Качество поверхностного слоя при экологически чистой сухой

Секция 8 «НАНОМАТЕРИАЛЫ И НАНОЕХНОЛОГИИ В АВТОМОБИЛЕ- И ТРАКТОРОСТРОЕНИИ».
Качество поверхностного слоя при экологически чистой сухой
обработки материалов авиационного двигателестроения.
к.т.н. Кириллов А.К.
МГТУ «СТАНКИН»
Одним из определяющих факторов развития и совершенствования современных
производств является создание экологически чистых технологий в машиностроении, в том
числе металлообрабатывающих областях. Развитие машиностроительного производства,
на современном этапе развития машиностроения, достигло такого уровня, когда
современные процессы обработки резанием вплотную приблизились к возможности
получения предельного (нанометрического) диапазона точности обработанных деталей. В
настоящее время современные эффективные производства мобильно используют, для
достижения повышения производительности и качества обработки металлов резанием, в
основном жидкие смазочно-охлаждающие технологические среды (СОТС)[1]. Количество
потребляемых жидких СОТС в индустриально промышленно развитых странах, весьма
велико и составляет в мил. тонн в год в США – 2,3; Германии – 1,1; Франции – 0,8 и в
бывшем СССР – 2,9. Использование СОТС является одним из путей существенного
увеличения производительности обработки (10-15%). Повышение стойкости режущего
инструмента в 1,2-3 раза и качества обработанного поверхностного слоя обеспечивается
за счет наличия в жидких СОТС поверхностно-активных веществ (ПАВ).
Вместе с тем, современные технологические процессы обработки резанием с
применением СОТС являются причиной вредного техногенного воздействия на
окружающую среду. К параметрам такого воздействия можно отнести тепловое, шумовое
и пылевое загрязнение, продукты испарения СОТС и т.д. Анализ современный
производственных процессов показывает, что одним из главных загрязнителей
окружающей среды является СОТС [1,2]. Испарение, распыление (разбрызгивание) СОТС,
пролив, концентрация в стружке, поверхностях обработанных деталей, возможный слив в
канализационную систему оказывает непоправимый ущерб окружающей среде.
Одним из наиболее серьезных проблем технологического развития современного
машиностроения является необходимость обеспечения постоянно растущих и
ужесточающих требований к экологичности технологических процессов и качеству
выпускаемой продукции. Это связано с тем, что качество продукции приобретает особое
значение в связи с необходимостью повышения конкурентоспособности отечественной
продукции на мировом рынке. Эффективным средством решения этой проблемы является
реализация положений международных стандартов ИСО серии 9000, в которой отражен
концентрированный мировой опыт обеспечения качества продукции и мерах
гарантирующих стабильный выпуск продукции требуемого качества.
Одним из наиболее эффективных направлений в решении данной проблемы
является технологическое обеспечение оптимальных для заданных условий эксплуатации
изделия параметров состояния поверхностного слоя деталей входящих в состав изделия.
Известно, что долговечность работы машины будет зависеть от того, как быстро или
медленно будут изнашиваться различные трущиеся поверхности деталей [3].
Наиболее важными характеристиками качества деталей с точки зрения
технологичности его изготовления является точность и состояние поверхностного слоя
деталей. Точность деталей определяется точностью расположения поверхностей,
точностью формы и размеров, которые в свою очередь зависят от протекания процесса
резания в особенности наростообразования, и от износа контактных поверхностей
инструмента. Чем меньше нарост и меньше изнашивается инструмент, тем точнее
получаются обработанный поверхностный слой детали.
Известно [4], что применение соответствующих СОТС может приводить как к
Материалы международной научно-технической конференции ААИ «Автомобиле- и
тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», посвященной 145-летию
МГТУ «МАМИ».
74
Секция 8 «НАНОМАТЕРИАЛЫ И НАНОЕХНОЛОГИИ В АВТОМОБИЛЕ- И ТРАКТОРОСТРОЕНИИ».
улучшению микрогеометрии обработанной поверхности, так и к уменьшению
интенсивности износа контактных поверхностей инструмента.
В настоящей работе рассмотрены вопросы влияния экологически чистой активной
воздушной СОТС на характеристики качества обработанного поверхностного слоя и
эксплуатационные свойства обработанных деталей. В работе рассматриваются
результаты, полученные при обработке деталей из труднообрабатываемых материалов.
В основном труднообрабатываемые материалы используются в авиационном
двигателестроении, где к определяющим эксплуатационным свойствам деталей относят
вероятность
усталостного
разрушения
при
определенном
уровне
циклов
знакопеременного нагружения рабочих поверхностей деталей. В работах [5…8] показано,
что наибольшее влияние на качество и усталостную прочность поверхностного слоя
оказывает её шероховатость и остаточные напряжения 1-го рода.
2. Методика исследований.
С целью установления особенностей формирования параметров поверхностного
слоя, при использовании экологически чистого сухого резания, проведены исследования
по изучению влияния СОТС на шероховатость поверхности и на остаточные напряжения в
поверхностном слое. Критерием оценки качества поверхности служила величина Ra
обработанного поверхностного слоя и усталостная прочность образцов обработанной
поверхности.
Опыты по исследованию характеристик качества обработанного поверхностного
слоя проводились на токарном станке модели 16К20 при обработке заготовок диаметром
100…200 мм с продольной подачей. В качестве обрабатываемого материала
использовалась жаропрочная сталь на железоникелевой основе ХН77ТЮР (ЭИ 437Б). В
исследованиях использовался режущий инструмент – проходные резцы с механическим
креплением твердосплавных 4-х гранных пластин. Состояние режущих кромок режущих
пластин после каждого опыта контролировали с помощью оптического микроскопа
CARLZEISS IANA
( made in Germany). Критерием затупления твердосплавных пластин из ВК6 был их
износ по задней поверхности равный hз = 0,5 мм. Режимы резания выбирали таким
образом, чтобы охватить достаточно широкий диапазон изменения скорости резания
характерный для обработки деталей из исследуемого материала. Эксперименты
проводили по плану однофакторного эксперимента на следующих режимах резания:
глубина t = 1мм, подача S=0,1…0,2 мм, скорость резания V=10…50 м/мин.
Шероховатость
Исследование шероховатости поверхности после различных условий резания
проводили с использованием профилографа-профилометра модели Hand-held Roughness
Tester TR200 (Япония) непосредственно на станке (рис. 1).
Профилограф функционирует контактно-профильным методом при сканировании
индентором измеряемой поверхности. Индентор перемещается
перпендикулярно
относительно рисок шероховатости обработанной поверхности (Рис.1.). Ось индентора
располагали по нормали к поверхности детали. Прибор TR200 последовательно по мере
перемещения индентора по поверхности преобразует измеряемый профиль сначала в
механические, а затем в электрические колебания с фиксацией отклонений на дисплее.
Индентор выполнен из алмаза с радиусом закругления 10 мкм. Контроль работы прибора
осуществляли по эталону с шероховатостью Ra=1,5 мкм . В результате измерения
величину шероховатости
фиксировали параметры Ra и Rz, характеризующие
обработанной поверхности.
Материалы международной научно-технической конференции ААИ «Автомобиле- и
тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», посвященной 145-летию
МГТУ «МАМИ».
75
Секция 8 «НАНОМАТЕРИАЛЫ И НАНОЕХНОЛОГИИ В АВТОМОБИЛЕ- И ТРАКТОРОСТРОЕНИИ».
Рисунок 1 - Профилограф-профилометр модели Hand-held Roughness Tester TR200
(Япония).
Остаточные напряжения. Определение численного значения остаточных
напряжений, характер их распределения по глубине обработанного поверхностного слоя
детали проводили на автоматизированном стенде ПОВКОН «Тензор». Исследования по
оценке остаточных напряжений выполнены в НПЦ «Технология» ФГУП ММП «Салют».
Особенностью измерительно-вычислительного комплекса ПОВКОН «Тензор»
является полная автоматизация всех операций: управления процессом травления,
регистрации деформации, компьютерной обработки результатов измерений, расчетов и
построения эпюр остаточных напряжений. Специальный пакет программ обеспечивал расчет
остаточных напряжений для призматических образцов при балочном или консольном
закреплении в режиме реального времени.
Исследования остаточных напряжений проводили на образцах обрабатываемых
материалов, которые вырезались на электроискровом станке из обрабатываемых
заготовок.
3. Результаты исследований.
Известно, что задачей повышения качества машиностроительной продукции
является проблема качества поверхностей деталей машин составной частью, которой
является неровности, возникающие при резании обрабатываемой поверхности. Как
известно, теоретический профиль обработанной поверхности представляет собой
регулярно повторяющиеся впадины, профиль которых копирует форму режущих кромок
инструмента. Наряду с этим на профиль обработанного поверхностного слоя влияет
процесс пластического течения металла с преодолением сил внешнего кинетического
трения на поверхностях контакта материала с режущим инструментом и сил внутреннего
трения [4,8]. Процесс пластического течения металла в поверхностном слое является
частью всего процесса пластической деформации металла в зоне образования стружки.
Срезая слой обрабатываемого материала, резец, производит пластическое
деформирование обрабатываемого слоя в зоне образования стружки. Пластическая
деформация металла опережает переднюю поверхность резца. Волна деформации,
распространяясь в сторону соседнего следа, оставленного вершиной резца, что оказывает
негативное воздействие на высоту остаточного гребешка. Это указывает на то, что чем
Материалы международной научно-технической конференции ААИ «Автомобиле- и
76
тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», посвященной 145-летию
МГТУ «МАМИ».
Секция 8 «НАНОМАТЕРИАЛЫ И НАНОЕХНОЛОГИИ В АВТОМОБИЛЕ- И ТРАКТОРОСТРОЕНИИ».
больше степень деформации металла в зоне образования стружки, тем больше величина
волны деформированного металла в сторону соседнего следа.
Наиболее простой и распространенной оценкой напряженно-деформированного
состояния срезаемого слоя является усадка стружки ξ, которая характеризует степень
деформации металла при резании. Одной из разновидностей усадки стружки ξ является
коэффициент её продольного укорачивания Кl. Результаты исследований по установлению
влияния скорости резания и условий точения стали ХН77ТЮР на коэффициент
продольного укорачивания стружки Кl приведены на Рис 2.
При продольном точении жаропрочного сплава ХН77ТЮР пластинами из ВК6 с
многофункциональным наноструктурным покрытием (МФНП) установлено изменение
усадки стружки по сравнению с усадкой полученной при точении ВК6 в сухую и с
применением жидкой СОТС. Это происходит за счет уменьшения коэффициента
внешнего трения стружки о резец, в зоне участка пластического контакта в результате
воздействия ионизированной газовой среды (ИГС), роль которой выполнял очищенный
активируемый воздух, на контактные площадки инструмента с многофункциональным
покрытием. В результате формируются антифрикционные плёнки на контактных
площадках инструмента, особенно в зоне упругого контакта стружки и передней
поверхности. Указанный процесс приводит к формированию антифрикционных оксидных
пленок, приводящих к снижению трения между обрабатываемым и инструментальным
материалами за счет экранирующего эффекта.
1,7
1,6
1,5
Кl 1,4
1,3
1,2
1,1
1
15
20
25
30
35
40
45
50
Скорость резания , V м/мин
ВК
ВК6 МКНП
ВК6
ВК6
6
+ИГС
+СОЖ
(TiCrAl)N
Рисунок 2 - Зависимость усадки стружки Кl от скорости резания при точении
жаропрочного сплава ХН77ТЮР. S = 0,15 мм/об; t = 1 мм
Результатами исследований установлено снижение коэффициента продольного
укорачивания стружки Кl в 1,5 раз по сравнению сухим резанием. Указанное
обуславливает снижение работы резания, затрачиваемой на пластическое деформирование
срезаемого слоя из сплава ХН77ТЮР, что, в свою очередь, приводит к снижению сил
резания и улучшению теплового состояния процесса резания рис. 3,4.
Использование системы резания, включающей ИГС и инструмента с МФНП,
приводит к снижению напряжений на сдвиг, что является причиной снижения
Материалы международной научно-технической конференции ААИ «Автомобиле- и
тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», посвященной 145-летию
МГТУ «МАМИ».
77
Секция 8 «НАНОМАТЕРИАЛЫ И НАНОЕХНОЛОГИИ В АВТОМОБИЛЕ- И ТРАКТОРОСТРОЕНИИ».
Тангенциальная сила резания
Рz, H
деформации срезаемого слоя металла. Полученные результаты можно объяснить
эффектом ИГС,
представляющей химически активную
среду, способствующую
уменьшению внешнего трения, вследствие
1
2
3
4
5
820
800
780
760
740
720
700
680
660
640
1
2
3
4
5
ВК6;
ВК6 TiN;
ВК6 (TiCrAl)N;
ВК6 ИГС;
ВК6 МФНП (TiCrAl)N (TiCr)N (TiCrAl)N+ ИГС
Рис. 3. Изменение тангенциальной составляющей силы резания Pz
при точении жаропрочного сплава ХН77ТЮР
Условия обработки сплава : V= 30 м/ мин; S= 0,5 мм/ об; t = 1 мм
Температура резания Т, С
1200
1000
800
600
400
200
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
Скорость резания V,м/мин
ВК6
ВК6 ИГС
ВК6 МФП+ ИГС
Рисунок 4 - Продольное точение жаропрочного сплава ХН77ТЮР (ЭИ 437Б)
твердосплавным инструментом ВК6 S= 0,15мм/об, t= 1мм.
формирования на поверхностях трения пленок различного типа. Эти пленки
препятствует созданию непосредственного контакта между поверхностями трения
инструментального и
Материалы международной научно-технической конференции ААИ «Автомобиле- и
тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», посвященной 145-летию
МГТУ «МАМИ».
78
Секция 8 «НАНОМАТЕРИАЛЫ И НАНОЕХНОЛОГИИ В АВТОМОБИЛЕ- И ТРАКТОРОСТРОЕНИИ».
обрабатываемого материалов, а также созданию идентичных пленок в плоскости
сдвига, снижая напряжения на сдвиг в зоне основных пластических деформаций. Все это
приводит к облегчению схода стружки и уменьшению сил резания. (Рис 3).
Согласно работам П.А. Ребиндера [9,10] уменьшение усилия резания при
применении СОТС, объясняется в понижении коэффициента трения, расклинивающего
действия СОТС, в результате чего СОТС проникает в микротрещины, увеличивает их и
облегчает разрывы в обрабатываемом материале. Происходит облегчение пластических
деформаций и уменьшение остаточного гребешка от деформации на поверхности
обработанного слоя.
Искажение профиля обработанной поверхности может возникнуть вследствии
механического зацепления микронеровностей режущей кромки и изнашиваемой задней
поверхности с микронеровностями обработанной поверхности вследствии сил
молекулярного сцепления, возникающего между поверхностями. Искажение профиля
получаемого поверхностного слоя может выражаться в виде локализованных задирав и
связанных с этим пластических деформаций зерен металла. Следы износа задней грани
копируются на обработанной поверхности в виде продольных рисок.
С целью установления влияния различных технологических сред на шероховатость
обработанной поверхности, в широком диапазоне условий резания, были проведены
измерения поперечной шероховатости обработанной поверхности (см.рис 1). Результаты
исследований шероховатости представлены на рис. 5 .
7
6
Ra, мкм
5
4
3
2
1
0
0
10
20
30
40
50
60
Скорость резания, V м,мин
Рисунок 5 - Влияние скорости резания V на величину шероховатость обработанной
поверхности Ra при точении стали ХН77ТЮР S = 0,15 мм/об; t = 1 мм
◊ - ВК6
■ - ВК6 + ИГС
▲ - ВК6 МКНП + ИГС
Экспериментально установлено, что при обработке труднообрабатываемого
материала на чистовых операциях, величина шероховатости определяется пластической
деформацией снимаемого обрабатываемого слоя, явлениями упругого последствия
материала поверхностного слоя после прохождения инструмента. Анализ полученных
результатов позволил отметить, что с повышением пластической деформацией
обрабатываемого материала происходит рост
высоты шероховатостей, что
подтверждается данными рис. 6. В зоне максимального наростообразования получается
наихудшая шероховатость поверхности. При обработке жаропрочных материалов в
отличие от
обычных конструкционных сталей максимальное наростообразование
Материалы международной научно-технической конференции ААИ «Автомобиле- и
тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», посвященной 145-летию
МГТУ «МАМИ».
79
Секция 8 «НАНОМАТЕРИАЛЫ И НАНОЕХНОЛОГИИ В АВТОМОБИЛЕ- И ТРАКТОРОСТРОЕНИИ».
происходит при крайне низких скоростях резания (V = 1 м/мин) [11]. Влияние применения
комплекса твердосплавного инструмента с МФНП совместно с ИГС позволяет не только
уменьшить пластическую деформацию в зоне резания, из-за способности МФНП
уменьшить склонность инструментального материала к наростообразованию за счет
пассивации адгезионной активности твердого сплава,
но и снизить величину
шероховатости
обработанной
поверхности
при
скоростях
обработки
труднообрабатываемого материала. Эффект от применения в зоне резания
твердосплавного инструмента ВК6 при подачи в зону резания ИГС улучшило
микрогеометрию обработанного поверхностного слоя.
Одним из основных показателей качества обработанного поверхностного слоя
наряду с шероховатостью обработанной поверхности является остаточные напряжения
[3,12].
Остаточными напряжениями первого рода называют внутренние напряжения, которые
сохраняются в детали после снятия внешней нагрузки, напряжения первого рода
уравновешиваются в объеме детали или ее большей части.
Остаточные напряжения
формируются в детали в результате неравномерной упругопластической деформации
возникающей в процессе формирования заготовки, механической обработки детали или
упрочнения ее поверхностных слоев. В зависимости от условий обработки поверхности,
остаточные напряжения в поверхностных слоях могут иметь различную величину по разным
направлениям вдоль поверхности, что приводит к нарушение равновесия остаточных
напряжений, их перераспределению и приводит к изменению формы детали, ее деформации.
Исследованием подвергались осевые остаточные напряжения в поверхностном
слое образцов из титанового сплава ВТ9 после обработки резанием в различных
технологических условиях: сухая обработка, с применением в зоне резания жидкой СОТС
(эмульсии ) и газовой СОТС (ИГС).
Результаты исследований остаточных напряжений представлены на Рис 6.
Анализ полученных результатов свидетельствует о том, что сухая обработка
поверхности дает максимальный уровень неблагоприятных остаточных напряжений
растяжения из рассматриваемых технологических условий (рис 6, а). Величина этих
напряжений растяжений составляет 25 МПа которые, на глубине до 20 мкм,
трансформируются в напряжения сжатия величиной до 100 МПа. Полученный характер
эпюр напряжений хорошо согласуется с представлениями о характере формирования
остаточных напряжений при высокой температурной напряженности технологического
процесса [5]. Применение жидкой СОТС в зоне резания приводит к образованию
растягивающих напряжений до уровня 50 МПа (Рис 6, б). При глубине залегания 40 мкм
трансформируются в напряжения сжатия величиной 300…400 МПа создавая большой
перепад напряжений в поверхностном слое детали.
Применение системы экологически чистого резания приводит к формированию
эпюры сжимающих остаточных напряжений до уровня σо = 110…150 МПа (рис. 6, в) и
обеспечивает минимальный перепад напряжений в поверхностном слое детали.
Материалы международной научно-технической конференции ААИ «Автомобиле- и
тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», посвященной 145-летию
МГТУ «МАМИ».
80
Секция 8 «НАНОМАТЕРИАЛЫ И НАНОЕХНОЛОГИИ В АВТОМОБИЛЕ- И ТРАКТОРОСТРОЕНИИ».
Остаточные напряжения, МПа
100
0
0
20
40
60
80
100
120
-100
-200
-300
-400
Глубина залегания, мкм
Остаточные напряжения, МПа
50
а0
0
20
40
60
80
100
120
-5 0
-1 0 0
-1 5 0
-2 0 0
Г л у б и н а з а л е га н и я , м км
Остаточные напряжения, МПа
50
0
0
20
40
60
80
100
-50
-100
-150
-200
в
Глубина залегания, мкм
Рисунок 6 - Характер распределения эпюр остаточных напряжений в 2-х образцах из
титанового сплава ВТ9:
а - сухое резание; б – обработка с жидкой СОТС (эмульсия); в –обработка с
применением газовой СОТС (ИГС).
Использование технологической системы экологически чистого резания,
включающего использования режущего инструмента с многофункциональным
наноструктурным покрытием с одновременной подачей в зону резания ИГС, при
обработки труднообрабатываемых материалов в диапазоне традиционных скоростей их
обработки, позволяет создавать благоприятные условия получения качественного
обработанного поверхностного слоя, снижая уровень пластической деформации в зоне
резания в 1,5 раза по сравнению с обработкой в сухую и уменьшая величину
шероховатости обработанной поверхности на 30%.
Материалы международной научно-технической конференции ААИ «Автомобиле- и
тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», посвященной 145-летию
МГТУ «МАМИ».
81
Секция 8 «НАНОМАТЕРИАЛЫ И НАНОЕХНОЛОГИИ В АВТОМОБИЛЕ- И ТРАКТОРОСТРОЕНИИ».
Установлено значительное влияние технологической наследственности на
остаточные напряжения при резании труднообрабатываемых материалов для варианта
применения экологически чистого резания. При этом показано, что разработанная
технология экологически безопасного резания позволяет формировать эпюры
благоприятных остаточных напряжений сжатия в сравнении с традиционной обработкой с
жидкими СОТС или сухой обработкой.
Литература
1.Смазочно - охлаждаюшие технологические средства и их применение при обработке
резанием: справочник / Л.В.Худобин, А.П. Бабичев, Е.М.Булыжев и др./Под общ. Ред.
Л.В.Худобина – М.: Машиностроение, 2006.-544 с.
2. Кириллов А.К., Верещака А.С. , Дюбнер Л.Г. Разработка системы экологически
безопасной формообразующей обработки резанием. - Межд. Науч.-техн. Сборник.
«Резание и инструмент в технологических системах». – Харьков: ХГТУ,2001Вып. 60,
2001. - С.96 – 102.
3. Овсеенко А.Н.. Серебряков Е.И.. Гаек М.М. технологическое обеспечение качества
изделий машиностроения Учебное пособие. – М.: «Янус-К». 2004 – 296 с.
4. Исаев А.И. Процесс образования поверхностного слоя при обработке металлов
резанием. М.: Машиностроение, 1950 – 357 с.
5. Технологические остаточные напряжения / Подзей А.В., Сулима А.М.. Евстигнеев
М.И. и др. – М.: Машиностроение. 1973. – 216 с.
6.Биргер И.А. Остаточные напряжения. – М.: Машиностроение. 1963 – 232 с.
7.Промптов А.И. Технологические остаточные напряжения – Иркутск. 1980 – 51с.
8. Сулима А.М., Шулов В.А., Ягодкин Ю.Д. Поверхностный слой и эксплуатационные
свойства машин. М.: Машиностроение, 1988 – 240 с.
9.Ребиндер П.А. Поверхностные явления в дисперсных системах. Избранные труды//
Физико-химическая механика. М.: наука. 1979, 381 с.
10. Ребиндер П.А. Влияние активных смазочно-охлаждающих жидкостей на качество
поверхности при обработке металлов. М., АН СССР, 1946.
11.Подураев В.Н. Резание труднообрабатываемых материалов. Уч. пособие для вузов. М.,
Высшая школа, 1974, с 587.
12.Верещака А.С., Полоскин Ю.В., Кириллов А.К., Хаустова О.Ю. Анализ проблемы
использования экологически безопасного сухого резания. Сб.// Высокие технологии:
тенденции развития. НТУ «ХПИ»-Алушта, Харьков, 2002, с 9-16.
Материалы международной научно-технической конференции ААИ «Автомобиле- и
тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», посвященной 145-летию
МГТУ «МАМИ».
82