Для отправки ваших публикаций, пожалуйста, зарегистрируйтесь.

Если Вы уже зарегистрированы, то авторизуйтесь на сайте.


  1. Вход или регистрация
  1. Подписка

Интегральная обработка и результаты исследования качества поверхностного слоя
8 июля 2020             

В.В. ИВАНЦИВСКИЙ, доктор. техн. наук, доцент; К.А. ТИТОВА, аспирант; С.А. СЛЕПЦОВ, аспирант; Р.Д. ЖАПАРГАЗИНОВ, аспирант; И.В. ЦВЕТОВ, студент (НГТУ, г. Новосибирск); Титова К.А. – 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, Новосибирский государственный технический университет, e-mail: krispars@yandex.ru
 

Введение

Из года в год повышение качества изготовления изделия и сокращение энергозатрат на производстве приобретает все большую и большую актуальность. В связи с этим очень активно начинает развиваться станкостроение, происходит модернизация или усовершенствование имеющегося оборудования. В качестве ярко выраженного примера можно представить новый тип технологического оборудования - многофункциональные гибридные обрабатывающие комплексы. Данное технологическое оборудование позволяет комбинировать различные виды обработок детали. Таким образом, мы можем увидеть в работе авторов Ding H.T., Shin Y.C. комбинирование лазерной поверхностной закалки с механической обработкой или совмещение на одном технологическом оборудовании абразивного шлифования и поверхностной закалки и т. д.
 
Вариации комбинирования слишком многочисленны, все это связано с тем, что появляется возможность автоматизировать технологический процесс, достичь минимальных энергетических затрат, при этом иметь хорошую производительность и повысить показатели характеристик поверхностного слоя в том числе: точность формы, размеров, а также точность взаимного расположения поверхностей, заданных физико-механических свойств и шероховатости.
 
Для проведения исследований в данной работе была выбрана следующий порядок операций: черновое точение, поверхностная закалка ТВЧ и алмазное выглаживание.
 
Выше уже было сказано, что финишная операция оказывает наибольшее влияние на формирование показателей качества поверхностного слоя в том числе: шероховатость, величину и характер распределения микротвердости, остаточные напряжения, микроструктуру и др. Поэтому главная цель исследования – произвести анализ обрабатываемой поверхности, полученной на гибридном оборудовании с использованием операции алмазного выглаживания.
 

Методика проведения экспериментов

Исходя из проведенного эксперимента выяснили, что во вовремя первого перехода (чернового точения) образуется поверхность, которая не имеет дефектов. Шероховатость данной поверхности составляет Rа 3,3 ± 0,7 мк.
 
Что касаемо второго перехода, то при соблюдении четких параметров глубины резания (h = 0,6 мм) в процессе поверхностной закалки ВЭН ТВЧ был произведен оптимальный подбор, с помощью решения системы уравнений режимных параметров таких, как удельная мощность (qи [Вт/м2]), скорость перемещения индуктора (Vд [м/с]) и рассеивание остаточных напряжений в слое Ψ.
 
Параллельно был произведен графический метод определения рекомендуемых параметров и представлен он на рисунке 1. Дело в том, что для определения необходимы исходные данные. В нашем случае ими являются параметры обрабатываемого материала (Сталь 45) и глубина упрочняемого слоя 0,6 мм. По итогу мы можем увидеть на рисунке 1, что в соответствии с нашими требованиями можно выделить участок на кривой от точки А до В. Этот отрезок показывает диапазон наиболее рациональных параметров при выполнении закалки в том числе qи = (3,0…3,4) ·108 Вт/м2, Vд = (0,072…0,081) м/с. Входящие режимные параметры в выделенную зону обеспечивают требуемую глубину закалки и оптимальную величину переходной зоны.
 
 
Интегральная обработка и результаты исследования качества поверхностного слоя
Рис. 1. Зависимость удельной мощности источника от его скорости движения при закалке ВЭН ТВЧ стали 45 на глубину h45 = 0,6 мм.
 
 
При соблюдении режимных данных необходимо обеспечить такой параметр, как определенная частота вращения шпинделя. Было принято решение произвести усовершенствование привода главного движения и снабдить его частотным преобразователем HF Inverter model F1500-G0015S2B. По итогу эксперимента были получены следующие результаты микротвердости и микростуктуры поверхностного слоя (Рисунок 2).
 
 
Интегральная обработка и результаты исследования качества поверхностного слоя
Рис. 2. Распределение микротвердости и остаточных напряжений в поверхностном слое стали 45 после алмазного выглаживания
 
 
Среднее значение микротвердости поверхностного слоя, после данного типа закалки, составило 739 HV, но при этом сердцевина изделия имела микротвердость равную 204 HV. Переходная структура состояла из зерен феррита и низкоуглеродистого мартенсита. Глубина данного слоя составила 0,17 мм. Поскольку в этой зоне имеются включения феррита, можно сделать вывод о том, что нагрев был произведен в диапазоне Ас1–Ас3 диаграммы железа-углерод.
 
 
Интегральная обработка и результаты исследования качества поверхностного слоя Интегральная обработка и результаты исследования качества поверхностного слоя
Рис. 3. Микроструктура поверхностного слоя стали 45 после поверхностной закалки ВЭН ТВЧ: а – участок закаленного слоя; б – участок переходной зоны.
 
 
Распределение остаточных напряжений в закалочном слое можно увидеть на рисунке 4а. Исходя из измерений στ =-560±20 МПа. Максимум растягивающих напряжений составил στ = 75±45 МПа и находится на глубине 0,8 мм.
 
Следующим этапом являлось чистовое точение. По результатам операции шероховатость обработанного участка составила Ra = 1,2±0,2 мкм. Обратим внимание, что обработка производилась размер в размер, а микротвердость и остаточные напряжения сохранились с предыдущей операции.
 
Заключительной технологической операцией являлось алмазное выглаживание. Данная операция способствует получению пластической деформации в поверхностном слое, что соответственно приводит к упрочнению, высокой износостойкости изделия и не только. Проконтролировать обработанный участок возможно топографическим методом. В таком случае отображение поверхностного слоя после пластической деформации имеет округлую форму микрорельефа, без задиров и вырывов.
 
В результате, изменение микронеровностей в сторону увеличения происходило в большей степени, из-за изменения величины подачи Sо выгл. После производилась оценка шероховатости Ra при изменении силы Py.
 
По итогу пришли к выводу, что в диапазоне от 50 Н до 100 Н, Ra интенсивно уменьшается, а от 100 Н до 150 Н, шероховатость имеет устойчивое значение Rа = 0,18±0,08 мкм (рисунок 4а). Поэтому определим функциональную зависимость шероховатости Rа от скорости Vвыгл, подачи Sо выгл, для конкретных значений силы выглаживания: Py=100Н, Py=150Н.
 
Достигаемый минимум Ra, в процессе обработки составил ~ 0,1 мкм при режимных параметрах Vвыгл =25,3 м/мин; Sо выгл=0,018мм/об; Pу=150 Н
 
Структурный метод исследования показал, что при алмазном выглаживании толщина наклепанного слоя (пластически деформируемого) составляет 0,01…0,02 мм (рисунок 4б). Кроме того, можно наблюдать увеличение в упрочненном слое, как микротвердости 868 НV,
так и отрицательных напряжений στ = -678 ± 20 МПа.
 
 
Интегральная обработка и результаты исследования качества поверхностного слоя Интегральная обработка и результаты исследования качества поверхностного слоя
Рис. 4. Качество обработанной поверхности: а) зависимость параметра шероховатости Ra от силы выглаживания Ру: 1 – Vвыгл = 25,3 м/мин, Sо выгл = 0,08 мм/об; 2 – Vвыгл = 33,2 м/мин, Sо выгл = 0,06 мм/об; 3 – Vвыгл = 33,2 м/мин, Sо выгл = 0,04 мм/об; 4 – Vвыгл= 25,3 м/мин, Sо выгл= 0,018 мм/об; б) микроструктура поверхностного слоя после алмазного выглаживания.
 
 

Результаты и обсуждение

По итогу исследования было выявлено, что дополнительное оснащение гибридного токарного станка операцией алмазного выглаживания, привела к повышению не только характеристик микротвердости, но и уровню отрицательных остаточных напряжений. Данный факт был обнаружен на переходе от закалки токами высокой частоты к выглаживанию. По итогу обработки удалось получить высококачественный наклепанный слой, толщина которого составляет 0,01…0,02 мм, причем микротвердость соответствует ~ 868 HV, а значение отрицательных напряжений увеличилось до στ= –678±20 МПа. В результате был получен необходимый диапазон силы выглаживания Рyϵ[100; 150] Н, при
котором можно достигнуть шероховатость Ra = 0,18±0,08 мкм. Далее появилась возможность охарактеризовать и получить четкую зависимость параметров шероховатости от назначенных режимов обработки для гибридного типа оборудования, с учетом высокой производительности и низких энергозатрат.

Выводы

В ходе исследования было выявлено, что применение алмазного выглаживания в качестве финишной операции, в процессе интегрированной обработки, приводит к повышению параметров качества и упрочнению поверхностного слоя детали. Применение высокоэнергетического нагрева токами высокой частоты наглядно доказало, что с его помощью возможно увеличить микротвердость поверхности изделия и уровень сжимающих
напряжений на ~ 15…20%. Доказано, что с использованием данной технологии формируется закалочный слой, толщина которого составляет 0,01…0,02 мм, микротвердость имеет значение ~ 868 HV, а уровень остаточных отрицательных напряжений возрастает до στ = -678
± 20 Мпа. Помимо этого, необходимо контролировать диапазон значений силы выглаживания от Py=100Н до Py=150Н, поскольку он является не мало важным фактором при формировании шероховатости Ra. При выполнении данного условия, параметр Ra будет
иметь минимальное значение 0,18±0,08 мкм.
 
Приведенная в работе функциональная зависимость Ra (Vвыгл, Sо выгл) дает возможность наиболее рационально назначать режимы алмазного выглаживания с учетом максимальной производительности и обеспечением наилучшего качества поверхности обрабатываемых деталей.
 
 
Список литературы
 
1. Макаров В.М. Комплексированные обрабатывающие системы // Ритм. – 2011. – № 8. –C. 20–23.
2. Development of a New Turning Center for Grinding Ceramic Materials / T. Nakagawa, K. Suzuki, T. Uematsu, M. Kimura // CIRP Annals. – 1988. – Vol. 37, iss. 1. – P. 319–322. – DOI:10.1016/S0007-8506(07)61644-8.
3. Garro C., Martin P., Veron M. Shiva a Multi-arms Machine Tool // CIRP Annals. – 1993. – Vol. 42, iss. 1. – P. 433–436. – DOI: 10.1016/S0007-8506(07)62479-2.
4. Nagae A. Development Trend of Multi-tasking Machines // 11th International Conference on Machine Tool Engineers: proc. – 2004. – P. 312–323.
5. Moriwaki T. Multi-functional machine tool // CIRP Annals – Manufacturing Technology. – 2008. – Vol. 57. – P. 736–749. – DOI: 10.1016/j.cirp.2008.09.004.
6. Fleischer J., Schmidt-Ewig J.P., Weule H. Innovative Machine Kinematics for Combined Handling and Machining of Three-dimensional Curved Light-weight Extrusion Structures // CIRP Annals. – 2005. – Vol. 54, iss. 1. – P. 317–320. – DOI: 10.1016/S0007-8506(07)60112-7.
7. The research into the effect of conditions of combined electric powered diamond processing on cutting power / D.V. Lobanov, P.V. Arkhipov, A.S. Yanyushkin, V.Yu. Skeeba // Key Engineering Materials. – 2017. – Vol. 736. – P. 81–85.
8. Скиба В.Ю., Иванцивский В.В. Гибридное металлообрабатывающее оборудование: повышение эффективности технологического процесса обработки деталей при интеграции поверхностной закалки и абразивного шлифования = Hybrid metal working equipment: improving the effectiveness of the details processing under the integration of surface quenching and abrasive grinding: монография. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2018. – 312 с. – ISBN 978-5-7782-3690-5.
9. Иванцивский В.В., Скиба В.Ю. Гибридное металлообрабатывающее оборудование. Технологические аспекты интеграции операций поверхностной закалки и абразивного шлифования = Hybrid metal working equipment. Technological aspects of integrating the operations of surface hardening and abrasive grinding: монография. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2019. – 348 с. – ISBN 978-5-7782-3988-3.
10. Optimal structure design methodology for compound multiaxis machine tools–I – Analysis of requirements and specifications / M. Nakaminami, T. Tokuma, M. Moriwaki, К. Nakamoto // International Journal of Automation Technology. – 2007. – Vol. 1, iss. 2. – P. 78–86. – DOI: 10.20965/ijat.2007.p0078.
11. Hybrid processing: the impact of mechanical and surface thermal treatment integration onto the machine parts quality / V.Yu. Skeeba, V.V. Ivancivsky, A.V. Kutyshkin, K.A. Parts // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2016. – Vol. 126. – Art. 012016. – DOI: 10.1088/1757-899X/126/1/ 012016.
12. Ding H.T., Shin Y.C. Laser-assisted machining of hardened steel parts with surface integrity analysis // International Journal of Machine Tools and Manufacture. – 2010. – Vol. 50, iss. 1. – P. 106–114.
13. Иванцивский В.В., Скиба В.Ю. Повышение поверхностной микротвердости стали при интеграции поверхностно-термической и финишной механической обработок // Научный вестник Новосибирского государственного технического университета. – 2006. – № 3 (24). – С. 187–192.
14. Скиба В.Ю. Обеспечение требуемого характера распределения остаточных напряжений при упрочнении высокоэнергетическим нагревом токами высокой частоты // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2007. – № 2 (35). – С. 25–27.
15. Иванцивский В.В., Скиба В.Ю., Зуб Н.П. Методика назначения режимов обработки, обеспечивающих рациональное распределение остаточных напряжений при поверхностной закалке ВЭН ТВЧ // Научный вестник Новосибирского государственного технического университета. – 2008. – № 3 (32). – С. 83–94.
 
Актуальные проблемы в машиностроении. Том 7. № 1-2. 2020 ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В МАШИНОСТРОЕНИИ
 

Обсудить статью на Форуме Машиностроителей






Комментариев пока нет
{c_navigation}

Написать комментарий

Другие публикации по теме





Автоматизация промышленных предприятий Автоматизация промышленных предприятий
Диспетчеризация производства, идентификация и прослеживаемость, управление КПЭ (KPI)...
(495) 662-43-70
Rodcraft (Родкрафт), Deprag, Stahlwille (Штальвиль), инструмент Atlas Copco (Атлас Копко), Iscar (Искар), Sandvik Coromant (Сандвик Коромант), Mitsubishi (Митсубиси). Маркировка труб, горячего металла в металлургии. Промышленное оборудование и инструмент
Rodcraft (Родкрафт), Deprag, Stahlwille (Штальвиль), инструмент Atlas Copco (Атлас Копко), Chicago Pneumatic (Чикаго Пневматик), Fuji (Фуджи), Desoutter, Iscar (Искар), Sandvik Coromant (Сандвик Коромант), Mitsubishi (Митсубиси), Korloy (Корлой), Seco tools, SGS tools, Onsrud, Fette, Guhring и пр. Оборудование для маркировки. Маркировка труб, горячего металла в металлургии. Фаскосниматели (фаскорезы, кромкорезы), ручные фрезеры по металлу. Пневмодвигатели (пневматические двигатели, пневмомоторы).
(495) 668-13-58
ИРОК-2М. Купить. Инструкция.
Инструмент ИРОК-2М от производителя. Купить. Скачать инструкцию и другие документы. Прочий электромонтажный инструмент и электрокомпоненты.
(495) 668-13-58 доб. 4
Реклама на сайте и-Маш Реклама на сайте и-Маш      
pr()i-mash.ru