Дослідження надійності твердосплавних пластин для токарних різців з надтвердих матеріалів

Дослідження надійності твердосплавних пластин для токарних різців з надтвердих матеріалів

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

Національний університет «Львівська політехніка»

Кафедра «Технології машинобудування»

Реферат

”Дослідження надійності твердосплавних пластин для токаних різців з надтвердих матеріалів”

Дисципліна: теорія різання

Львів - 2008р.

Зміст

Вступ

1. Літературний огляд. Аналіз методів діагностики різальних інструментів

2. Запуск установки для визначення та контролю РІ

3. Результати експерименту

4. Аналіз отриманих результатів

5. Розрахунки значень напружень та ймовірності руйнування різця за результатами вимірів сил різання

Висновки

Література

Вступ

Значну частину технологічних операцій в авіаційній та автомобільній промисловостях займають процеси токарної обробки алюмінієвих сплавів. Серед таких сплавів виділяються силуміни (сплави алюмінію й кремнію), які знайшли широке застосування завдяки високим механічним властивостям при малій вазі. Однак наявність твердих часток кремнію (1100 HV) в силумінах викликає підвищене зношування ріжучого інструменту (РІ). Тому для обробки силумінів доцільно використовувати інструментальні матеріали з високою зносостійкістю, до яких відносяться алмазні композиційні надтверді матеріали (НТМ), зокрема алмазно-твердосплавні пластини (АТП). Але застосування цих матеріалів на чистових і напівчистових операціях точіння в умовах сучасного автоматизованого виробництва стримується підвищеними вимогами до надійності РІ. Надійність (за ГОСТ-ом 27.002-83) - це властивість об'єкту зберігати працездатний стан до настання граничного стану при встановленій системі технічного обслуговування й ремонту. Для РІ працездатним станом є такий, при якому в процесі різання забезпечуються необхідні параметри в граничних межах, а саме шорсткість обробленої поверхні та геометричний розмір деталі, який залежить від поточного зносу РІ. Крім цього, важливою властивістю РІ є безвідмовність, яка характеризується ймовірністю його руйнування.

Поряд з високою зносостійкістю алмазні композиційні НТМ вирізняються крихкістю, малою (порівняно з іншими інструментальними матеріалами) міцністю на згин, високою вартістю і некерованістю забезпечення повторюваності властивостей від партії до партії. Тому особливо актуальним в умовах сучасного виробництва є питання визначення й контролю надійності РІ, оскільки несвоєчасне виявлення відмови різця може мати негативні наслідки - від появи браку до поломки верстату. Це особливо важливо в умовах серійного та масового автоматизованого виробництва, коли при відмові РІ в брак йде не лише поточна деталь, а й інші з партії до моменту втручання людини. Автоматичний контроль стану різців з алмазних композиційних НТМ дозволить знизити собівартість виробів за рахунок максимального використання ресурсу РІ, зменшення часу простою устаткування й кількості браку.

Традиційне використання для контролю стану різця в процесі точіння силових, температурних, а також електричних характеристик у ряді випадків неможливо або недостатньо ефективно. Перспективним методом моніторингу стану РІ в процесі точіння є метод акустичної емісії (АЕ). Принцип дії відповідних систем моніторингу полягає в реєстрації високочастотних пружних хвиль напружень - АЕ із зони різання з наступним статистичним аналізом параметрів цих сигналів.

Разом з тим, залишаються труднощі в ідентифікації параметрів сигналу АЕ через величезну кількість інформації, що міститься у ньому. Найчастіше для аналізу сигналів АЕ використовували амплітудно-часові й амплітудно-частотні характеристики. Але створені методики аналізу мають обмеження: математичні моделі й знайдені залежності справедливі лише для певних умов обробки (конкретних верстатів, режимів різання, геометрії інструменту та марки оброблюваного матеріалу).

Таким чином, визначення надійності різців з композиційних НТМ при точінні на прикладі обробки силумінів алмазно-твердосплавними пластинами з використанням методу АЕ, реалізоване в системі моніторингу РІ є перспективним й актуальним завданням.

Метою роботи є розробка системи визначення надійності різців з алмазних композиційних НТМ при точінні шляхом реєстрації та аналізу сигналів акустичної емісії, які пов'язані із зносом РІ й шорсткістю обробленої поверхні, а також за допомогою оцінки ймовірності руйнування РІ на прикладі обробки силумінів різцями, оснащеними АТП.

Для досягнення визначеної мети необхідно було вирішити такі завдання:

- проаналізувати існуючі методи діагностики РІ й аналізу сигналів АЕ;

- встановити особливості застосування різців з алмазних композиційних НТМ у процесах точіння алюмінієвих сплавів;

- науково обґрунтувати методику визначення надійності РІ шляхом оцінки зносу різця й шорсткості обробленої поверхні по сигналах АЕ із зони різання;

- створити систему моніторингу стану РІ для оцінки зносу різця й шорсткості обробленої поверхні;

- розробити методику оцінки й визначити ймовірність руйнування різців, які оснащені круглими алмазно-твердосплавними пластинами.

Об'єкт досліджень - процес чистового та напівчистового точіння силумінів різцями, які оснащені АТП.

Предмет досліджень - надійність інструментів з алмазних композиційних НТМ на прикладі АТП, реєстрація та аналіз сигналів АЕ.

Методи дослідження - динамометричний вимір сил різання, профілометричний аналіз шорсткості обробленої поверхні, реєстрація сигналів акустичної емісії, спектральний аналіз цифрових сигналів, штучні нейронні мережі, растрова електронна та оптична мікроскопія, енергодисперсний рентгеноспектральний аналіз, статистична обробка експериментальних даних.

1. Літературний огляд. Аналіз методів діагностики різальних інструментів

Проаналізовано методи діагностики різальних інструментів. Детально висвітлено метод АЕ, як найбільш перспективний метод діагностики, розглянуто способи аналізу сигналів АЕ.

В сучасних авіаційній та автомобільній промисловостях широке використання знайшли алюмінієві сплави. Серед таких сплавів виділяються силуміни (сплави алюмінію й кремнію), які мають високі механічні властивості при малій вазі. Однак наявність твердих часток кремнію (1100 HV) в силумінах викликає підвищений знос ріжучого інструменту (РІ). Тому для обробки силумінів доцільно використовувати інструментальні матеріали з високою зносостійкістю, до яких відносяться алмазні композиційні надтверді матеріали, зокрема алмазно-твердосплавні пластини. В умовах автоматизації технологічних операцій обробки та впровадження безлюдних технологій застосування цих матеріалів на чистових і напівчистових операціях точіння стримується підвищеними вимогами до надійності РІ. Поряд з високою зносостійкістю цих інструментальних матеріалів вони вирізняються крихкістю, малою міцністю на згин, високою вартістю і некерованістю забезпечення повторюваності властивостей цих матеріалів від партії до партії. Тому, необхідним постає завдання забезпечити надійність різців, які оснащені АТП.

Надійність (за ГОСТ-ом 27.002-83) - це властивість об'єкту зберігати працездатний стан до настання граничного стану при встановленій системі технічного обслуговування й ремонту. Для РІ працездатним станом є такий стан при якому в процесі різання забезпечуються необхідні параметри в граничних межах, а саме шорсткість обробленої поверхні та геометричний розмір деталі, який залежить від поточного зносу РІ. Крім цього, важливою властивістю РІ є безвідмовність, яка характеризується ймовірністю його руйнування. Значення останнього показника може бути вирішальним при виборі ріжучих пластин, при пропозиції різних постачальників. Розрахунок ймовірністі руйнування потребує визначення напружень в АТП підчас точіння.

Аналіз методів діагностики різальних інструментів показав, що перспективним є метод акустичної емісії. Традиційне використання для контролю силових, температурних, а також електричних характеристик у ряді випадків неможливо або недостатньо ефективно. Метод АЕ має високі чутливість і швидкодію, а також значно менше обмежень, зв'язаних зі структурою, фізико-механічними властивостями матеріалів і зовнішнім середовищем в порівнянні з іншими методами контролю.

АЕ, тобто випромінювання матеріалом пружних хвиль напружень, викликаних локальною динамічною перебудовою його структури, містить у собі інформацію про фізичні процеси, які відбуваються при терті, деформуванні та руйнуванні матеріалу. Джерелами сигналів АЕ при точінні є три зони: зона зсуву містить інформацію про пластичну й (у меншому ступені) пружну деформацію зсуву та руйнування в поверхні зсуву, а дві інші зони - поверхня розділу різець-стружка та поверхня розділу різець-оброблювана деталь несуть інформацію про контактну взаємодію, знос різця та шорсткість обробленої поверхні. Разом з тим, існують складності у вимірюванні й обробці даних АЕ. Традиційні методи аналізу сигналів АЕ при різанні, розроблені вченими різних країн (Д. Дорнфельдом, М. Морівакі, К. Ивата, Д. Дімлою, Г. Понтуале, Х.В. Равиндра, В.Н. Подураевим, А.А. Борзовим, О.В. Кибальченком та ін.), мають обмеження: математичні моделі та знайдені залежності справедливі лише для певних умов обробки (конкретних верстататів, режимів різання, геометрії РІ й марки оброблюваного матеріалу).

Таким чином, основне завдання наукового дослідження полягає у створенні науково-обґрунтованої методики та оцінки зносу різця по задній поверхні й шорсткості обробленої поверхні по даним АЕ, а також ймовірності руйнування РІ, та практична реалізація цієї методики в системі моніторингу РІ..

2. Запуск установки для визначення та контролю РІ

У теперішній час для обробки кольорових сплавів і силумінів найбільше використовуються двошарові композиційні НТМ. Їх одержують шляхом спікання алмазів при високих температурах і тисках на підкладці із твердих сплавів. Представником даного класу інструментальних матеріалів є алмазно-твердосплавні пластини. В роботі для різця використовували АТП діаметром 7,5 мм, товщиною 3,18 мм та з кутами б = 11° й г = 0°.

Проведений аналіз впливу місця розміщення датчика АЕ на сигнал АЕ показав, що максимальний рівень сигналу та найменше спотворення його спектру забезпечуються при контакті датчика АЕ безпосередньо з ріжучою пластиною у порівнянні із традиційним розміщенням датчика під державкою. В результаті була запропонована нова конструкція різця з вбудованим в прихват широкосмуговим датчиком АЕ. На відміну від аналогічних датчиків, введення карбіду вольфраму, як наповнювача до складу матеріалу демпфера дозволило одержати матеріал із високими демпфуючими властивостями. Частинки карбіду вольфраму розміром 1-10 мкм, які хаотично розміщаються в композиційному матеріалі, добре поглинали акустичні хвилі в робочій смузі частот, за рахунок чого відбувалося вирівнювання амплітудно-частотної характеристики (АЧХ) датчика АЕ на 20% у діапазоні робочих частот приймально-підсилювального тракту (від 100 кГц до 2 МГц) у порівнянні із традиційними датчиками. На конструкції розробленого різця та датчика отримано патенти України.

У якості оброблюваних виробів використовували силумінові поршні з різним вмістом кремнію. Процентний склад кремнію визначали методом рентгеноспектрального мікроаналізу за допомогою растрового електронного мікроскопа «Camscan - 4DV» із приставкою для енергодисперсного рентгеноспектрального аналізу «Link-860». Таким чином, для експериментів по точінню були відібрані силумінові поршні зі сплавів із наступним вмістом кремнію, мас. %: 0,3; 10,8; 12,8; 15,8; 18,4.

Основним елементом розробленої системи моніторингу РІ «MNAS-2» (ліва гілка на є різець із вбудованим широкосмуговим датчиком АЕ. У процесі різання сигнал АЕ від датчика «WRS-1» надходив на блок попереднього підсилювача й амплітудного детектора, який з високочастотного первинного сигналу АЕ в діапазоні частот від 100 кГц до 2 МГц виділяв низькочастотну (від 100 Гц до 22 кГц) обвідну.

Далі сигнал подавали на швидкодіючий аналого-цифровий перетворювач (АЦП 1), де він перетворювався в цифрову форму із частотою дискретизації 44 кГц й зберігався в пам'яті мобільного комп'ютера (ПК 1). Конфігурація комп'ютера «Dell Inspiron 1300» із процесором Intel 1,5 МГц і пам'яттю 512 Мб була обрана з урахуванням очікуваної ресурсоємності подальшого аналізу сигналів АЕ.

Автоматизована система прогнозування ймовірності руйнування різця «СПВР-1» (права гілка складалася з універсального динамометра «УДМ-300», у якому розміщали різець, оснащений АТП. Динамометр «УДМ-300» конструкції ВНИИ (м. Москва) дозволяв вимірювати три ортогональні складові сили різання. Отримані за допомогою динамометра значення сил різання були необхідними вихідними даними для розрахунку ймовірності руйнування різця в процесі точіння. Для посилення електричного сигналу від динамометра використовували тензостанцію «ТОПАЗ». Сигнал від тензостанціі перетворювали у цифрову форму за допомогою 12-ти розрядного шістнадцятиканального АЦП 2 «A-812PG», який виконано у вигляді інтерфейсної плати комп'ютера. Керування роботою АЦП 2 і запис значень складових сили різання здійснювали у спеціально розробленій програмі «Модуль-812».

Всі експерименти по точінню заготовок із силуміну проводили на експериментальній установці з одночасним записом сигналів акустичної емісії й сил різання. Після кожного експерименту вимірювали шорсткість обробленої поверхні за допомогою приладу «Surtronic 3» фірми Taylor-Hobson безпосередньо на верстаті. Знос інструментів по задній поверхні hз вимірювали також не знімаючи різець з верстату, на спеціальному оптичному пристосуванні на базі мікроскопу «МБС-10». Це дозволило уникнути похибок вимірювання від зміщення різця між експериментами.

3. Результати експерименту

Режими різання, при яких обробляли силуміни, обрані в діапазоні застосовуваних у виробництві поршнів двигунів внутрішнього згорання при чистовому й напівчистовому точінні: швидкість різання v від 65 м/хв. до 400 м/хв., глибина різання t від 0,05 мм до 0,30 мм. Подача s = 0,1 мм/об обрана за критерієм забезпечення мінімальної шорсткості при використанні АТП.

За допомогою розробленої системи «MNAS-2» були отримані спектри детектованого по амплітуді сигналу АЕ із зони різання в цифровій формі. Необхідність застосування амплітудного детектора викликана потрібністю запису в реальному часі величезного масиву даних вихідного високочастотного сигналу АЕ. В роботі використовували амплітудне детектування з отриманням низькочастотної (44 кГц) обвідної високочастотного (2 МГц) сигналу АЕ.

Важливими показниками надійності РІ є знос різця та шорсткість обробленої поверхні. Одним зі способів забезпечення необхідної якості деталей є застосування систем контролю, які здатні оцінювати поточний знос різця та шорсткість оброблюваної поверхні з метою недопущення перевищення встановлених на виробництві граничних значень (для поршнів Ra = 1,25 мкм та hз = 0,30 мм).

В результаті проведення експериментів по точінню на різних режимах різання із одночасним записом сигналів АЕ та сил різання були виявлені наступні особливості.

Збільшення швидкості різання від 65 м/хв. до 400 м/хв. призводить до зростання параметра шорсткості Ra при точінні силумінів. При точінні більш пластичного алюмінію (~ 0% Si), при всіх значеннях зносу АТП, фіксували підвищену шорсткість на низьких швидкостях різання (65-80 м/хв.), викликану процесами нарістоутворення, чого не відмічали при точінні менш пластичних силумінів за рахунок наявності в них кремнію. У діапазоні швидкостей різання v від 140 м/хв. до 400 м/хв. при точінні алюмінію також відбувалося зростання шорсткості обробленої поверхні Ra на 25-35%. При точінні силумінів із вмістом кремнію 10,8, 15,8 й 18,4 мас. % зростання швидкості різання в діапазоні швидкостей від 65 м/хв. до 400 м/хв. призводило до збільшення шорсткості на 30-45%. Виявлено, що в цьому ж діапазоні швидкостей силуміновий сплав із вмістом кремнію 12,8% відрізнявся від інших: зростання швидкості різання призводило лише до незначного (~5%) збільшення шорсткості Ra.

Збільшення параметра шорсткості Ra обробленої поверхні з ростом швидкості різання пов'язане з тим, що чергування твердого кремнію (1100 HV) та м'якого алюмінію (500 HV) у силуміновій заготовці в процесі точіння викликало зростання амплітуди мікроколивання вершини різця. Глибина різання t мало впливала на шорсткість обробленої поверхні при всіх досліджених режимах різання й значеннях зносу різця.

Ймовірність руйнування різця розраховували за даними сил різання, а саме значень рівнодіючої сили різання та усадки стружки. Зі збільшенням швидкості різання відбувалося зростання рівнодіючої сили різання на 10-20 % для всіх досліджуваних силумінів залежно від оброблюваного матеріалу. Це пояснюється тим, що при різанні легкоплавкого силумінового сплаву з підвищенням швидкості різання та, як наслідок, швидкості деформації, відбувалося зміцнення оброблюваного матеріалу в зоні деформації. У зв'язку із цим зростали напруження зсуву. У цей же час конкуруючий процес втрати міцності матеріалу заготовки від зростання температури, що має місце при точінні алюмінію, не превалював через наявність в силуміні частинок кремнію із значно більшою температурою плавлення (1420 ?С проти 660 ?С для алюмінію). Це підтверджується збільшенням коефіцієнта усадки стружки із зростанням швидкості різання. Для силуміну з максимальним вмістом кремнію (18,4%) зростання усадки було найбільшим, але не перевищувало 7 % у всьому дослідженому діапазоні швидкостей. При цьому, змінювався й характер стружки. Так, при точінні силумінів спостерігали утворення елементної стружки, причому зі збільшенням швидкості від 65 м/хв. до 400 м/хв. розмір цих елементів збільшувався. За тих самих умов при точінні чистого алюмінію утворювалася зливна стружка. Крім цього, зростанню сил різання сприяла адгезія матеріалу заготовки з передньою поверхнею різця при точінні всіх марок силумінів (до 18,4% Si). Це було виявлено шляхом аналізу залишків налипання силуміну на поверхню АТП за допомогою електронного мікроскопу «ZEISS Ultra 55».

Страницы: 1, 2