Сверление. Записка. 1 Анализ способов обработки глубоких отверстий, конструкций инструментов для глубокого сверления, сил, действующих на сверло, факторов, оказывающих влияние на силы, моделей контакта при трении
 Скачать 2.61 Mb.
|
|
2 Теоретические исследования взаимодействия направляющих поверхностей сверла и обрабатываемого отверстия при глубоком сверлении деталей 2.1 Формулировка рабочих гипотез и методика исследований Глубокое сверление является специфической технологической операцией, широко применяемой в современном производстве, для проведения которой требуется создание специального инструмента, оснастки и оборудования. Тяжелые условия сверления заставляют работать корпус сверла, режущие и направляющие элементы с высокими напряжениями, приводящими в конечном итоге к износу сверла [13]. Интенсивность изнашивания твердосплавного инструмента существенно определяется коэффициентом трения, контактными напряжениями, температурой резания, свойствами обрабатываемого и инструментального материалов и т.д. Контактными характеристиками, в значительной мере влияющими на эксплутационные свойства соединения направляющий элемент – обрабатываемое отверстие, являются сближение шероховатых поверхностей, фактическая площадь контакта и объем зазоров в стыке, которые находятся в определенной взаимозависимости и определяются параметрами микрогеометрии и величиной сжимающих напряжений. Для нахождения путей решения поставленных в главе 1.5 задач были сформулированы следующие рабочие гипотезы: 1. Интенсивность изнашивания направляющих и сверлильной головки в целом зависит от топологии направляющих поверхностей. 2. Фактическая площадь контакта направляющих поверхностей сверла и маслоемкость стыка с обрабатываемым отверстием зависят от направления микронеровностей направляющих. 3. Возможно создание инструмента с повышенной износостойкостью направляющих поверхностей и сверлильной головки и сверла в целом. Для проверки рабочих гипотез были разработаны новые средства их реализующие: - поверхностей, полученных шлифованием и лезвийной обработкой с учетом маслоемкости в зоне контакта, - направляющих поверхностей сверла и обрабатываемого отверстия с учетом режимов резания и направлений неровностей направляющих поверхностей. Для определения влияния параметров шероховатости поверхности с различными направлениями неровностей на эксплуатационные показателями пары трения в работе производили изнашивание образцов по схеме трения скольжения колодка – ролик. Наиболее плавное изменение износа наблюдается для сочетания скрещивающегося и перпендикулярного взаимодействия микрорельефов, которое характеризуется наименьшим износом образцов. Далее была рассмотрена возможность создания инструмента с направленным микрорельефом поверхности направляющих и отработаны режимы подготовки инструмента. Существующий на ПАО «НЛМК» и ОАО «Гидропривод» станочный парк не позволял это сделать. Поэтому на базе станка для заточки фрезерных головок 3Б 667 было создано устройство для шлифования направляющих сверлильных головок, позволяющее наносить на поверхность направляющих микрорельеф, имеющий направленность по отношению к оси сверла и при высверливании глубоких отверстий не совпадающий с направлением следов обработки поверхности обрабатываемого отверстия (глава 3). Производственные испытания такого инструмента показали, что сверлильные головки с перпендикулярным микрорельефом направляющих параллельным оси сверла и скрещивающимся под углом 45º микрорельефом характеризуются более высокой стойкостью, чем головки с параллельным микрорельефом перпендикулярным оси сверла. 2.2 Зависимость фактической площади контакта направляющих от направления микронеровностей и подачи сверла Для выражения площади контакта более удобными являются безразмерные величины, приведенные в работе [62], а именно относительная площадь контакта:  , (2.1)где  ,  - константы микрогеометрии поверхности,  = 0,1 – коэффициент, зависящий от   = 5,  = 2 - значения коэффициентов для определенного вида обработки( = 5 – шлифование, = 2 – точение),  = 3,  = 2 - значения коэффициентов для определенного вида обработки( = 3 – шлифование, = 2 – точение), - величина сближения,  - высота максимального выступа.Воспользовавшись распределением параметров шероховатости по площади поверхности с учетом анизотропии направлений неровностей полученным на основании теоретических исследований [50]:  (2.2)где  - значение параметра  микрорельефа, имеющего направленность под углом  к направлению измерения;  разность между максимальным и минимальным значениями параметров шероховатости.Получаем:  (2.3) Известно [62] определенное соотношение площадей контакта   , (2.4)где  - фактическая площадь контакта,  - контурная площадь контакта. Контурную площадь контакта определяем по уравнению, представленному в работе [62]  , (2.5)где  = 2,4  = 3 – коэффициенты, зависящие от распределения волн по высоте,  - номинальная площадь контакта,  = 0,85  = 2,6 – коэффициенты, учитывающие влияние шероховатости на деформацию волн, - высота волн микронеровностей, соизмеримая с высотой шероховатости. - значение параметра шероховатости для определенного вида обработки принимаемое по табл. 3 [61] , (2.6)где  - модуль упругости материала, - коэффициент Пуассона, - значение удельной нагрузки.Получим:  . (2.7)Применительно к взаимодействию поверхности направляющих элементов с поверхностью обрабатываемого отверстия, подставляя в (2.7) значения коэффициентов , , , , выбираемых у Крагельского контактирующих поверхностей, получим: (2.8) где - номинальная площадь контакта (для направляющих сверла глубокого сверления равная 7,5 см²);  0,3 – коэффициент Пуассона; - удельное давление; - модуль упругости; - волна микронеровностей, принимаемая для круглого шлифования равной 10 мм. Воспользовавшись аналитическими зависимостями сил трения на направляющих двух-резцового сверла от подачи полученными в работе [43]   .Можно рассчитать фактическую площадь контакта направляющих поверхностей сверла глубокого сверления при взаимодействии с поверхностью обрабатываемого отверстия с учетом направлений микронеровностей направляющих поверхностей. Получим для первой и второй направляющих:   . Преобразуя далее, получим формулы для определения фактической площади контакта направляющих поверхностей сверла глубокого сверления при взаимодействии с обрабатываемым отверстием с учетом направлений неровностей направляющих поверхностей:  (2.9) (2.10) 2.3 Взаимодействие выступов контактирующих поверхностей, маслоемкость При контактировании двух шероховатых поверхностей под влиянием нормальной нагрузки первыми вступают в контакт пары выступов, для которых сумма высот выступа первой поверхности и противолежащего ему выступа второй поверхности будет наибольшей. По мере увеличения нагрузки в контакт будут вступать все новые пары противостоящих выступов, обладающие всё меньшей суммой высот. Вступившие в контакт выступы деформируются вначале упруго, а затем, когда нагрузка превысит некоторую критическую величину - пластически и точнее упруго - пластически, поскольку основа материала, на которой расположен пластически деформирующийся выступ, будет упруго проседать. С возрастанием нагрузки происходит упругая деформация волн, на которых расположены микронеровности. Упругая деформация волн ведёт к увеличению контурной площади и вследствие этого к увеличению числа выступов, воспринимающих нагрузку. Поскольку высота выступов различна, деформация разных выступов одной и той же поверхности будет различной. Наиболее сильно будут деформироваться пары выступов, имеющих наибольшую высоту, выступы, высота которых меньше средней даже при высоких нагрузках, обыкновенно не вступают в контакт. Если контактируют поверхности тел с разной твёрдостью, то выступы более твёрдой поверхности внедряются в выступы сопряжённой поверхности. Выступы более мягкой поверхности при этом расплющиваются и изменяют свою форму. В этом случае на свойства контакта будет влиять микрогеометрия поверхности более твёрдого тела и механические свойства более мягкого [61]. Основополагающими работами, в которых подробно описано взаимодействие шероховатых поверхностей, а также влияние шероховатости твердых тел на трение и износ являются работы И.В. Крагельского [61, 11, 12, 5], В.С. Комбалова [56, 57], Л.В. Горячевой [24] и других авторов [20, 23, 22, 49]. Экспериментальные исследования [70] показывают, что шероховатость поверхностей валков и заготовки существенно влияет на количество смазки, поступающей в очаг деформации при прокатке. Поперечная шероховатость поверхностей валков и прокатываемого металла увеличивает объем смазки, находящейся в очаге деформации. Продольная (с рисками, направленными вдоль оси прокатки) и однородная изотропная шероховатость уменьшают толщину слоя смазки в очаге деформации по сравнению с ее толщиной при гладких поверхностях валков и прокатываемого металла [70]. Несмотря на исследования [16, 40, 41, 17, 88] важным параметром, характеризующим взаимодействие пар трения, является смачиваемость рабочих поверхностей обуславливаемая толщиной масляной пленки. Приведенные в работе [67] данные показывают, что при постоянном давлении толщина масляной пленки зависит от величины шероховатости поверхностей контактирующих пар. Имеющиеся исследования относятся к поверхностям с направленным микрорельефом, образованным при их лезвийной обработке. Исследования маслоемкости поверхностей с различным микрорельефом, показанные в работе [6], проводили “капельным” методом на образцах прямоугольной формы размером 250 х 75 х 15 мм, c чистотой обработки поверхности Ra 1,2…9,8 мкм. В работе установлено, что форма и размеры смоченной площади образца зависят от его шероховатости, характера микрорельефа, давления в зоне контакта, скорости перемещения эталонного ролика и смазки. Определение маслоемкости поверхностей с одинаковой по высоте шероховатостью показало, что при прочих равных условиях смачиваемость поверхностей, имеющих микрорельеф с равномерно распределенными микровыступами и микровпадинами, в 1,2…1,3 раза выше смачиваемости направленного микрорельефа, полученного в результате лезвийной обработки. Среди различных методов механической обработки процессы сверления, а в данном случае глубокого сверления, выделяются высокой интенсивностью теплообразования, которая может приводить к нежелательным структурно – фазовым изменениям в поверхностном слое направляющих элементов, их преждевременному износу и выходу из строя инструмента. Особенностью процесса сверления является неодинаковое тепловыделение в различных точках каждой из режущих кромок инструмента [54]. Кроме того, как известно, силы резания жаропрочных сталей и сплавов обычно значительно (в полтора – три раза) превышают силы резания при обработке обычных конструкционных сталей. Поэтому затраты работы и количества выделившегося тепла на единицу срезанного объема металла для жаростойких сталей и сплавов будут больше. Кроме того, теплопроводность данных материалов существенно (в полтора – два раза) меньше, чем, например, теплопроводность углеродистых сталей [39, 9, 61]. А температура поверхности соприкосновения трущихся тел играет важнейшую роль в процессе трения и износа [65]. Скорость относительного движения трущихся тел оказывает влияние на процесс трения и износа не непосредственно, а через температуру. Образование нароста при трении и его исчезновение обусловлено изменением температуры, хотя на опыте наблюдается появление и исчезновение нароста в зависимости от изменения скорости [65]. Состояние поверхности, в частности, микрорельеф, поверхности направляющих элементов в значительной мере предопределяет условия трения в очаге деформаций металла при глубоком сверлении. Это в свою очередь влияет на силовые параметры процесса, температуру в зоне деформаций. Учитывая, что продольная и поперечная шероховатости различны в большинстве случаев, для оценки качества поверхности следует учитывать направление неровностей обработки. Взаимодействие поверхностей направляющих сверла глубокого сверления и обрабатываемого отверстия более подробно описано в работе [52], а направление неровностей поверхности учтено в инструменте для обработки глубоких отверстий с внутренним удалением стружки, в корпусе которого установлены режущие пластины и опорные элементы [83, 51]. Варьируя расположением оси чашечного круга относительно оси сверла, при изготовлении инструмента, создается различное направление микронеровностей на направляющих элементах (рисунок 17).  Рисунок 17–Схема базирования различного направления микронеровностей на направляющих. Наиболее распространенным методом понижения температуры до настоящего времени остается применение смазочно-охлаждающих технологических сред (СОТС) с различным составом, расходом и способом подачи в зону резания (трения) и оказывающим охлаждающее и смазывающее действие. До настоящего времени исследования СОТС были направлены, в основном, на исследование их смазочно-охлаждающего и транспортирующего действия [66, 13]. Вместе с тем, при глубоком сверлении они оказываются и своего рода разделителем направляющих инструмента и обрабатываемой поверхности. При обработке отверстия при глубоком сверлении инструменту сообщают вращение и осевое перемещение. Периферийный резец создает направление следов микронеровностей на поверхности обрабатываемого отверстия под углом 90º к оси сверла. При этом радиальная составляющая силы резания, возникающая при срезании режущими элементами стружки, действует через опорные элементы на поверхность обрабатываемого отверстия. При существующей схеме подготовки инструмента для глубокого сверления направляющие обрабатываются в сборе с головкой сверла периферией шлифовального круга прямого профиля. Тем самым создается направление следов микронеровностей под углом 90º к оси сверла, которое впоследствии при высверливании глубоких отверстий совпадает с направлением следов микронеровностей обрабатываемого отверстия. В точках касания под воздействием радиальной силы развиваются высокие удельные давления, приводящие к взаимному внедрению поверхностей на разную глубину (рисунок 18). Так как инструмент при сверлении имеет и осевое перемещение, то происходит деформация гребешков микронеровностей как обрабатываемого отверстия, так и направляющих элементов.  Рисунок 18–Схема взаимного внедрения шероховатых поверхностей при совпадении направлений микронеровностей Особенностью взаимодействия двух шероховатых поверхностей, таких как поверхности направляющих элементов и обрабатываемого отверстия является то, что одна и та же поверхность направляющих в процессе обработки контактирует с постоянно обновляющейся поверхностью обрабатываемого отверстия. Соответственно высота микронеровностей контактирующих поверхностей в определенный момент времени будет характеризоваться как:  – максимальная высота микронеровностей поверхности направляющих.  – максимальная высота неровностей обрабатываемого отверстия.Таким образом, если при скольжении контактирующих поверхностей вначале идет процесс приработки, сопровождающийся изменением микрогеометрии, в результате которого устанавливается некоторая постоянная шероховатость характерная для определенных условий трения то при взаимодействии поверхности направляющих элементов с поверхностью обрабатываемого отверстия при глубоком сверлении установление некоторой постоянной шероховатости не происходит и характерен процесс постоянного изменения микрогеометрии поверхностного слоя, который можно характеризовать как процесс постоянной приработки. О деформации гребешков микронеровностей говорится и в работе [43]. Такое внедрение является наиболее сильным на малых подачах рисунок 19.  Рисунок 19–Влияние подачи на коэффициент трения на направляющих многокромочных режущих головок: v = 49,5м/мин, пара трения: ВК 8 – Сталь 20Х [43] При контакте шероховатых поверхностей помимо общей маслоемкости стыка необходимо учитывать количество и объемы масляных карманов, которые образуются в замкнутых контурах. Данный фактор особенно важен при контактах со значительными пластическими деформациями, которые имеют место при воздействии направляющих на обрабатываемое отверстие при глубоком сверлении. Результаты моделирования контакта поверхностей с одинаковыми параметрами микронеровностей при различных сочетаниях направлений микронеровностей, представленные в работе [54], позволяют сделать вывод о том, что наиболее благоприятным сочетанием микронеровностей с точки зрения образования масляных карманов является угловой диапазон 20˚…50˚ (рисунок 20). В данном диапазоне наблюдается максимальное количество локальных замкнутых контуров с относительно большими объемами.  Рисунок 20–Количество масляных карманов при контакте шлифованных поверхностей (Ra = 0,33 мкм, сближение 0,35 R max) [54] Из изложенного следует, что при взаимодействии направляющих элементов и обрабатываемого отверстия возможно сочетание микрорельефов шероховатых поверхностей инструмента и изделия, попадающих в вышеуказанный диапазон. Образующиеся при этом масляные карманы или замкнутые контуры содержат жидкость, которая находится в состоянии гидростатического равномерного сжатия и не может вытечь из кармана, ни в каком направлении. То есть между изделием и направляющими элементами появляется несжимаемая прослойка, которая не позволяет микронеровностям направляющих полностью внедриться в поверхность обрабатываемого отверстия. Именно этим явлением может быть объяснен эффект снижения момента трения и, соответственно, износа контактирующих поверхностей с различным типом направлений неровностей. 2.4 Особенности в обозначении микрорельефов направляющих поверхностей сверла Исходя из существующих условий обработки глубоких отверстий и взаимодействия двух шероховатых поверхностей, возникает вопрос терминологии в обозначении микрорельефов взаимодействующей пары: поверхность направляющих – поверхность обрабатываемого отверстия. Рассмотрим существующее на данный момент взаимодействие микронеровностей обрабатываемого отверстия и направляющих элементов. Проанализировав движение стебля по обрабатываемому отверстию и взяв за единицу времени 1 сек, получим, что при продвижении стебля на 0,5 мм в глубь обрабатываемого отверстия детали, головка сверла проворачивается вокруг своей оси 3,3…4,3 раза. Схема направлений микронеровностей, получаемых на поверхности обрабатываемого отверстия, представлена на рис. 34 а и 34 б для сверлильных головок диаметром 75 мм и 55 мм, соответственно, в относительных координатах X,Y (X – глубина сверления, Y – радиус инструмента по направляющим элементам, ось Х совпадает с осью сверла). На приведенных рисунках видно, что направление микронеровностей, получаемых на поверхности обрабатываемого отверстия, практически вертикальное и перпендикулярно оси сверла.  Рисунок 21–Схема направлений микронеровностей, получаемых на поверхности обрабатываемого отверстия Ø 75 мм - а) и Ø 55 мм – б) при режимах резания: nинстр = 160 мин -1, nдет = 40 мм/мин, S = 30 мм/мин Направление микронеровностей, получаемое на поверхности обрабатываемого отверстия будет всегда постоянным при определенных режимах резания. Поэтому данное направление можно рассматривать как базовое, по отношению к которому будет меняться угол направления микронеровностей сопрягаемой детали (направляющей). При направлении микронеровностей поверхности направляющих, совпадающем с направлением микронеровностей поверхности обрабатываемого отверстия , микрорельеф поверхности можно обозначить как параллельный. Если направление микронеровностей направляющих перпендикулярно направлению микронеровностей обрабатываемого отверстия, то микрорельеф поверхности направляющих – перпендикулярный. При наклоне следов обработки поверхности направляющих, под каким - либо другим углом к поверхности обрабатываемого отверстия – микрорельеф скрещивающийся. После определения типа микрорельефа направляющих по отношению к микрорельефу поверхности обрабатываемого отверстия возникает вопрос привязки направлений следов обработки в пространстве пары обрабатываемая деталь – инструмент. В данном случае наиболее приемлемой и наглядной точкой отсчета является ось сверла. Тогда микрорельеф поверхности направляющих, совпадающий с направлением микронеровностей обрабатываемого отверстия, будет направлен перпендикулярно оси сверла. Микрорельеф поверхности направляющих, перпендикулярный микрорельефу обрабатываемого отверстия, будет направлен параллельно оси сверла. А микрорельеф поверхности направляющих, скрещивающийся с микрорельефом поверхности обрабатываемого отверстия, будет направлен по отношению к оси сверла под углом от 0˚ до 90˚. На рисунке 22 показано различное сочетание микрорельефов направляющих и обрабатываемого отверстия и их расположение относительно оси сверла.  Рисунок 22–Сочетание микрорельефов поверхностей направляющих и обрабатываемого отверстия и их расположение относительно оси сверла Для описания микрорельефов поверхностей направляющих элементов и обрабатываемого отверстия, учитывая фактически постоянное направление микронеровностей отверстия, считаю целесообразным брать за основу взаимодействие самих поверхностей, оговаривая тем не менее, направленность микрорельефа по отношению к оси сверла. Таким образом, направление микронеровностей на поверхности направляющих рассматривается по отношению к направлению микронеровностей поверхности обрабатываемого отверстия и к оси инструмента. А микрорельеф можно обозначить как: - для первого случая – перпендикулярный микрорельеф параллельный оси сверла; - для второго случая – параллельный микрорельеф перпендикулярный оси сверла; - для третьего случая – скрещивающийся микрорельеф. В этом случае возможно указание угла скрещивания, например, скрещивающийся микрорельеф под углом 45˚. |