Теоретическое обоснование, исследование и разработка технологии резания с нагревом и пластическим деформированием обрабатываемого металла

При накатывании холодного металла с целью смятия вершин шероховатости и закатывания их во впадины потребуется приложение усилия, величина которого кг (1500 Н) в три раза больше, чем при накатывании нагретого металла.

По данным экспериментов накатывания нагретой до 500 - 600єC по-верхности детали из ст.45 и ст. 40Х, были построены графики зависимости шероховатости поверхности от усилия, приложенного к ролику см. рис.7.

Здесь пунктиром показана зависимость, полученная при ППД холодного металла, а сплошной линией - результат ППД нагретой поверхности детали до Т= 500єC.

Изменение показателей качества поверхностного слоя и самой поверхности определяется свойствами обрабатываемого материала, состоянием исходной поверхности и режимами резания металла с нагревом и ППД.

Исследование микро твердости поверхностных слоев металла обработанного резанием с нагревом показало отсутствие наклепа. У образцов, вырезанных из деталей, обработанных холодным резанием и деталей обработанных ППД с нагревом наклеп имеет место.

Проведенные эксперименты по ППД охлаждаемой водой нагретой поверхности по ходу совмещенного процесса резания с нагревом и ППД показали наличие наклепа на поверхности. Было отмечено повышение микротвердости поверхности по сравнению с результатами замеров после холодного резания.

Процесс пластического деформирования поверхности, охлаждаемым водой роликовым накатником, отличается тем, что металл испытывает не только давление, но и тепловой удар при охлаждении. Получение столь малой величины шероховатости поверхности детали можно объяснить наличием паровой прослойки между давящей поверхностью ролика и сминаемой шероховатостью детали. В этом случае на детали нет отпечатка шероховатости поверхности ролика, которая получается в результате накатывания без охлаждения.

Давление ролика на нагретый металл изменяет структуру тонкого поверхностного слоя. Ролик вминает вершины шероховатости во впадины и измельчает структуру поверхности нагретого металла (рис 4). Улучшение структуры упрочняет поверхностный слой детали в 1,5 раза. Микро твердость металла обкатанного охлаждаемым роликовым накатником также возрастает на 50 -75%. После такой обработки в изделиях получается сочетание сравнительно высокой твердости и прочности обработанной ППД поверхности с хорошей упругостью и вязкостью металла основы.

Рис. 4. Фотография шлифа поверхностного слоя стали 40Х после обкатки роликом нагретой поверхности детали. В поверхностном слое кристаллы измельчены х450

При холодном резании в результате пластической деформации металла поверхностного слоя, фазовых превращений металла и вследствие тепловых воздействий в этом слое формируется макроскопические остаточные напряжения (остаточные напряжения первого рода), уравновешивающиеся в пределах областей, размеры которых одного порядка с размерами раздробленных кристаллов в поверхностном слое детали. В результате поверхность детали покрывается микро надрывами.

При резании с нагревом микро надрывов металла, характерных для холодного резания, не наблюдается. Данное явление объясняется тепловым воздействием и сведением к нолю силы Ру, радиально направленной от режущего инструмента к центру детали.

Анализ структуры металла, проведенный под микроскопом при х200, показал, что при холодном резании получается структура характерная для данной стали. В шлифе перлитно-ферритной стали, преобладает темный цвет пластин перлита, а в структуре металла после резания с нагревом преобладают светлые тона, говорящие о том, что металл претерпел нагрев. Резание с нагревом металла сварных швов характеризуется изменениями структуры металла, связанными с зонами термического воздействия на основной металл при сварке либо после нагрева перед резанием и ППД.

Следует отметить факт снижения поверхностной твердости, обусловленный отсутствием наклепа при резании металла с нагревом. После ППД наклеп возвращается. При резании металла с нагревом с последующей поверхностно- пластической обработкой величина наклепа является величиной регулируемой режимами обкатки роликовым накатником.

В шестой главе приводятся данные по разработке и внедрению технологии обработки заготовок резанием с нагревом и ППД. Разработка технологии резания с нагревом сопровождалась расчетом режимов резания. Расчеты режимов холодного резания производили по нормативам обработки поверхностей с твердосплавными напаянными пластинами типа Т5К10. При выборе инструмента с закрепляемыми пластинами из спеченных сверхтвердых материалов (СТМ) для определения режимов резания пользовались рекомендациями фирм производителей этого инструмента. В качестве примера рассчитали режимы резания при обработке на ремонтный размер изношенных цилиндрических шеек вала диаметром 80 мм. Ма-териал детали ст. 45.

Как показали расчеты суммарное время обработки (черновое точение + полу чистовое + чистовое) составило: 1,66 + 0,58 +0,33 +0,31 +1,65 = 4,53 мин. Штучное время обработки поверхности на ремонтный размер составило величину равную основному времени и времени вспомогательных операций, которые в сумме больше основного времени примерно в два раза, т.е. tшт=4,53 +9,06 = 13,59 мин. Ремонт детали резанием с нагревом и ППД занял всего (основное время + время вспомогательных операций) 2,5 минуты.

При резании с нагревом данную поверхность обрабатываем 1 раз с при-пуском равным 4 мм на сторону. При нагреве детали до температур разупрочнения в срезаемом слое прочность стали уменьшается в два раза. Следовательно, усилие резания составит: Pz1 = 450 0, 85 0,5 = 191,25 кг. Резание вели проходным резцом упорным с величиной подачи So1 пасп. = 0,52 мм/об. Если принять скорость резания равной скорости получистового холодного точения V1 = 115 0,75 1,0 1,0 = 86,25 м/мин, то число оборотов двигателя будет: , об/мин; , об/мин.. Такой скоростной режим использует только 0,25 квт мощности, что составляет 2,8% от мощности установленного эл. двигателя станка в 9 квт. Это говорит о том, что станок по мощности позволяет вести обработку металла резанием с нагревом с большими скоростями, чем полученные по расчету.

Механическое резание с нагревом срезаемого слоя было использовано при обработке сварных деталей, а также при точении наплавленных покрытий на ремонтируемую деталь.

Восстанавливали изношенную шлицевую поверхность вала наплавкой с последующим резанием металла с нагревом. Изношенную поверхность по старой технологии обтачивают, затем наплавляют методом электросварки, а затем деталь отжигают и протачивают за несколько проходов, с очень малой подачей и глубиной резания. Процесс длителен по времени и поэтому изношенная деталь чаще выбрасывается. Использование технологии резания с нагревом делает процесс восстановления шлицевых поверхностей наплавкой экономически выгодным.

Процесс обработки сварного шва детали интенсифицирован за счет резания наплавленного слоя без применения операции рекристаллизационного отпуска сварного шва. Поскольку при резании с нагревом срезаемый слой металла прогревается до Т=450 -600⁰С на глубину 5-6 мм, то проходит процесс рекристаллизации сварного шва в процессе резания.

С целью сокращения сроков ремонта изношенных деталей в чрезвычайных условиях, было предложено производить ремонт на передвижных автомастерских. Для этого предложено два варианта размещения металлорежущего и газового сварочного оборудования в кузове передвижной ремонтной мастерской. Оба предложения защищены Патентами на полезную модель РФ №32053 и №.34463.

Учитывая возможность нагрева детали в промышленности лучом лазера, был запатентован способ и устройство сканирования луча вдоль обрабатываемой заготовки с необходимой амплитудой и частотой см. Свидетельство на полезную модель №28840.

Расчет экономической эффективности использования резания с нагревом в ремонтном производстве произвели на примере определения себестоимости ремонта полуоси заднего моста автомобиля по двум сопоставимым вариантам.

Суммарная себестоимость (без учета амортизационных затрат) полу-оси, полученной механической обработкой составит: 1228,5 + 22,13 + 101,7 = 1352,33 рубля за одну деталь.

Суммарная себестоимость ремонта полуоси сваркой с последующей механической обработкой резанием с нагревом составит: 13,9 + 16,64 + 52,72 = 83,26 рублей за одну деталь. Разница между себестоимостями даст экономию в 1269,07 рублей за одну деталь. При ежегодном объеме ремонта на предприятии 500 машин с заменой деталей отремонтированных по предлагаемой технологии экономический эффект от внедрения разработки составит более 600 тысяч рублей.

Для оценки эффективности использования в промышленности изготовления сложных деталей комплексным методом точения с нагревом и пластическим деформированием нагретой ТВЧ поверхности детали, с привлечением методики проектирования металлообрабатывающих цехов, был произведен расчет затрат на обработку в производственных условиях 1000 штук деталей в год. Результаты расчета по статьям затрат сведены в табл. 2.

Таблица 2

Использование комплексного метода обработки 1000 штук деталей с нагревом ТВЧ в промышленном производстве дал условную годовую экономию 4 миллиона 596 тысяч 324 рублей.

Разработанная технология восстановления изношенных поверхностей резанием с нагревом на ремонтный размер была внедрена в практику ремонта войсковой части № 42237 и ФГУП 84 ЦУП. Как показало внедрение при ремонте военной техники, в результате интенсификации резания (значительно возрастает скорость и глубина резания, совмещается черновой и получистовой этап обработки) только в одной воинской части достигается экономия денежных средств до 550 тыс. рублей в год. Кроме того, данный метод позволяет восстанавливать в полевых условиях до 75-80% машин, вышедших из строя в результате поломок.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЕ

1. Анализ производственных и литературных данных показал, что отсутствует единая теория комплексного метода резания металлов с нагревом и пластической деформацией нагреваемой поверхности детали, а также не изучены физические процессы протекающие при этом.

2. Выявлены, исследованы и систематизированы основные физические закономерности комплексного метода резания металла с нагревом и пластической деформацией обрабатываемой поверхности (образование стружки, тепловыделение, усилие резания и давления).

3.Получены математические зависимости в виде полиноминальных моделей, отражающих влияние режимов нагрева цельных и сварных заготовок из стали на усилие резания (Pz), качество обработанной поверхности и стойкость инструмента. Полученные зависимости позволяют назначить режимы комплексного метода обработки металла с нагревом и ППД в производственных условиях, с целью получения заданного качества поверхностного слоя, формы поверхности и производительности труда.

4. Выполнены экспериментальные исследования, подтвердившие эффективность применения комплексного метода резания сталей с нагревом с последующей пластической деформацией нагретой поверхности детали. При точении с нагревом цельных и сварных заготовок из конструкционных, износостойких и жаростойких сталей сопротивление нагретого металла резанию снижается в 1,4-2,2 раза. При механической обработке это является резервом повышения точности размеров на 1-2 квалитета.

5. Новый комплексный метод обработки металла интенсифицирует производство в 3-4 раза за счет увеличения величины скорости резания, подачи и глубины резания, а пластическое деформирование нагретой поверхности улучшает качество обработанной детали, создавая поверхностный бездефектный слой со структурой металла, лишенной микро надрывов, характерных для поверхности после холодной обработки резанием.

6. Сравнительное исследование износа инструмента при резании с нагревом показало, что на всех режимах резания стойкость инструмента с пластинами из твердых сплавов (Т15К6, ВК6М) выше, чем стойкость инструмента с пластинами из СТМ при холодном резании. За критерий износа при обработке сталей (ст.20X13, 15ХМ и др.) был принят износ по задней поверхности резца.

7. Установлено, что процесс резания с нагревом поверхности детали обеспечивает снижение параметров шероховатости до 1,2 мкм. Накатывание нагретой поверхности детали охлаждаемым роликом доводит параметры шероховатости до 0,8 -0,2 мкм. Во всех случаях обкатки роликом нагретой поверхности получены параметры шероховатости сопоставимые с результатами финишного этапа обработки поверхностей шлифованием.

8. Нагрев перед резанием позволяет обойтись без термической обработки сварного и наплавленного металла. Снижение сил резания при нагреве сварных швов по не отожженной корке наплавленного металла обеспечивает быстрый ввод в строй поврежденной техники при ремонте деталей сваркой и наплавкой. Данный метод обработки опробован и дал положительные результаты при обработке деталей из износостойкой и жаропрочной стали.

9. На основе полученных результатов разработаны и внедрены в производство технологические процессы изготовления и ремонта сложных ответственных деталей машин с нагревом поверхности, обеспечивающие возможность повышения производительности при обработке закаленных длинномерных деталей при установленных (требуемых) параметрах качества поверхностного слоя и макро отклонений формы поверхности.

Годовой экономический эффект от внедрения процесса резания с нагревом в ремонтном производстве только одной воинской части в среднем составил 475 тыс. рублей. Экономическая эффективность применения нового комплексного метода обработки в промышленности, при серийном производстве по предварительным расчетам, составляет более 4-х миллионов рублей за счет сокращения технологического процесса, фонда заработной платы и снижения уровня производственных расходов, связанных с интенсификацией обработки металла.

10. Внедрение технологических процессов обработки деталей машин резанием с нагревом интенсифицирует производство техники, повышает производительность труда, снижает энергетические и материальные затраты, позволяет отказаться от дорогостоящего дефицитного импортного инструмента, в ряде случаев отказаться от использования прецизионного оборудования и отделочных операций, в том числе шлифовальных. В ремонтном производстве данный метод позволяет дополнительно отказаться от промежуточных операций термической обработки. Предлагаемая к реализации технология обеспечивает более эффективный и качественный выпуск машин и механизмов, позволяет оперативно восстанавливать поврежденную технику и возвращать её в строй.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ ОПУБЛИКОВАНО В СЛЕДУЮЩИХ МАТЕРИАЛАХ

1. Изменение параметров резания при нагреве детали до температур разупрочнения. В.М. Сорокин, В.И. Котельников, В.А. Зотова. // Сб. тезисов докладов на НТК «Аэрокосмическая техника и высокие технологии» Пермь, ПГТУ. 2001. с. 267- 268.

2. Математическая модель формирования регулярной шероховатости в зависимости от режимов резания и температуры нагрева обрабатываемой детали. В.И. Котельников, В.А. Зотова.// Материалы Всероссийской н/пр. конференции «Современные аспекты компьютерной интеграции Машиностроительного производства». Оренбург, ОГУ, 2003. с.85 - 87.

3. Стойкость режущего инструмента при токарной обработке заготовок с нагревом снимаемого слоя металла факелом пламени. В.И. Котельников, В.А. Зотова. // Материалы Российской н/т. конференции «Проблемы определения технологических условий обработки по заданным показателям качества изделий». Рыбинск, РГАТА, 2003. с.115 -118.

4. Обеспечение износостойкости режущего инструмента при резании металла с нагревом. В.И. Котельников, В.А. Зотова.// Материалы 7-й н/пр. конференции «Интенсификация технологических процессов в машиностроении». Ульяновск, УГТУ, 2003. с.126 - 128.

5. Применение обработки металла резанием с нагревом при ремонте деталей машин. В.И. Котельников, Ш.Р. Абдуллаев, А.А. Ларин.// Межвузовский сборник статей по материалам ВНТК «Прогрессивные технологии в машино- и приборостроении». Н. Новгород - Арзамас: НГТУ, 2004. с. 75-77.

6. Улучшение качества сварных поверхностей резанием с нагревом при ремонте. В.И. Котельников, Ш.Р. Абдуллаев. // В сб. докладов второй Международной НТК «Надежность и ремонт машин»». Орел. 2005 с. 16-17.

7. Исследование влияния отсутствия наклепа после резания металла с нагревом на эксплуатационные свойства машины. В. И. Котельников, Ш. Р. Абдуллаев, В. А. Милованов и др.// Материалы Всероссийской н/т. конференции. «Прогрессивные технологии в машино- и приборостроении». Арзамас, НГТУ, 2005 с.130-132. .

8. Повышение точности и качества обработки поверхностей детали резанием с нагревом. В. И. Котельников, В. А Зотова.//В сб. V Международной н/т конференции «Материалы и технологии ХХ1 века». Пенза, 2007. с. 60-65.

9.Котельников В.И. Технология обработки резанием с нагревом сварных деталей.// В кн. «Основы ремонтного производства»; НГТУ, Н.Новгород, 2007. с.75-86.

10. Нагрев конструкционных сталей концентрированным потоком энергии пламени газовой горелки при токарной обработке. В.И. Котельников, А.О. Краснов, А.А. Ларин.// В сб. Ш Международной научно-технической конференции «Прогрессивные технологии в современном машиностроении». Пенза, 2007. с.91-95.

12. Воздействие потока энергии на поверхностный слой наплавленной детали при токарной обработке. В.И. Котельников, А.О. Краснов.// В сб. 3 Международной научно-технической конференции «Прогрессивные технологии в современном машиностроении». Пенза, 2007. с.95-98.

*13. Обработка сварных деталей резанием с нагревом, совмещенным с ППД. В.И. Котельников, Ш Р. Абдуллаев.// М.; Заготовительное производство в машиностроении. №7, 2007, с.10-12.

14.Котельников В.И. Обработка поверхности стальных деталей методом пластического деформирования.// В сб. 4-ой Всероссийской научно-практической конференции «Защитные и специальные покрытия, обработка поверхности в машиностроении и приборостроении». Пенза, 2007, с.46-49.

15. Обработка резанием с нагревом поверхностей деталей, восстановленных наплавкой. В.И. Котельников, А.О. Краснов, А.А. Ларин. //Труды восьмой международной НТК по динамике технологических систем. Ростов-на-Дону, том 2, ДГТУ, 2007, с.204-210.

16. Моделирование изменения усилия резания с нагревом. Котельников В.И., Манцеров С.А..// В сб. «Компьютерные технологии в машиностроении». Тольятти, 2007. с.174-179.

17. Экономические преимущества обработки металлов резанием с нагревом по сравнению с обычным резанием пластинами из СТМ В.И. Котельников, А.О. Краснов.// В сб. 6-ой Всероссийской НТП конференции «Социально-экономическое развитие России в 21 веке» Пенза, 2007, с.84-86.

18. Тепловой расчет охлаждения нагретой детали при её токарной обработке. В.И. Котельников, А.О. Краснов, В.П. Кожемякин. «Прикладная механика и технология машиностроения», Изд-во «Интел.сервис» Н.Новгород, № 2 (11), 2007, с.41 - 45.

*19. Резец с водяным охлаждением. В.И. Котельников, Ш.Р. Абдуллаев, А.А. Ларин.//М.; Станки и инструмент, №12, 2007, с.23-24.

20. Моделирование стойкости режущего инструмента в зависимости от режимов резания. В. И. Котельников, С.А. Манцеров, В.В. Гоева, В.В. Семенюк.// В сб. V1 Международной научно- технической конференции. «Материалы и технологии ХХ1 века». Пенза, 2008. с. 98-106.

21. Поверхностно пластическое деформирование с нагревом наплавленной детали. В.И. Котельников, А.О. Краснов, Ш.Р. Абдуллаев, А.А. Ларин.// Сб. трудов 10-ой юбилейной международной научно- практической конференции. «Технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки». Часть 2, С-.Петербург. 2008. с. 223-232.

22. Обработка наплавленного слоя резанием с нагревом. В.И. Котельников, А.О. Краснов, / «Современные проблемы механики и автоматизации в машиностроении и на транспорте» Труды НГТУ, том № 67, Н.Новгород, 2008, с.117-120.

*23. Изменение усилия резания при обработке наплавленного слоя. В.И. Котельников, А.О. Краснов.// М.; Вестник машиностроения, № 3, 2008, с.50-51.

*24. Котельников В.И. Влияние нагрева детали пламенем горелки на стойкость токарных резцов.// М.; Станки и инструмент, 2008, № 4, с.13-15.

*25. Котельников В.И. Обработка резанием с нагревом наплавленного металла на поверхности детали.// М.; Заготовительное производство в машиностроении, № 5, 2008, с.49-51.

*26. Восстановление изношенных поверхностей деталей наплавкой с последующей обработкой резанием с нагревом и ППД. В.И.Котельников, В.В. Гоева.// М.; Ремонт. Модернизация. Восстановление, 2008, № 6, с. 14-17.

*27. Влияние ППД нагретой поверхности металла на качество детали. В.И. Котельников, А.О. Краснов, И.Ю. Переведенцев.// М.; Вестник машиностроения, 2008, № 7, с. 51-53 .

*28. Обработка резанием с нагревом наплавленных поверхностей заготовок. В.И. Котельников и А.О. Краснов // М.; Станки и инструмент, 2008, № 10, с.23-27.

Патенты и свидетельства, полученные на разработки диссертации:

1. Патент Российской Федерации №2188747RU 7 В23 В1 \ 00. «Способ механической обработки конструкционных сталей резанием». В.М. Сорокин, В.И. Котельников, В.А. Зотова и др. Опубликовано:10.09.2002. Бюл. № 21.

2. Свидетельство на полезную модель №24131 «Охлаждаемый резец». Сорокин В.М., Котельников В.И., Зотова В.А. Опубликовано: 27.07.2002. Бюл. № 21.

3. Патент на полезную модель РФ № 32053 «Передвижная ремонтная мастерская». В.М. Сорокин, В.И. Котельников, Ш.Р. Абдуллаев. Опубликовано: 10.09.2003. Бюл. № 25.

4. Патент на полезную модель РФ № 34463. «Автофургон аварийно-технической службы» В.М. Сорокин, В.И. Котельников, Ш.Р. Абдуллаев. Опубликовано: 10.12.2003 Бюл. № 34.

5. Свидетельство на полезную модель №28840, 7 В23 К26 \ 00. «Устройство для упрочнения наружных цилиндрических и эксцентриковых поверхностей распределительных валов лучом лазера» В.М. Сорокин, В.И. Котельников и др. Опубликовано: 01. 27.2005 Бюл. №20.

6. Патент на полезную модель RU №68391 U1 «Зажимные кулачки токарного станка» В.И. Котельников, А.О. Краснов. Опубликовано: 27.11.2007 Бюл.№33.

7. Патент на полезную модель №77867 «Индуктор для нагрева деталей токами высокой частоты» Авторы: Котельников В.И., Беляков В.В., Переведенцев И.Ю. и др. Опубликовано 2008.11.10.

8. Патент Российской Федерации на изобретение №2340427 «Способ механической обработки конструкционных сталей резанием» В.М. Сорокин, В.И. Котельников, В.Е. Митрофанов. Опубликовано10.12.2008 Бюл №34.

Размещено на Allbest.ru