Исследование влияния сож iia процесс взаимодействия инструмента ii заготовки при обработке металлов резанием

    В процессе резания смазочные свойства СОЖ оценивают по величине составляющих сил резания, их отношению, по потребляемой мощности или по интенсивности износа инструмента, по наличию наростов, на- липов и вырывов на контактирующих поверхностях инструмента и заготовки, по усадке стружки и площади (длине) контакта стружки с передней поверхностью инструмента. Смазочные свойства СОЖ влияют также на качество поверхностного слоя: шероховатость поверхности и остаточные напряжения.

    В ряде публикаций смазочную способность СОЖ рекомендуют определять по величине составляющих сил резания, например, Ч. Янг (США) определял смазочную способность двенадцати СОЖ (их химический состав не сообщается) при черновом точении стали V-образным быстрорежущим резцом, чтобы обеспечить более тяжелые условия работы инструмента [84]. На наш взгляд, при таких испытаниях следует учитывать химическую активность СОЖ. Разница в технологических свойствах СОЖ более заметна при резании вязких, прочных и труднообрабатываемых материалов.

    Испытания СОЖ проводили на различных операциях: токарной, сверлильной, резьбонарезной на токарно-винторезном и радиально- сверлильном станках. Применялись инструменты, оснащенные пластинами твердого сплава ВК8, с износостойким покрытием TiC и TiN, из быстрорежущих сталей Р18, Р6М5. Обрабатывались материалы из стали 45.

    Для проведения испытаний были отобраны: водная полусинтетическая СОЖ ЭРЛ, индустриальное масло И-12Л и масляная СОЖ РЦ-2. По нашей просьбе Институт Машиноведения Академии Наук России передал нам трибополимерообразующую присадку трения (ТПТ) с тем, чтобы установить возможность ее использования в качестве СОЖ.

    В рамках настоящей работы экспериментальные  исследования на металлорежущих станках  по оценке эффективности использования  СОЖ проводились с использованием методики полного факторного эксперимента.

  4.2. Использование методики  полного факторного  эксперимента при  проведении исследования  влияния СОЖ на  процесс резания

    При проведении исследований процессов  резания целесообразно использовать основы математической теории эксперимента. Планирование позволяет выбрать наиболее характерные или близкие к ним условия протекания сложных процессов, получить их математическую модель и значительно сократить объем экспериментальных исследований.

    Получаемые  значения результатов эксперимента, согласно правилам регрессионного анализа, кодируются в виде значений уровней  переменных факторов, которые в нашем случае, например, отображены в уравнение (2.5). Чтобы исчерпать все возможные комбинации независимых переменных факторов х;, Х2, xj, ... , x_ly варьируемых на двух уровнях, за план эксперимента принимается полный факторный эксперимент типа 2*, где п - число независимых переменных. Если число переменных факторов принято к~3, то общее число исследуемых точек факторного пространства N=16. Тогда матрица уравнения поверхности отклика, в общем виде, можно записать как:

y=a₀+aiX_/+a2X2+a₃X3+a_ux_IX2+a_L3xix₎+a₂,3X2X₃+a_ux,²+a2.&2*+ахзХз². (38) где аI, а₂, as - постоянные значения параметров уравнения.

    Основываясь на том, что эмпирические значения у не связаны между собой, считаем, что ошибки эксперимента распределены нормально и имеют одинаковые дисперсии.

    Коэффициенты  уравнения (38) определяются на основе экспериментальных данных способом наименьших квадратов. Для облегчения решения получаемой при этом способе системы линейных уравнений применяется матричная алгебра.

    Для упрощения расчетов матриц, превращения  их в единичные, т.е. чтобы коэффициенты при у в системе линейных уравнений  были равны +1,-1, произведем кодирование при помощи уравнения:

Z, = 2(1п_Х1 -Inx_irnix)/(InX_ilTUX -lnx_iinin)+1, (39)

где Xi - значения варьируемых факторов (s_x, £₂, s₃).

    Результаты  кодирования сводятся в таблицу. После подстановки Z, вместо х, уравнение (39) принимает вид

ji> = Ь₀ + 6/Z/+ b₂Z₂ + b_sZ₃. (40)

    В каждой точке факторного пространства (к=1, 2,..., N) проводится по три опыта, среднее значение которых обозначено^.

    Коэффициенты  апроксимирующей функции определяются по формуле:

А^г

b^^Z^/N. (41)

к= 1

    После подстановки числовых значений получим:

у = Ь₀ +djZj + b₂Z₂ + b₃Z₃ + ... (42)

    Для оценки полученных результатов экспериментального исследования необходимо определить и проанализировать дисперсии, значимости коэффициентов b₍ и проверить адекватность постулированной математической модели. Оценка дисперсии производится по формуле:

S_k² = l/(m-l)Y.(yt-y)\ (43)

где т - число испытаний в каждой точке  факторного пространства.

    4.2. Экспериментальные  исследования влияния  СОЖ и обрабатываемого материала на процесс стружкообразования

    В связи с тем, что физико-химические процессы в зоне резания, пластические деформации и тепловые явления связаны  со скоростью резания нами было изготовлено специальное устройство, позволяющее нарезать резьбу с использованием различных СОЖ на вертикально- сверлильном станке и производить мгновенную остановку метчика. Крутящий момент от шпинделя станка передавался метчику через быстросменный патрон и специальный патрон, чека которого входила в шпоночный паз на хвостовике метчика. Две мощные пружины выталкивали чеку в заданный момент времени, и метчик мгновенно останавливался. Разъемные образцы для нарезания внутренней резьбы делались из двух плотно прилегающих шлифованных по поверхности стыка пластинок, которые зажимались в тисках. Плоскость разъема совпадала с осью метчика. После нарезания резьбы и остановки метчика образцы вместе с метчиком осторожно, чтобы не повредить корни стружек, извлекались из приспособления. Из них вырезались образцы шириной около 10 мм вместе со стружкой, которые заливались полистеролом или оловом. Микрошлифы металла изучался на микроскопе при увеличении от 30 до 300 раз и фотографировались.

    Микрофотография сечения корня стружки, полученная при обработке стали 45 со скоростью резания 9 м/мин с использованием 5%-ной эмульсии ЭТ-2, показана на риенке 4.1. Обработка стали происходила в условиях интенсивного наростообразования. Опережающая трещина отсутствовала. Наименьшая скорость перемещения частиц - у поверхности передней грани. Вязкость деформируемого металла в граничном слое зависела от сил внутреннего трения.

    Образование стружки при нарезании резьбы в ковком чугуне даже без использования  СОЖ (рисунке 4.2.) происходило без  застойных явлений на передней поверхности инструмента при скоростях резания 3, 9 и 27 м/мин. Большее завивание стружки из ковкого чугуна, т.е. меньшее значение ее радиуса, указывает на ее большую пластическую деформацию.

    На  поверхностях контакта режущего инструмента  и заготовки образовывались прочные металлические связи и формировались мостики сварки. Течение металла в стружку происходило на поверхности металла, расположенной выше микронеровностей на передней поверхности инструмента с преодолением сил внутреннего трения. При появлении нароста высота микронеровностей возрастала в несколько раз.

    Исследование  образцов показало, что на поверхности  опорной стороны стружки остаются риски, копирующие по форме и направлению риски на передней поверхности инструмента.

Рис. 4.1. Нарост, образующийся при нарезании резьбы в стали 45. Скорость резания 9 м/мин. СОЖ: 5%-ная эмульсия ЭТ-2 (хЗОО)

 
    

Рис. 4.2. Образование стружки при обработке ковкого чугуна. Скорость резания 27 м/мин. Без СОЖ (хЮО)

    Наиболее  склонны к адгезионному схватыванию металлы с гране- центрированной и объемноцеитрированной решетками. Адгезия способствует наростообразованию. Нарост представляет собой сильнодеформи- русмый металл, твердость которого в 2,5 - 3 раза выше твердости обрабатываемого металла. Форма и размеры нароста периодически изменяются и уносятся стружкой. Уменьшить нарост, а в ряде случаев и полностью em ликвидировать, можно за счет подбора СОЖ с хорошими противозадир- ными свойствами, которые уменьшают схватывание инструментального и обрабатываемого материалов.

    Проведенные эксперименты показали, что процесс  стружкообразо- вания в значительной степени зависит от обрабатываемого  материала.

    4.3. Экспериментальные  исследования влияння  с о era в а СОЖ на шероховатость и микротвердость прирезцовой поверхности стружки

     Для подтверждения ряда положений, высказанных  в главе 2, предлагающих рассматривать стружку и инструмент как трибологическую пару, нами был проведен ряд экспериментальных исследований по установлению влияния режимов резания на высоту микронеровностей прирезцовой стороны стружки ^z^ — /Фрез'З**) ^{и ее} микротвердости

HV = f(V_pe3,S,t).

     Эксперименты  проводились на токарном станке модели 16К20 при наружном точении стали 45 с диаметром заготовки 50мм. Было проведено три варианта опытов: «всухую» (без СОЖ), при охлаждении водной полу- синтстическая СОЖ ЭРА индустриальным маслом, с использованием масляной СОЖ РЦ-2. Результаты экспериментов приведены в таблице 4.1.

Таблица 4.1

Влияние режимов резания и СОЖ на процесс стружкообразования

 

     Элемента  стружек, рассортированные в соответствии с условиями резания, были помещены в специальные ложементы из эпоксидной смолы с таким расчетом, чтобы  их исследуемые поверхности были бы расположены на наружной стороне. Нижняя сторона ложемента являлась базой для измерения.

     Влияние СОЖ на состояние поверхностного слоя после обработки металлов резанием оценивалось по следующим параметрам:

• шероховатость обработанной поверхности;
• деформационное упрочнение (глубина и степень наклепа).

     Шероховатость обработанной поверхности измерялась на профи-

ломстрс-профилографе «Калибр 201». Деформационное упрочнение оценивалось путем измерения микротвердости на приборе ПМТ-3. 

     Степень наклепа оценивалась по формуле:

1IV₀ ^v '

где: HV, HV₀ - микротвердость соответственно основного материала и наклепанного слоя.

     4.3.1. Влияние режимов резания на  шероховатость прирезцовой поверхности  стружки

     Из  исследованных параметров режимов  резания наибольшее влияние на шероховатость обработанной поверхности и прирезцовой поверхности стружки, оказала скорость резания Vpc.

На рисунке 4.3. приведены зависимости по изменению  шерохова- V

тости стружки  ^ШР от ^ . мкм

/5-

Рис. 4.3. Результаты экспериментального исследования зависимости шероховатости стружки от скорости резания

to 5 

     Анализ  графиков показывает, что максимальная шероховатость поверхности наблюдалась  прн скорости резания 5 м/мин. Дальнейшее увеличение скорости резания до 25 м/мин  способствовало снижению высоты микронеровностей Rzop-

     Высота  микронеровностей на прирезцовой поверхности постепенно приближалась к высоте микронеровностей передней поверхности резца (Rzcrp = 4ч-5 мкм).

     Приведенные графики показывают, что высота микронеровностей на прирезцовой стороне стружки  и на обработанной поверхности зависит  от СОЖ. Используемая СОЖ не изменяет вид функции R_Zcip (Vpc), а влияет лишь на абсолютную величину Rzcrp-