Швидкісне різання як основний напрямок виготовлення деталей механічною обробкою

Швидкісне різання як основний напрямок виготовлення деталей механічною обробкою

В.А. Держук, канд. техн. наук; О.В. Осадчий

Підвищення продуктивності виготовлення деталей приладів шляхом збільшення швидкості можливо широким впровадженням різноманітних процесів високошвидкісної обробки (ВШО). Теоретичне обґрунтування фізичних параметрів ВШО до цього часу далеке від завершення. Не визначені параметри впливу тертя, деформації матеріалу і особливо швидкості деформації на сили різання, температури, стружкоутворення та стружкознімання.

Як було доведено раніше, двигуни обертання не мають прогресивного подальшого розвитку і на зміну їм будуть використовуватись двигуни лінійного переміщення. З'явилась обробка на хопрових, рушничних, гарматних та балістичних установках.

У даній роботі проведені розрахунки деформацій, швидкості деформацій, стружкоутворення та стружкознімання на процесах, які широко використовуються в приладобудуванні, а саме: на калібровку кулькою, дорнування та на прошивання отворів.

У теоретичній механіці тіло розглядається як система матеріальних точок з незмінними відстанями між ними. У природі таких абсолютно жорстких тіл не існує. Фактично, при дії на тіло зовнішніх навантажень відстані між його частинами змінюються. Тіло при цьому змінює свої розміри і початкову геометричну форму - деформується.

За характером дії навантаження поділяються на статичні і динамічні.

Статичні навантаження впродовж часу не змінюються за величиною.

Динамічні навантаження є змінними в часі. Вони можуть бути повторнодіючими, не циклічними, раптово прикладеними та ударними. Динамічні навантаження можуть бути в чистому вигляді або комбіновані зі статичними.

Розглянемо поняття про переміщення і деформації.

Якщо в тілі до деформації відмітити 2 точки, розміщені на відстані dx одна від одної, то після деформації розмір dx зміниться на величину du. При збільшенні відстані між точками величину du називають абсолютним подовженням (збільшенням), а при зменшенні відстані _ абсолютним скороченням. Відношення

називають відповідно відносним подовженням (збільшенням) або скороченням. Величину часто називають лінійною деформацією.

Якщо в тілі до деформації відмітити два відрізки dx і dy, які розміщені під кутом 90°, то після деформації цей кут зміниться на величину , яка називається відносним зрушенням (зсувом), або кутовою деформацією.

При деформації тіла змінюється його об'єм. Для елементарного об'єму dv цю зміну позначимо через do і назвемо абсолютною зміною об'єму, а відношення

- відносною зміною об'єму, або об'ємною деформацією. Деформації в тілі можуть бути великі та малі, а тіла досконало пружними і частково пружними, якщо геометрична форма тіл відновлюється повною або неповною мірою. В даному випадку переміщення і деформації будемо поділяти на пружні, які зникають після зняття навантажень, і залишкові, які залишаються в тілі після зняття навантажень. Останні часто називаються пластичними деформаціями.

Зазначеними поняттями можна довести розмірність деформації. Деформація розраховується відношенням лінійних або кутових параметрів до таких самих змінних величин за формулою

(1)

Тому відносна деформація не має розмірності. Швидкість деформації визначається часом виготовлення, тому її розмірність буде 1/с, 1/хв, 1/год.

Технологічними процесами, які використовують лінійне переміщення, і найбільш поширені в приладобудуванні, є:

- протягування внутрішнє та зовнішнє;

- прошивання внутрішнє та зовнішнє;

- дорнування внутрішнє;

- калібровка отворів кулькою.

Розглянемо деякі з них, де обґрунтуємо вплив різних фізичних параметрів на технологічний процес виготовлення.

При використанні процесів швидкісної обробки зменшуються сили тертя, які зменшують температуру в зоні різання. У даних процесах обробки має місце тертя ковзання, або тертя першого роду. Тертя при русі тіл, на відміну від тертя спокою, будемо називати тертям руху. Сили тертя ковзання залежно від матеріалу і фізичного стану поверхонь, сили тертя спокою більше сил тертя руху, тертя збільшується при збільшенні часу попереднього контакту між поверхнями тіл.

Гранична величина сили статичного тертя ковзання пропорційна силі нормального тиску поверхні тіл, між якими вона виникає:

,(2)

де Fmax - гранична величина сили статичного тертя, N - сила нормального тиску поверхонь, між якими виникає тертя; - коефіцієнт пропорційності, який називається коефіцієнтом статичного тертя ковзання. У випадку тертя руху має місце рівняння

,(3)

де - коефіцієнт тертя руху, причому

.(4)

У цьому випадку сили тертя завжди спрямовані в бік, протилежний відносним швидкостям елементів поверхонь тіл, які труться.

Коефіцієнт тертя для сталі по залізу для сухих поверхонь f = 0,15, для змащених - f = 0,1, а коефіцієнт тертя руху для сухих поверхонь f' = 0,1, для змащених - f' = 0,009. Зазначене зменшує силу тертя в 1,5-11 раз, що не може не вплинути на процес деформування шару, що знімається при обробці.

Сили тертя розподіляються на розраховані та дійсні. Якщо розглянути їх дію в часі, це визначає плавність ходу (рис. 3), то можна визначити зміну сили . Ця сила може коливатись у межах (0,05-0,02)F без урахування деформування шару, що знімається при обробці. Ця зміна визначається кутом конуса тертя і додатковим кутом тертя за формулою

,(5)

де повинен бути const - min кут конуса тертя, = 10°; - додатковий кут тертя, визначає зміну умов тертя, = 7°30'.

Визначимо теоретичні основи процесів лінійного переміщення. Вони являють собою зрушення або зріз поперечного перерізу. Діаграма зрушення нагадує діаграму розтягування (рис.4). Явище зрушення супроводжується деформаціями зминання і вигину. Для пластичних матеріалів співвідношення відносно знаходиться у межах 0,5-0,8.

Залежність між модулем пружності при зрушенні і розтягуванні має вигляд

, (6)

де - коефіцієнт Пуассона (для сталі = 0,25-0,3), для металів в області пластичних деформацій приблизно можна взяти = 0,5.

При швидкісних та надшвидкісних процесах обробки явища будуть проходити в умовах абсолютно чистого зрушення.

Визначимо допустиму напругу в умовах крихких матеріалів, які мають місце при надшвидкісних процесах обробки за формулою:

,(7)

де - запас міцності для крихких матеріалів, дорівнює 4-8. Орієнтовно величини допустимих напруг для чавуну становлять 280-800 кг/см2, а для сталі конструкційної 600-2500 кг/см2. Зазначені параметри будуть використані в розрахунках вибраних процесів виготовлення.

- формула відносної деформації, вона не має розмірності;

1/с - розмірність швидкісної деформації;

- гранична величина сили статичного тертя;

- сила тертя руху;

f - 0,15-0,1; f ' -0,1-0,009. Сила тертя зменшується в 1,5-11 раз;

ftp - розрахункова сила тертя;

;

= const - min кут конуса тертя, = 10 °; - додатковий кут тертя, визначає зміну умов тертя, у = 7°30';

- формула визначення модуля пружності;

- допустима напруга при обробці крихких матеріалів;

При лінійній апроксимації фізичних параметрів:

,

де - умовна межа текучості; - інтенсивність деформації.

При степеневій апроксимації фізичних параметрів високошвидкісних процесів обробки

, де c - константа матеріалу.

Рисунок 1 - Лінійна деформація Рисунок 2 - Кутова деформація

Рисунок 3 - Плавність ходу

Рисунок 4 - Діаграма зрушення: п - межа пропорційності, т - межа текучості, в - часовий опір

Рисунок 5 - Схема калібровки кулькою (прошивання)

Розрахункові вхідні дані:

ZBmin = 0,5 мм; 2ZBmjn = 1 мм; Матеріал: сталь 45

= 61 кг/мм2; d= 10 мм;

D= 10+ 1=11 мм; fкін = 0,1; [] = 2500 кг/см2; E= 1500000 кг/см2;

= 0,25 0,3; =0,81;

Необхідно знайти G, P.

;

кг.см2;

;

кг/см2;

;

Швидкість калібровки змінено:

Було: V1 = 6 м/хв. N1 = 1,8 кВт. Стійкість LД = 55 м протягування.

Шорсткість 2,5. Точність Н7. Продуктивність: 50-120 дет. за год.

Стало: V2 = 60 м/хв. N2 = 2 кВт. Стійкість Lд = 55 м протягування.

Шорсткість 2,5. Точність Н7. Продуктивність: 150-400 дет. за год.

- збільшилась у 8 раз.

-Підставка

Заготівка.

Прошивка.

Повзун преса (молота).

Рисунок 6 - Схема роботи прошивки

Розрахункові вхідні дані d = 9,5. D = 10. Zmin = 0,25 мм. 2Zmin = 0,5 мм. Матеріал: сталь 45. = 61 кг/мм2; tp = 5; tK = 5;

Необхідно знайти Sz, Pz, Zmax.

;

.

.

;.

При Sz = 0,015 мм - товщина зрізу: Р=524 кг/мм2 - питома сила прошивання; РВ=687 кг/мм2 - осьова сила прошивання; fпп = 32,1 мм2 - поперечний перетин по 1-й канавці; = 21,4 кг/мм2 - напруга на 1-й канавці. Рекомендована швидкість протягування Lпрот =150-1,5-2 м/хв, або підвищена - 35-40 м/хв.

Рх = 16,1 кг/мм - сила різання на 1 мм довжини леза прошивки.

Довжина леза l = = 3,14 10 = 31,4 мм. Загальна сила обробки: Рос = 31,4 16,1 =501,54 кг.

Швидкість прошивки змінено:

Було: Vд - 2 - 4 м/хв.. Ne= 1981 кВт. Шорсткість 2,5. Точність H7.

Продуктивність: 50-120 дет. за год.

Стало: Vд = 40 м/хв. Ne = 0,13-Рz-Vд =0,13 50154 400=2608 кВт.

Шорсткість 1,5. Точність Н7. Продуктивність: 200 - 420 дет. за год. -

збільшилась в 8,5 разу.

Таблица 1 - Класифікація діапазонів швидкостей залежно від їх призначення і величини

Summary

In the given job the research of one of perspective methods of increase of efficiency of manufacturing of details of devices is carried out, by increase of speed of processing.

Список літератури

1. А.А. Попов Курс сопротивления материалов. _ М.: Машгиз, 1958. - 512 с.

2. А. В. Крупин и др. Процессы обработки металлов вибухом: Учеб. пособие для вузов по специальности "Машины и технология обраб. металлов давлением". _ М.: Металлургия, 1996.- 336 с., ил.