Диссертация (Технологическое обеспечение качества прецизионных поверхностей деталей типа «тел вращения» из титановых сплавов), страница 5

Данная операция, какприводилось ранее в исследовании, повышает степень растягивающихостаточных напряжений и диффузии легирующих элементов в зоне обработки.Помимо прочего, снижается в значительной степени их сопротивлениеповторным нагрузкам. Это может проявляться как в области малого цикла, таки в ходе испытания на усталость большими циклами, шаржированииповерхности, а также разрушении структуры поверхности. В конечном счете,это приводит к снижению износостойкости, нарушая эксплуатационныесвойства детали и всего изделия в целом [86]. В целях обеспечения качества27обрабатываемой поверхности детали типа «тел вращения» и ухода, такимобразом, от негативных последствий, необходимо отказаться от шлифовальнойоперации.Выявление факторов, оказывающих прямое или косвенное воздействие нафизико-механическиесвойстваповерхностивпроцессеизготовлениятитановых деталей типа «тел вращения», позволит обеспечить необходимыекачественные и точностные характеристики при механической обработкеответственных поверхностей стяжки с последующим уходом от операциишлифования.В настоящее время задача обеспечения качества обработки заготовокдеталей различных агрегатов из титана и его сплавов может быть решена засчет стабилизации процесса резания, реализованного при помощи основныхнаправлений, которые сводятся [53, 54, 55, 56, 57]:– к изменению геометрических параметров обрабатываемой поверхности,то есть созданию на поверхности лунок, уступов, порогов и т.д.;– к изменению геометрических параметров инструмента.1.3 Анализ различных методов повышения качества обработкидеталей типа «тел вращения» из титановых сплавовРешающее влияние на шероховатость поверхности и точность формыобрабатываемой прецизионной поверхности оказывает устойчивость процессамеханической обработки.

Особенностью явления неустойчивости системымеханической обработки является образование физического возбуждениясистемы обработки. На этапах лезвийной обработки обеспечение качестваповерхности зависит от режущей части инструмента. В частности образованиекритических температур в зоне резания и высокого наростообразованияприводит к образованию отклонений формы и повышению шероховатостиобработанной поверхности, а также преждевременному износу режущейкромки лезвийного инструмента [16, 27, 31].28Основной причиной возникновения вибраций в замкнутой динамическойсистеме механической обработки являются силы возмущения, инерционные.Совокупность сил, действующих на механическую систему, и развивающихся вее связях (внешние и внутренние силы) весьма различны как по природезарождения, так и по влиянию на процесс зарождения неустойчивости системы[11, 19, 37, 41, 58, 92].Основными типами сил являются:– смешанные силы, зарождающиеся в сложных механических системах,неразложимые на суммы сил, действующих на систему;– позиционные силы, которые рассчитывают из условий отклоненийсистемы от состояния равновесия;– диссипативные силы, при которых происходит рассеивание и переходмеханической энергии в немеханические формы (силы вязкого или сухоготрения, силы сопротивления и т.д., повышающие амплитуду колебаний);– возмущающие силы – это внешние, переменные во времени, силы, независящие от состояния системы, но поддерживающие частоту амплитудныхколебаний.Различают четыре вида колебаний: собственные (или свободные);параметрические; вынужденные и автоколебания [41, 58, 80, 73].Наибольшее значение на процессы резания оказывают вынужденныеколебания и автоколебания.

Отличительной особенностью автоколебанийявляется то, что начинаются они одновременно с началом процесса резания ипрекращаютсясегоокончанием.Основнойпричинойзарожденияавтоколебаний является сам процесс резания.Вынужденные колебания возникают при действии на систему внешнейпериодической возбуждающей силы.

Источниками данной силы, как уже былосказано, могут являться: прерывистое резание (к примеру, фрезерование);разбалансировкавращающихсяэлементов(заготовки,лезвийногоинструмента); неравномерность снимаемого припуска; вибрации, передаваемыеизвне, дефекты передач и привода станка (например, погрешности зубчатой29передачи и т.п.). Амплитуда (или интенсивность) вынужденных колебанийзависит от влияния на упругую систему смещения элементов конструкциистанка.

Это значит, что составляющие элементы изменяют положение деталей,которые составляют подвижное соединение (резец и заготовка, суппорт инаправляющие, статор и ротор и так далее). Помимо рабочих процессов,упругая система подвергается воздействию инерции неуравновешенныхвращающихся деталей и узлов, которые совершают возвратно-поступательныедвижения, силы веса узлов и заготовка, усилия закрепления деталей системы;тепловые источники и, наконец, толчки и колебания, которые передаются извнечерез фундамент или возникают в самой системе в результате неточностизацепления зубчатых колес и иных погрешностей изготовления деталей илисборки.Подавтоматическимивозбуждающимиколебаниямипонимаютколебательный процесс в диссипативных системах (т.е. в системах с потерями –на трение, выделение тепла и т.д.), характеристики которого – амплитудаколебаний, их форма, период и частота (спектр) определяются самой системойи не зависят от изменения начальных условий.

Для системы, которая имеетконечное количество степеней свободы, автоколебания возможны на различныхчастотах, приближенных к собственным, где основным влиянием обладаютподсистемы «заготовка» и «инструмент» (Рисунок 1.8). Из приведеннойнелинейной модели технологический системы механической обработки,представленной на Рисунке 1.8, следует, что подсистема «инструментзаготовка» (fp), сопровождаемая автоколебаниями в области средних и высокихчастот, является наиболее неустойчивой динамической подсистемой.В настоящее время ученые не пришли к единому мнению о характерныхособенностях возникновения автоколебаний в технологической системемеханической обработки. Несмотря на это, существует огромное количестворазличных теорий, описывающих причины возникновения автоколебаний иопределяющих сложность данного процесса.30Изучениюметодовтруднообрабатываемыхиспособовматериаловмеханическойпосвященрядобработкифундаментальныхисследований Дж.

И. Армарего, П.П. Армстронга, Л.В. Бергера, Р.Х. Брауна,В.Л. Вейца, Б.К. Вульфа, В.А Кривоухова, П.Г. Петрухи, В.Н. Подураева, Б.Б.Чечулина, а также М.Е. Эльясберга и др.В работе И. Дж. И. Армарего и Р.Х. Брауна рассмотрены особенностистружкообразованияприобработкерезаниемтруднообрабатываемыхматериалов. Дан анализ основных видов стружки и обоснована основнаяпричина наростообразования – что является главной причиной износа режущихинструментов. Приведены зависимости размеров зоны пластического сдвига ихарактера образования стружки [4, 32].Рассмотрен процесс стружкообразования, который является одним изпроцессов пластического сдвига. Представлена модель зоны деформацииметалла, имеющая два вида – модель с одной плоскостью сдвига и модель сразвитой плоскостью.

Описаны модели процесса резания с образованиемнароста и условиями обеспечения резания высокопластичных материалов.Рассмотрены пути повышения стойкости лезвийного инструмента, исследованавиброустойчивость и стабильность процесса резания [4].В основу работы В.Н. Подураева о повышении эффективностимеханическойобработкитруднообрабатываемыхвысокопластичныхматериалов были положены объяснения механизма автоколебаний при резании,являющихся причиной динамической нестабильности в технологическойсистеме механической обработки.Приведенные в работах систематизированные данные по сопротивлениюдеформации, прочностным и пластическим характеристикам в условияхразличных процессов обработки цветных металлов и сплавов не обеспечиваютсниженияавтоколебательногопроцессавтехнологическойсистемемеханической обработки, что существенно влияет на точность и качествообработки [73, 74].31Впервые вопросы о зарождающихся автоколебаниях системы прилезвийной обработке затронуты Н.А.

Дроздовым. Как показали исследования,вибрации не объясняются равенством частотных характеристик при отделениистружки с частотными характеристиками собственных колебаний подсистемы«заготовка».Рисунок 1.8 – Нелинейная модель ТСМО по Б.М. Бржозовскому, где: 1 – ротор двигателяглавного движения; 2 – статор двигателя главного движения; 3 – статор двигателяпродольных подач; 4 – ротор двигателя продольных подач; 5 – передняя бабка;6 – шпиндель; 7 – патрон; 8 – державка; 9 – резец; 10 – заготовка; 11 – каретка; 12 – суппорт;13 – ходовой винт; 14 – статор двигателя поперечных подач; 15 – ротор двигателяпоперечных подач32В работах А.И. Каширина [46] за основу теории были принятызависимости силы трения от параметров режимов резания.

Приведенырезультирующие показатели переменности сил трения о режущую кромкуинструмента вследствие изменения его частотных характеристик колебаний поотношению к обрабатываемой поверхности заготовки и изменению силырезания, образуемому вследствие изменения углов резания лезвийногоинструмента в процессе вибрации.В основе исследований А.П. Соколовского [80] лежит теория нелинейнойзависимости силы резания от скорости колебательного движения станка какколебательнойсистемысоднойстепеньюсвободы,приводящегоксамовозбуждающимся колебаниям. Автор описывает процесс возникновениявибраций неравномерностью сил при врезании инструмента в обрабатываемыйслой и последующем отталкивании наростообразования при срыве.В научной работе И.И.

Ильницкого по возникновению автоколебаний всистеме механической обработки указывается, что переменная сила трения,действуя по задней поверхности резца и возникая в результате цикличногоизменения параметров заднего угла в условиях виброактивности процесса,обеспечиваетсреднеоптимальнуювеличинупрогибаинструмента,поддерживает незатухающие колебания.И.С. Амосов совместно с В.А. Скраганом в своей работе [2] исследовалипроблему установления связи между перемещением заготовки и вершинойрезца.Наосновединамическойполученныххарактеристикивыводов,резаниябылоипредложеноустойчивостипонятиепроцессастружкообразования, а также обоснована зависимость параметров от скоростиобработки. Сила резания не успевает за изменением толщины снимаемого слоя,что обеспечивает автоколебательный процесс в системе.Авторамтакжеудалосьпровестиисследованиезакономерностизарождения автоколебаний, которые зависят от режимов обработки иизменения в параметрах обрабатываемой поверхности.

Таким образом, былиопределенытриосновныхмеханизмавозбужденияавтоколебаний,33заключающиеся в различной величине сил резания при внедрении инструментав зону резания и отталкивания от обрабатываемого слоя; переменности силтрения в условиях неравномерности скорости колебаний инструмента;запаздывании сил резания относительно глубины срезаемого пропуска.На данный момент существует несколько современных методовснижения и обеспечения стабильности механической обработки. На Рисунке1.9 приведена классификация основных методов обеспечения пониженияамплитуды вибрации в технологической системе и обеспечение динамическойстабильности механической обработки.Рисунок 1.9 – Основные методы повышения динамической устойчивости технологическойсистемы [2, 35]При рассмотрении различных алгоритмов повышения точности икачества обработки изделий из титановых сплавов было выделено нескольконаиболее часто применяемых методов.Абразивно-отделочные методы, к которым относят тонкое шлифование,хонингование, полирование и суперфиниширование; в некоторых случаяхспособны обеспечить снижение показателей шероховатости за счет того, чтоблагодаря этим процессам происходит срез выступов и неровностей.

Тем неменее, шаговые параметры остаются неизменными, так как существующие34впадины таким способом невозможно заполнить металлом. Таким образом,несущая способность поверхности не изменяется, что негативно сказывается наизносостойкости и жесткости. Глубина и степень упрочнения, получаемые притакой обработке, значительно меньше, чем при поверхностно-пластическомдеформировании (ППД). Также в связи с высоким нагревом поверхности впроцессе обработки формируются остаточные напряжения с положительнымзнаком [7].Термическая закалка высокочастотными токами, плазменным нагревом,лазером и электронными лучами позволяет добиться большей глубины имикротвердости в сравнении с методами ПДД. Однако, к недостаткам такогоподхода относятся неравномерное изменение физико-механических свойствповерхности, а также переход от обрабатываемого слоя к основномунезакаленному металлу, что ослабляет прочность деталей [2, 7].Наплавка, металлизация, плакирование, эмалирование, газометрическоенапыление, физическое или химическое осаждение и другие способы нанесенияпокрытий создают на детали тонкий слой другого химического состава,который обладает более высокой твердостью, износостойкостью и сниженнымкоэффициентом трения.Переднанесениемпокрытиядляобеспеченияоптимальнойшероховатости поверхность металла необходимо изначально подготовить,например, предварительно осуществить напыление подслоя с высокимиадгезионными свойствами.