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

В пятой главе приводятся результаты исследования физико-механических свойств металла, обработанного с нагревом и ППД. Целью исследования изменений физико-механических свойств металла, обработанного резанием с нагревом с последующим пластическим де-формированием нагретой детали являлось выяснение закономерностей разрушения сварного соединения под действием знакопеременных крутящих моментов и влияния характера механической обработки сварного шва (холодное резание либо резание с нагревом) на число циклов испытания шва под нагрузкой Р до момента его разрушения по ГОСТ 25.502 - 79. Испытаниям подвергали сварные детали, цилиндрические части, которых были изготовлены из одной марки материала, из разных марок стали, шов выполнялся наплавкой той же марки сплава, что у цилиндрических частей и шов выполнялся обычным сварочным низкоуглеродистым электродом. Детали перед испытанием подвергали механической обработке резанием холодным обычным методом и резанием с нагревом срезаемого слоя пламенем горелки. Обработка проводилась с целью удаления с детали валика наплавленного металла и придания детали соосной цилиндрической формы В ходе экспериментов было обнаружено, что трещины разрушения возникают чаше всего на границах стыка сварного шва и менее прочной ци-линдрической части сварной детали. Для образцов ст.45 +ст.40Х трещины возникали преимущественно по границам более хрупкой ст.40Х. Разрушение происходило под действием касательных напряжений, возникающих от знакопеременных крутящих моментов при резком торможении правой цилиндрической части детали. У равнопрочных металлов цилиндрических частей трещины возникали в менее прочном сварном шве. Характер излома зависит от физико-механических и структурных свойств материала в сечении разрыва. Исследование параметров точности обработки поверхности детали с нагревом проводилось при соблюдении условий: термоизолирования. После проведения точения при t = 0,8мм, S = 0,1 мм/об. и n = 350 – 1600 об/мин, нагретых до температур Т = 4500С заготовок, получили следующие результаты: Усредненные значения суммарных погрешностей следующие: i Т=4000 = 55мкм; i Т=5000 = 51мкм; i Т=6000 = 45мкм При точении заготовок с глубиной резания t =2мм величины усредненных погрешностей возросли до следующих величин. i Т=4000 = 66мкм; i Т=5000 = 58мкм; i Т=6000 = 51мкм. Следует сказать, что в обоих случаях резания суммарные величины по-грешностей не выходят за пределы допуска на размер (23) Как показали замеры диаметральных размеров детали, обработанной резанием с нагревом, отклонения формы поверхности от цилиндричности, характерные для холодного резания, отсутствовали. У деталей, обработанных ППД нагретой поверхности роликовым накатником, отклонений формы поверхности от цилиндричности также не наблюдалось. Более того, у деталей имевших перед ППД отклонения формы поверхности от цилиндричности, эти отклонения после обработки роликом нагретой поверхности уменьшались. Из полученных результатов можно сделать следующие практические выводы: 1.Жесткость детали нагретой до температуры 600°С. достаточна для проведения точения с нагревом при увеличении глубины резания в 4 раза. 2.Обработка нагретого металла резанием, совмещенная с ППД нагретой поверхности позволят получить более точные детали по сравнению с «холодным» точением. Исследование шероховатости поверхностей обработанных холодным резанием и резанием с нагревом детали внешним тепловым источником, про-водили под бинокулярным микроскопом. По результатам замеров шероховатости были построены графики зависимостей Rа=f(V) при S=const и t= const для ряда сталей: ст.45; ст.40Х; ст.20Х13; ст. 15ХМ и ст. Х12Ф1. Результаты замеров шероховатости при обработке резанием с нагревом ст 45 приведены на рис.6. R Т=20°С Т=400°С Т = 4000С Т=500°С Т=600°С Т = 5000С Т =6000С а,мкм 4,0 3,0 2,0 4 1,0 0 5 10 20 30 40 50 V,м\мин Рис.6. Зависимость параметров шероховатости Rа в мкм от скорости резания V,м\мин при S = const.при холодном резании и резании с нагревом стали ст.45 Сравнение графиков позволяет утверждать, что, в результате резания с нагревом шероховатость обработанной поверхности на черновом этапе проходным упорным резцом близка к шероховатости чистового точения. Для всех исследуемых сталей шероховатость снижается в 2,5 – 3 раза (с 6 – 5 мкм до 3,2 -2,0 мкм). Все анализируемые зависимости Rа= f(V) при S= const и t= const имеют графики с идентичными кривыми. Теория поверхностного пластического деформирования холодного металла создана отечественными учеными: Смелянским В. М., Балтером М. А., Богатовым А.А., Маркусом Л. И., Папшевым Д.Д и др. Метод улучшения поверхности нашел себе применение при металлообработке во всех отраслях промышленности. Анализ публикаций дал возможность автору убедиться в отсутствии работ по ППД нагретой до температур 450 - 550°С детали. ППД – это обработка деталей давлением (без снятия стружки), при которой пластически деформируется только тонкий поверхностный слой детали При обработке роликовым накатником длина дуги поверхности ролика, контактирующей с вершинами шероховатости, может быть найдена по формуле: L=, (24) где: R-радиус давящего ролика, мм; Rz – шероховатость поверхности детали, мм; сos α =. Подставим все величины в формулу (24) и решив найденную зависимость, умножим данную величину на длину ролика получим площадь распространения усилия давления ролика при накатывании на вершины шероховатости до полного их смятия. F =L x l Рассчитаем усилие давления ролика по формуле, учитывающей смятие материала , (25) где: σ- предел текучести материала обрабатываемой детали, кг/мм; F- площадь контакта ролика с нагретой поверхностью детали, мм; Е - модули упругости разогретого и холодного металла соответственно. Прочность металла и модуль упругости в зависимости от температуры нагрева имеют тенденция к уменьшению. При расчете усилия давления для давящего охлаждаемого водой ролика с Т = 20ºC принимаем Е 10= 215, а для нагретого материала детали до Т= 750ºC принимаем Е 10= 130. Тогда усилие, приложенное к ролику, будет равно кг (515 Н) 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 - 600ºC 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= 500ºC. Р,Н 1000 750 500 Ст. 45 Ст.40Х 3,6 2,5 1,25 0,8 0,2 Ra, мкм Рис.7. График зависимости шероховатости поверхности от усилия давления ролика на поверхность при ППД металла 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.8). 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.8.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. 4. Таблица 4. Статьи затрат калькуляции цеховых расходов Затраты, в тыс.руб. Базовый вариант Предлагаемый вариант Фонд заработной платы Амортизация производственного оборудования Затраты на эл. Энергию Затраты на сжатый воздух Затраты на пар Затраты на воду Затраты на материалы и ремонт оборудования, оснастки и т.п. 23467,403 115,179 529,3 52,98 583,834 1,824 4058,0 19827,4 98,013 430,665 52,98 417,024 1,303 3384,794 Итого 28808,52 24212,196 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.

Похожие:

	Урок по технологии на тему «Основные приёмы резания тонколистового металла и проволоки» Блок первый: Генезис феодализма у восточных славян и образование раннефеодального Древнерусского государства		Кузнецова Елена Сергеевна г. Сергиев Посад 2009 г. Содержание Введение... I. теоретическое исследование инфантильности и конфликтности у подростков 14-15 лет в условиях семьи
	Теоретическое обоснование и совершенствование технологии красных... ...		Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Лекция на 3 курсе дневного обучения специальности «Машины и аппараты химических производств» состоялась 23 ноября 2009 года в аудитории...
	Содержание введение 3 Общая характеристика бак «Экогель» 4 ...		Автореферат Магистерской диссертации Самара 2010 Работа выполнена... Исследование Напряженно – деформированного состояния свёрл с смп, разработка практических рекомендаций по режимам резания и условиям...
	С. В. Карвегина, магистрант; М. В. Ключко, магистрант Панова М. Б ...		Разработка технологии соединения элементов титановых слоистых конструкций... Защита состоится 19 января 2011 г в 1400 часов в конференц-зале на заседании диссертационного совета д 212. 037. 04 Гоувпо «Воронежский...
	Теоретическое обоснование проблемы индивидуализации обучения на уроке английского языка		Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Теоретическое обоснование
	Пластун Инна Львовна Саратов 2009 Обоснование выбора темы. Нелинейная... «Разработка численной модели распространения лазерного излучения в нелинейно-оптических средах»		Теоретическое обоснование проекта Постановка проблемы ...
	«Влияние музыкотерапии на психо-эмоциональное состояние детей» Теоретическое обоснование необходимости и значимости применения музыкотерапии в образовательном учреждении		Отремонтировать старость I. теоретическое исследование инфантильности и конфликтности у подростков 14-15 лет в условиях семьи
	I. Пояснительная записка Теоретическое обоснование Дополнительная общеобразовательная программа «Бисероплетение» по направлению художественно-эстетическое искусство разработана по...		Содержание Тюленёва А. Н., Осипенко М. А., Няшин Ю. И. экспериментальное и теоретическое исследование процесса иммобилизации микроорганизмов...