Для устранения радиального биения установленных и закреплённых режущих элементов, и обеспечения равных условий их работы, в конструкции фрезы предусмотрена регулировка выставки РЭ из корпуса посредством регулировочного микровинта и контргайки. Боковое смещение режущих элементов в процессе регулировки и работы фрезы ограничивается накладками, закрепляемыми на корпусе фрезы винтами. Режущие элементы рис. 6 выполнены из сталей марок Р6М5 и 9ХС, закалённых до твёрдости 57-60 HRC.
Рисунок 6 – Режущие элементы экспериментальной фрезы
Исследования износостойкости РЭ проводили резанием заготовок из древесины сосны и склеенной влагостойкой фанеры размерами 150х100х400 мм. Фанера ФСФ, I/III, Е1 ГОСТ 3916.1-96. Влажность образцов 10-12%. Устанавливали глубину резания 5 мм, ширину фрезерования за один проход 15 мм. Резание производили чередованием попутного и встречного направления обработки. Резание сосны осуществлялось вдоль волокон, резание фанеры по боковой поверхности заготовки с учётом расположения слоёв. Методическая сетка опытов таблица 3. При проведении опытов оценивали линейный микро износ режущих элементов по высоте, в центральной части режущей кромки (РК), и радиус заострения РК при установленной наработке машинного времени резания.
No
1 2 3 4 5 6
1 2
Наименование фактора
Обозначение –
Единица
– мсек ммрез
Числовые значения факторов сосна; фанера 18,6
0,11
Методическая сетка опытов
Таблица 3
Материал образца Скорость резания Подача на резец Глубина резания Ширина фрезерования Машинное время резания
V f t
мм 5 В мм 15
Тмаш мин Оценочные показатели
Линейный микро износ РЭ по высоте Δ мкм Радиус заострения режущей кромки ρ мкм
Линейный микроизнос измеряли при помощи разработанного устройства, позволяющего выполнять измерения по высоте РЭ в центральной части РК. Радиус заострения РК измеряли методом оттиска (слепка). Режущую кромку вдавливали на глубину 0,25 мм в подготовленную свинцовую пластину. Вдавливание производили на специально изготовленном приспособлении. Радиус РК кромки на оттиске, измеряли инструментами встроенного программного обеспечения металлографического микроскопа «Альтами Мет 4С». Для увеличения чёткости и качества изображения оттиска радиуса РК, накладывали программный пороговый фильтр с применением бинаризации. Так же на металлографическом микроскопе производили фотосъёмку состояния РК на наличие микровыкрашиваний. Для проведения измерений РЭ извлекали из корпуса фрезы после очередного цикла испытаний. После проведения измерений РЭ устанавливали обратно в корпус фрезы на прежние места, производили регулировку выставки РЭ из корпуса и новый цикл испытаний.
В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований.
После статистической обработки получены регрессионные зависимости характеристик состояния поверхностного слоя РЭ от режимов обработки УФО:
Шероховатость поверхности РЭ сталь 9ХС
Ra=0,4062 + 0,2385S – 0,00053P – 0,0009N (14)
Микротвёрдость поверхности РЭ сталь 9ХС
HV0,2=456+0,379P + 0,748N (15)
Остаточные напряжения на поверхности РЭ сталь 9ХС:
σрад =-518+0,6P + 0,14N (16)
σокр=-444+730S – 0,2N (17) Полученные регрессионные модели свидетельствуют о зависимости шероховатости, микротвёрдости, остаточных напряжений на поверхности РЭ, после УФО от технологических режимов – подачи ультразвукового инструмента, мощности ультразвукового генератора, усилия статического прижатия индентора к обрабатываемой поверхности. Уравнения регрессии шероховатости и микротвёрдости модифицированной УФО поверхности имеют коэффициент детерминации R2 0,83 – 0,94, что свидетельствует о высокой степени адекватности
этих моделей.
аб
вг
Рисунок 7 – Динамика изменения характеристик модифицированных УФО рабочих поверхностей РЭ сталь 9ХС
(а) – шероховатость, (б) – микротвёрдость,
(в) – окружные остаточные напряжения, (г) – радиальные остаточные напряжения
б
Рисунок 8 Микрорельеф поверхности режущих элементов сталь 9ХС
(а) до УФО, (б) после УФО
Результаты исследования износостойкости РЭ дереворежущей фрезы при резании
аб
Изменение состояния режущих кромок РЭ при резании древесины сосны
(а) – резание 84 мин., РЭ No1 немодифицированный УФО (б) – резание 84 мин., РЭ No2, модифицированный УФО
а
15

аб
Рисунок 9 – Зависимости износа РЭ, обработанных УФО, сталь 9ХС, обрабатываемый материал сосна
(а) – линейный износ РЭ, (б) – изменение радиуса режущей кромки
Из представленных графиков и рисунков состояния режущей кромки установлено, что при резании древесины сосны и фанеры, износ РЭ, затупление и выкрашивание режущих кромок РЭ, модифицированных УФО по передней поверхности, уменьшаются.
В пятой главе предложены практические рекомендации по выбору режимных параметров УФО при подготовке дереворежущих фрез из инструментальных сталей, обеспечивающие повышение эксплуатационных характеристик РЭ.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ
1. В результате проведённых исследований научно обоснована и экспериментально доказана возможность повышения износостойкости, работоспособности сборных дереворежущих фрез ультразвуковой финишной обработкой рабочих поверхностей РЭ из инструментальных сталей Р6М5, 9ХС.
2. Определены качественные характеристики модифицированной рабочей поверхности РЭ, влияющие на его износоустойчивость и работоспособность.
3. Разработана математическая модель формирования микрорельефа рабочей поверхности РЭ модифицированной УФО.
4. Установлены эксплуатационные режимы УФО, повышающие качество рабочей поверхностности РЭ – шаг подачи ультразвукового инструмента, мощность ультразвукового генератора, усилие статического прижатия индентора к обрабатываемой поверхности.
5. Получены регрессионные зависимости микрорельефа, шероховатости, микротвёрдости, остаточных напряжений на поверхности РЭ от режимных параметров УФО. Статистически значимыми составляющими зависимостей являются – шаг подачи ультразвукового инструмента, мощность ультразвукового генератора, усилие статического прижатия индентора к обрабатываемой поверхности.
6. Экспериментально установлено:
– уменьшение величины шага подачи от 0,17 мм до 0,04 мм снижает
шероховатость передней поверхности РЭ на 30-37 %. Микротвёрдость изменяется незначительно, 1,5-2 %.
– скорость перемещения ультразвукового инструмента по обрабатываемой 16

поверхности в диапазоне 6-30 ммин не снижает шероховатости обработанной поверхности и микротвёрдости РЭ из инструментальных сталей Р6М5, 9ХС.
– уменьшение усилия статического прижатия индентора к обрабатываемой поверхности от 400 H до 225 Н увеличивает шероховатость на 40-45 % и уменьшает микротвёрдость обработанной УФО поверхности РЭ на 12-16 %.
– увеличение мощности ультразвукового генератора от 100 до 200 Вт снижает шероховатость обработанной УФО поверхности РЭ на 71–75 % и увеличивает микротвёрдость на 9-12 %.
– установлена тенденция увеличения уровня средних сжимающих остаточных напряжений при модификации УФО передней поверхности РЭ от -450 до -940 Мпа.
– определена корреляционная зависимость повышения микротвёрдости при увеличении уровня остаточных сжимающих напряжений.
7. Экспериментально подтверждено, что УФО передней поверхности РЭ из инструментальных сталей Р6М5, 9ХС уменьшает затупление, износ и выкрашивание режущих кромок при резании древесины сосны на 52-58% и фанеры 32-44 %, что увеличивает рабочий ресурс дереворежущих фрез.
8. Разработаны и рекомендованы производству режимы УФО РЭ из сталей Р6М5, 9ХС для сборных деревообрабатывающих фрез. При частоте генератора ультразвуковых колебаний – 22 кГц, материале индентора – твёрдый сплав ВК6М, радиусе индентора – 4 мм, рекомендуются технологические режимы:
– скорость перемещения деформирующего индентора по обрабатываемой поверхности 6-30 ммин
– шаг поперечной подачи ультразвукового инструмента 0,04-0,17 мм
– усилие статического прижатия деформирующего индентора к обрабатываемой поверхности РЭ – 400 Н
– для уменьшения шероховатости и увеличения микротвёрдости уровень мощности ультразвукового генератора – 200 Вт
9. Результаты исследования и практические рекомендации представлены в АО «ЦС «Звёздочка», АО «НИПТБ «Онега» и применяются при подготовке дереворежущего инструмента, внедрены в учебный процесс кафедры «Технология металлов и машиностроения» Северного (Арктического) федерального университета.