Повышение эффективности токарной обработки заготовок с износостойкими покрытиями путем сухого электростатического охлаждения

В современном машиностроении широко используют технологии нанесения износостойких покрытий на рабочие поверхности деталей машин с целью повышения ресурса их работы.

Широкая номенклатура деталей, работающих в условиях повышенных нагрузок, требует применения специальных материалов, обладающих повышенной прочностью, твердостью, износостойкостью и другими свойствами. Так, как материалы с такими, порой взаимоисключающими свойствами, относительно дороги, то напыление специальных покрытий является альтернативой для снижения затрат на изготовление деталей. При этом их основные эксплуатационные характеристики определяются тонким поверхностным слоем покрытия. К таким изделиям следует например, отнести роторы турбокомпрессорного оборудования для перекачки углеводородного сырья, крупногабаритные валы редукторов, детали автомобильной и сельскохозяйственной техники и др.

Напыление износостойких покрытий толщиной свыше 0,1 мм во многом решает проблему повышения срока службы деталей машин, подвергаемых износу. Ремонтная технология позволяет нанести покрытие на изношенный участок детали, исключая тем самым непроизводительные затраты на изготовление новой продукции.

Материалы износостойких напыленных покрытий, как правило, трудно поддаются механической обработке. Во-первых, наличие в них карбидов, боридов или других твердых частиц приводит к интенсивному износу режущих инструментов. Во-вторых, для напыленных поверхностей характерна пониженная прочность пограничной зоны с основным материалом. В случае, когда напряжения в пограничной зоне превышают допустимый уровень, происходит разрушение покрытия (отслоение) при обработке или в процессе эксплуатации изделия. Поэтому в процессе обработки заготовок с напыленными износостойкими покрытиями (НИП) для обеспечении необходимых показателей по производительности обработки и стойкости инструмента необходимо учитывать напряженное состояние поверхностного слоя детали.

На работоспособность деталей с напыленными покрытиями существенное влияние оказывает не только величина, но и знак остаточных напряжений. Так, при остаточных напряжениях растяжения, возникающих, как правило, при абразивной обработке напыленного слоя, снижается усталостная прочность деталей. Перспективным является использование лезвийной обработки, в частности точения, поскольку оно обеспечивает формирование в покрытиях остаточных напряжений сжатия, в итоге повышающих усталостную прочность деталей.

Экспериментальные кривые остаточных напряжений в деталях, обработанных точением, имеют минимум на некоторой глубине от поверхности. Однако известные методики расчета остаточных напряжений при точении дают результат в виде монотонного повышения напряжений с удалением от поверхности и не позволяют описать фактически имеющий место экстремум. При расчете напряжений в обточенных заготовках с НИП, задача аналитического определения положения экстремума на эпюре напряжений носит принципиальный характер. Это связано с тем, что прочностные и эксплуатационные свойства детали зависят от того, в какой из трех основных областей (покрытие, пограничная зона, основа), существенно различающихся по прочности и пластичности, локализован экстремум. Методика расчета остаточных напряжений, позволяющая получить немонотонную зависимость напряжений по глубине, разработана в настоящей работе.

Одним из основных критериев оценки современных процессов механической обработки является их экологическая безопасность. Поэтому актуальны разработки, направленные на исследование и создание перспективных экологически чистых методов механической обработки применительно к обработке резанием НИП. Известно, что основную экологическую нагрузку на окружающую среду при обработке металлов резанием оказывают смазочно-охлаждающие жидкости. Технологии обработки без применения СОЖ (всухую) обработки составляют одно из перспективных направлений в современных науке и практике обработки металлов резанием. Эти технологии основаны на использовании специальных инструментальных материалов способов охлаждения рабочей зоны. Например, технология «сухого» электростатического охлаждения (СЭО), предусматривающая использовании в качестве охлаждающего агента ионизированного и озонированного воздуха, обработанного коронным электрическим разрядом, успешно используется при обработке монолитных материалов и позволяет повысить производительность обработки и стойкость инструмента.

На основании изложенного, тема работы, направленной на повышение эффективности токарной обработки заготовок с износостойкими покрытиями путем аналитического определения уровня остаточных напряжений и применения СЭО, является актуальной.

Работа выполнена в соответствии с Генеральным договором о сотрудничестве между Тольяттинским государственным университетом и ОАО «АВТОВАЗ» № 33 на 2001 — 2005 г. г., п. 2.2.5.

Цель работы: Повышение эффективности токарной обработки заготовок с напыленными износостойкими покрытиями.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

1. Разработка методики расчета напряженного состояния при токарной обработке заготовок с НИП, позволяющей определить уровень напряжений в пограничной зоне заготовка-покрытие.

2. Экспериментально подтверждена адекватность аналитических зависимостей для расчета напряженного состояния при токарной обработке заготовок с НИП.

3. Теоретически и экспериментально исследована эффективность технологии СЭО при обработке заготовок с НИП.

4. Разработаны практические рекомендации по повышению эффективности токарной обработки заготовок с НИП.

Методы исследований и достоверность результатов.

Перечисленные выше задачи решали путем аналитических, численных и экспериментальных исследований. Использованы научные основы теории резания, газодинамики, математической статистики. Экспериментальные исследования выполнены на оборудовании Тольяттин-ского государственного университета, а также исследовательского центра ОАО «АВТОВАЗ», с применением метрологически аттестованных средств измерений. Достоверность теоретических результатов подтверждается применением современных математических методов и сравнением с результатами экспериментальных исследований, проведенных как автором работы, так и другими исследователями.

Научную новизну:

1. Предложена методика расчета остаточных напряжений в поверхностном слое материала при точении заготовок с НИП, учитывающая величину износа режущего инструмента.

2. Предложены эмпирические зависимости, описывающие коронный разряд в системе коаксиальных электродов игла — сопло при движении через сопло воздушной среды и предназначенных для расчета величины подаваемого на иглу напряжения, обеспечивающего предпро-бойное горение коронного разряда в процессе токарной обработки с СЭО.

Практическая ценность и реализация результатов исследования:

1. Разработана методика расчета напряжений в заготовке при токарной обработке заготовок с НИП, учитывающая степень износа инструмента.

2. Разработана методика проектирования технологических операций обработки заготовок с НИП с применением СЭО, позволяющая рассчитать параметры режима обработки, обеспечивающие необходимое повышение производительности с соответствующей корректировкой предельного износа инструмента и периода стойкости.

3. Результаты работы используются технологическими службами на предприятии ОАО «Волгоцеммаш» при разработке технологических процессов изготовления деталей тяжелого машиностроения, исследовательским центром ОАО «АВТОВАЗ» при разработке технологических процессов изготовления оснастки для производства деталей перспективных моделей автомобиля и внедрены в учебный процесс на кафедре «Резание, станки и инструмент» Тольяттинского государственного университета.

Автор защищает:

1. Методику аналитического расчета напряжений в пограничной зоне при точении заготовок с НИП.

2. Эмпирические зависимости для расчета сил резания и износа инструмента при точении молибденового покрытия резцом из сверхтвердого материала без охлаждения и с введением сухого СЭО.

3. Эмпирические зависимости для определения оптимальных параметров работы установки СЭО при точении заготовок с НИП.

4. Методику назначения параметров режима резания при точении покрытий с использованием технологии СЭО.

Диссертация состоит из четырех глав.

В первой главе дан обзор результатов теоретических и экспериментальных исследований процессов нанесения и обработки износостойких покрытий, методов расчета остаточных напряжений при точении, рассмотрена технология экологически-чистого «сухого» электростатического охлаждения (СЭО) и перспективы применения СЭО при точении заготовок с покрытиями.

Во второй главе представлена методика расчета остаточных напряжений при токарной обработке заготовок с НИП, позволяющая получить немонотонную зависимость напряжений от глубины.

В третьей главе приведены результаты экспериментов по токарной обработке заготовок с НИП, получены зависимости для расчета составляющих сил резания и ширины площадки износа при точении для двух вариантов токарной обработки напыленного молибденового покрытиябез охлаждения и с применением СЭО.

В четвертой главе представлены результаты исследования параметров режима работы установки СЭО и их влияния на показатели токарной обработки. Приведены практические рекомендации, вытекающие из результатов исследования.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. В результате выполненных исследований разработана методика расчета остаточных напряжений, позволяющая определить глубину деформированного слоя и уровень напряжений при точении покрытий. Исходные данные для расчета содержат в большинстве априорно известные величины (режим резания, геометрию инструмента и срезаемого слоя, механические характеристики материалов резца, покрытия и основы) и экспериментально определяемые силы резания. Адекватность результатов расчетов подтверждена экспериментально.

2. Разработанная схема расчета напряжений при обработке износостойких покрытий может быть использована для оптимизации режимов обработки износостойких покрытий совместно с методикой расчета сил резания.

3. Экспериментально установлено, что использование технологии СЭО оказывает существенное влияние на силы резания и интенсивность изнашивания инструмента при точении молибденового напыленного покрытия эльборовым инструментом. Получены математические модели, устанавливающие зависимость сил резания и величины износа инструмента от основных параметров процесса резания.

4. Получены зависимости для расчета электрического напряжения иглы сопла установки СЭО обеспечивающего наибольшую мощность коронного разряда при различных диаметрах сопла и вылетах иглы. Зависимости применимы для точения напыленных износостойких покрытий.

5. Установлено, что с повышением скорости потока воздуха, проходящего через зону коронного разряда, ток короны снижается. Получены зависимости для расчета относительного снижения тока короны в зависимости от давления воздуха и конфигурации сопла.

6. Предложено оценивать эффективность СЭО с помощью косвенной характеристики — тока переноса. Установлены зависимости тока переноса от давления воздуха, длины воздушной струи и конфигурации сопла.

7. Сформулированы рекомендации по применению процессов токарной обработки заготовок с напыленными износостойкими покрытиями в производственных условиях и при подготовке специалистов специальности 151 002 в Тольяттинском государственном университете.

8. На основе полученных аналитических и экспериментальных зависимостей выполнено проектирование технологической операции обработки оси сателлита планетарного редуктора на ОАО «Волгоцем-маш», что обеспечило повышение производительности в 1,5 раза и стойкости инструмента в 1,2 раза с сохранением уровня остаточных напряжений в поверхностном слое обработанной детали. Условно-годовая экономия от внедрения технологии СЭО на операции токарной обработки оси сателлита планетарного редуктора составляет 48 052 руб.