1270
.pdfФедеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермский государственный технический университет»
В.Ф. Макаров
ВЫБОР И НАЗНАЧЕНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ УСЛОВИЙ ПРОТЯГИВАНИЯ ЗАГОТОВОК ИЗ ТРУДНООБРАБАТЫВАЕМЫХ МАТЕРИАЛОВ
Допущено Учебно-методическим объединением вузов по образованию в области автоматизированного машиностроения (УМО АМ) в качестве учебного пособия
для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности «Технология машиностроения», направление подготовки дипломированных специалистов – «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств»
Издательство Пермского государственного технического университета
2008
1
УДК 621.9.02. ББК 34.63-5 М55
Рецензенты:
заведующий кафедрой «Технология авиационных двигателей, общего машиностроения и управления качеством»
Рыбинской государственной авиационной технологической академии им. П.А. Соловьева доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки и техники РФ В.Ф. Безъязычный;
директор НИЦ «Новые технологии и инструменты» МГТУ «Станкин» доктор технических наук, профессор, заслуженный
деятель науки и техники РФ В.К. Старков; главный инженер ОАО «Пермский моторный завод» кандидат технических наук И.Г. Башкатов
Макаров, В.Ф.
М55 Выбор и назначение оптимальных условий протягивания заготовок из труднообрабатываемых материалов: учеб. пособие / В.Ф. Макаров. – Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2008. – 396 с.
ISBN 978-5-398-00057-3
Представлен современный экспериментально-теоретический материал по обработке труднообрабатываемых материалов новым для протягивания инструментальным материалом на повышенных режимах резания. Приведены методики и результаты экспериментального исследования теплофизики, динамики процесса протягивания, износа и стойкости протяжек, оптимизации процесса резания, параметров качества поверхностного слоя и последовательность выбора оптимальных режимов скоростного протягивания заготовок. Даны примеры и конкретные рекомендации по применению скоростного протягивания труднообрабатываемых материалов твердосплавными протяжками.
Предназначено для студентов специальности «Технология машиностроения», направление подготовки дипломированных специалистов – «Конструк- торско-технологическое обеспечение машиностроительных производств», и может быть полезно специалистам предприятий и аспирантам.
УДК 621.9.02 ББК 34.63-5
Издано в рамках приоритетного национального проекта «Образование» по программе Пермского государственного технического университета «Создание инновационной системы формирования профессиональных компетенций кадров и центра инновационного развития региона на базе многопрофильного технического университета»
ISBN 978-5-398-00057-3 © ГОУ ВПО «Пермский государственный технический университет», 2008
2
СОДЕРЖАНИЕ |
|
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ............................................................... |
7 |
ВВЕДЕНИЕ.............................................................................................. |
9 |
ГЛАВА1. ОСОБЕННОСТИПРОЦЕССА ПРОТЯГИВАНИЯ |
|
СЛОЖНОФАСОННЫХПОВЕРХНОСТЕЙ |
|
ТЯЖЕЛОНАГРУЖЕННЫХДЕТАЛЕЙМАШИН |
|
ИЗТРУДНООБРАБАТЫВАЕМЫХ МАТЕРИАЛОВ........................... |
18 |
1.1. Проблемы, возникающие при протягивании |
|
труднообрабатываемых материалов......................................... |
18 |
1.2.Основные технические требования к процессам формообразования сложнофасонных поверхностей
деталей машин............................................................................ |
21 |
1.3.Технологические особенности процесса протягивания среди других процессов формообразования
сложнофасонных поверхностей деталей машин...................... |
28 |
1.4. Режимы резания и режущие инструменты, применяемые |
|
при протягивании труднообрабатываемых материалов........... |
32 |
1.5. Задачи оптимизации процесса резания при протягивании..... |
42 |
1.6. Контрольные вопросы................................................................ |
45 |
ГЛАВА 2. ОСОБЕННОСТИ МЕТОДИКИ |
|
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ |
|
ФИЗИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ И ОПТИМИЗАЦИИ ПРОЦЕССА |
|
РЕЗАНИЯ ПРИ ПРОТЯГИВАНИИ |
|
ТРУДНООБРАБАТЫВАЕМЫХ МАТЕРИАЛОВ.............................. |
46 |
2.1. Анализ структурно-фазового состава, прочностных |
|
и пластических свойств сталей и сплавов, |
|
обрабатываемых протягиванием............................................... |
46 |
2.2.Модернизация протяжного оборудования, разработка конструкций и выбор рациональных марок материалов
протяжек для решения задач оптимизации.............................. |
58 |
2.3. Методы исследования износостойкости протяжек, |
|
температурно-силовых и адгезионных явлений процесса |
|
резания при протягивании......................................................... |
73 |
|
3 |
2.4. Особенности методики исследования основных |
|
параметров качества поверхностного слоя |
|
и усталостной прочности протягиваемых деталей |
|
в лабораторных и производственных условиях....................... |
76 |
2.5. Контрольные вопросы................................................................ |
78 |
ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ |
|
ПРОЦЕССА РЕЗАНИЯ И УСТАНОВЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ |
|
РЕЖИМОВ ПРОТЯГИВАНИЯ ДЛЯ РАЗЛИЧНЫХ ГРУПП |
|
ТРУДНООБРАБАТЫВАЕМЫХ СТАЛЕЙ И СПЛАВОВ ................. |
79 |
3.1.Установление наиболее благоприятных температурных зон резания с позиции снижения прочностных
и пластических свойств сталей и сплавов при их нагреве...... |
79 |
3.2.Моделирование и расчет тепловых процессов резания многозубым инструментом при различных режимах
протягивания труднообрабатываемых материалов................. |
88 |
3.2.1. Исследование тепловых полей и расчет температуры |
|
резания при протягивании многозубым инструментом........... |
90 |
3.2.2. Расчет оптимальных скоростей резания при протягивании |
|
жаропрочных сталей и сплавов аналитическим методом...... |
101 |
3.3.Экспериментальное определение оптимальных режимов резания при протягивании труднообрабатываемых
сталей и сплавов....................................................................... |
109 |
3.4. Исследование влияния режимов резания |
|
и геометрии протяжек на изменение силы резания |
|
и процесс стружкообразования.............................................. |
140 |
3.5. Влияние режимов протягивания на характер изменения |
|
временных технологических напряжений |
|
в обрабатываемых деталях ...................................................... |
172 |
3.6. Контрольные вопросы.............................................................. |
177 |
ГЛАВА 4. ВЛИЯНИЕ РЕЖИМОВ ПРОТЯГИВАНИЯ |
|
И ГЕОМЕТРИИ ПРОТЯЖЕК НА ФОРМИРОВАНИЕ |
|
ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНОГО |
|
СЛОЯ И УСТАЛОСТНУЮ ПРОЧНОСТЬ ДЕТАЛЕЙ |
|
ИЗ РАЗЛИЧНЫХ СТАЛЕЙ И СПЛАВОВ......................................... |
178 |
4 |
|
4.1. Влияния режимов протягивания и геометрии протяжек |
|
на формирование шероховатости протянутой |
|
поверхности .............................................................................. |
179 |
4.2. Влияние режимов протягивания на глубину |
|
и степень наклепа..................................................................... |
196 |
4.3. Влияние режимов протягивания на формирование |
|
остаточных напряжений........................................................... |
206 |
4.4. Исследование микроструктуры и химсостава |
|
поверхностного слоя деталей, обработанных |
|
на различных скоростях резания............................................. |
222 |
4.5. Влияние режимов резания на усталостную прочность |
|
протянутых деталей.................................................................. |
233 |
4.6. Контрольные вопросы.............................................................. |
243 |
ГЛАВА 5. МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ СТАБИЛЬНОЙ |
|
РАБОТЫ МНОГОСЕКЦИОННЫХ ТВЕРДОСПЛАВНЫХ |
|
ПРОТЯЖЕК В УСЛОВИЯХ ОПТИМАЛЬНОГО РЕЗАНИЯ.......... |
244 |
5.1. Особенности износа и хрупкого разрушения |
|
твердосплавных протяжек....................................................... |
245 |
5.2. Влияние контактных адгезионных явлений |
|
при протягивании на хрупкое разрушение |
|
и износ протяжек...................................................................... |
252 |
5.3. Влияние нестационарных прерывистых условий резания |
|
при протягивании на хрупкое разрушение протяжек............ |
262 |
5.4. Разработка способа скоростного протягивания деталей |
|
ГТД твердосплавными многосекционными протяжками..... |
281 |
5.5. Статистистическая оценка надежности работы протяжек |
|
при интенсификации процесса протягивания........................ |
290 |
5.6. Контрольные вопросы.............................................................. |
298 |
ГЛАВА 6. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ |
|
ПРЕИМУЩЕСТВА ПРОЦЕССА СКОРОСТНОГО |
|
ПРОТЯГИВАНИЯ «ЕЛОЧНЫХ» ЗАМКОВ ТУРБИННЫХ |
|
ЛОПАТОК ПЕРЕД ФРЕЗЕРОВАНИЕМ И ГЛУБИННЫМ |
|
ШЛИФОВАНИЕМ............................................................................... |
299 |
6.1. Эффективность процесса скоростного протягивания |
|
«елочных» замков турбинных лопаток................................... |
301 |
|
5 |
6.2. Анализ процесса фасонного фрезерования |
|
«елочных» замков турбинных лопаток................................... |
310 |
6.3. Эффективность процесса глубинного шлифования |
|
«елочных» замков турбинных лопаток................................... |
316 |
6.4. Сравнительная оценка показателей производительности, |
|
качества и себестоимости при интенсификации |
|
различных процессов резания замков |
|
турбинных лопаток................................................................... |
342 |
6.5. Контрольные вопросы.............................................................. |
355 |
ГЛАВА 7. ПРАКТИЧЕСКИЕ ПРИМЕРЫ ОПТИМИЗАЦИИ |
|
ПРОЦЕССА ПРОТЯГИВАНИЯ ДЕТАЛЕЙ |
|
ИЗ ТРУДНООБРАБАТЫВАЕМЫХ МАТЕРИАЛОВ...................... |
356 |
7.1.Технические рекомендации по выбору режимов резания
игеометрии протяжек при внедрении процессов скоростного протягивания деталей
из жаропрочных сплавов ......................................................... |
357 |
7.2. Эффективность скоростного протягивания замковых |
|
соединений дисков и лопаток турбин и компрессоров......... |
369 |
7.2.1. Протягивание торцевых шлиц «Хирта» на дисках турбин ..... |
371 |
7.2.2. Скоростное протягивание пазов «ласточкин хвост» |
|
в кольцах направляющих аппаратов..................................... |
373 |
7.2.3. Протягивание замков лопаток компрессора |
|
на скоростных режимах резания........................................... |
375 |
7.2.4. Автоматизация протягивания замков лопаток ....................... |
376 |
7.2.5 Скоростное протягивание пазов «ласточкин хвост» |
|
в дисках компрессоров......................................................... |
378 |
7.2.6. Испытание процесса скоростного протягивания |
|
«елочных» пазов в дисках турбин ........................................ |
379 |
7.3. Примеры эффективного внедрения интенсификации |
|
протягивания на предприятиях моторостроения................... |
383 |
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................................................................................... |
387 |
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ................................................................... |
391 |
6
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
A– сумма переменных элементов себестоимости операции, зависящих от скорости резания;
а– толщина среза;
b |
– ширина среза; |
с– ширина контакта стружки с передней поверхностью резца;
d |
– диаметр отпечатка; |
Е– термоэлектродвижущая сила, возникающая в паре резец-
h |
|
деталь, модуль упругости; |
– |
глубина наклепа; |
|
hз |
– общая или текущая ширина фаски износа по задней по- |
|
hз.к |
|
верхности; |
– ширина фаски износа задней поверхности в конце перио- |
||
hз.н |
|
да износа; |
– ширина фаски износа по задней поверхности в конце пе- |
||
hо.з.л |
|
риода начального износа; |
– относительный линейный износ зуба протяжки; |
||
hо.з.о |
– |
относительный износ зуба протяжки, соответствую- |
|
|
щий Vo; |
НRC |
– |
микротвердоcть; |
I |
– |
интенсивность износа; |
L, l |
– конечная или текущая длина пути резания; |
|
Рz, Рy |
– осевая и радиальная составляющие силы резания; |
|
Qn |
– |
ударная вязкость; |
Rа |
– среднее арифметическое отклонение профиля поверхно- |
|
|
|
сти; |
Rz |
– высота микронеровностей профиля поверхности; |
|
Rmax |
– наибольшая высота микронеровностей профиля; |
|
Sz |
– подача на зуб протяжки; |
|
Тмин |
– |
период стойкости протяжки; |
T |
– |
температура резания; |
tм |
– машинное время обработки одной детали; |
|
|
|
7 |
Vo |
– оптимальная скорость резания, соответствующая наи- |
|
меньшей интенсивности износа инструмента; |
Н– степень наклепа;
α– задний угол;
γ– передний угол,
γ′ |
– упрочняющая интерметаллидная фаза; |
δ– относительное удлинение после разрыва;
ψ– относительное сужение после разрыва;
ξ– усадка стружки;
θо |
– средняя температура резания (контакта), соответствую- |
|
щая оптимальной скорости резания; |
λ– угол наклона главной режущей кромки;
σb |
– предел прочности на растяжение; |
|
σp |
– |
предел пропорциональности; |
σs |
– |
предел текучести; |
στ |
– |
тангенциальные остаточные напряжения; |
σ–1 |
– |
предел усталости; |
τп |
– прочность адгезионной связи на срез; |
|
τо |
– |
прочность адгезионной связи на срез при отсутствии |
|
|
нормального давления. |
8
ВВЕДЕНИЕ
Данное учебное пособие предназначено для студентов направления 150900 «Технология, оборудование и автоматизация машиностроительного производства» (специальности 151001 «Технология машиностроения» и 151002 «Металлорежущие станки и инструменты»), получающих образование по всем видам обучения – бакалавриата, специалитета и магистратуры.
Представлен современный экспериментально-теоретический материал по обработке труднообрабатываемых материалов новым для протягивания инструментальным материалом на повышенных режимах резания. Цель данного пособия – дать студентам более широкие знания о технологии машиностроения, резании материалов, модернизации оборудования; об основных закономерностях процессов пластического деформирования при резании; об образовании и формировании обработанной поверхности и поверхностного слоя, изнашивании и затуплении режущего инструмента (совокупность этих трех процессов, всегда взаимосвязанных, представляет систему резания) применительно к процессу протягивания. Студенты знакомятся с методами оптимизации системы резания и управления ею, а также основными направлениями интенсификации процесса резания, повышения работоспособности и надежности режущего инструмента.
В результате изучения дисциплины студент усвоит термины, определения, понятия, составляющие основу профессионального языка инженера специальности 120100 «Технология машиностроения». Он должен:
–знать сущность процесса резания; геометрию режущей части инструмента; параметры режима резания и их влияние на производительность обработки, качество обработанной поверхности, точность размеров обрабатываемой поверхности;
–уметь выбирать инструментальные материалы, геометрические параметры для наиболее распространенных режущих инстру-
9
ментов, СОЖ для конкретных условий обработки резанием; назначать режимы обработки для точения, сверления, фрезерования, шлифования;
– освоить методы выполнения расчетов составляющих сил резания, мощности, допускаемой скорости резания, периода стойкости инструмента, определения машинного времени.
Содержание дисциплины составляют теоретические и экспериментально проверенные закономерности процессов, происходящих при обработке резанием. Эти закономерности предопределяют режимы обработки деталей на металлорежущих станках, а также конструкции режущих инструментов, кинематические и динамические характеристики станков, построение и структуру технологических процессов механической обработки деталей; дают исходные сведения и расчетные данные для технического нормирования и определения себестоимости изготовления деталей.
Знания, полученные в курсе «Резание материалов», необходимы при изучении дисциплин «Проектирование металлорежущего инструмента», «Металлорежущие станки», «Технология машиностроения», «Проектирование приспособлений», «Автоматизация производственных процессов в машиностроении», а также при выполнении курсовых и дипломных проектов.
В пособии представлен весьма полезный материал для студентов, магистров и аспирантов по физико-механическим свойствам новых труднообрабатываемых жаропрочных сплавов; представлены результаты исследований изменений микроструктуры сплавов после обработки на различных режимах резания; приведены результаты адгезионных явлений на контактных поверхностях заготовки и режущего инструмента.
Особый интерес представляет разработка оригинальных методик исследования термодинамических явлений в зоне резания на скоростных протяжных установках и на специальном приборе – адгезиомере УОМИМ-1, методы отбраковки дефектных твердосплавных пла-
10