СПОСОБ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ РЕЗАНИЕМ ОСЕСИММЕТРИЧНЫХ ДЕТАЛЕЙ Российский патент 2021 года по МПК B23B1/00 

Изобретение относится к технологии машиностроения, в частности, к обработке материалов резанием, и предназначено для механической обработки осесимметричных деталей.

Известен способ механической обработки материалов, включающий закрепление заготовки в шпинделе токарного станка, воздействие технологического инструмента (резца) на вращающуюся заготовку с механическим удалением слоя материала с поверхности заготовки (см. Трембач Е.Н., Мелентьев Г.А., Схиртладзе А.Г., Борискин В.П., Пульбере А.И. / Резание материалов: учебник, Старый Оскол, ТНТ, 2009, с. 36).

Механическая обработка чаще всего является завершающим этапом изготовления деталей, определяющим качество поверхности и точность готового изделия.

При механической обработке основными технологическими параметрами являются скорость резания ν, измеряемая в м/мин; подача резца за один оборот заготовки s в мм/об; t глубина резания в мм.

Недостатком известного способа является то, что он не дает зависимостей, связывающих все технологические параметры процесса резания. Другим недостатком известного способа является то, что он не определяет температурных условий на контакте инструмент - деталь, приводящих к появлению остаточных напряжений в поверхностных слоях детали. Остаточные напряжения при этом влияют на качество детали при последующей эксплуатации и возможное изменение геометрических размеров за счет релаксации остаточных напряжений при эксплуатации.

Наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является способ механической обработки резанием осесимметричных деталей из стали 40ХН, включающий воздействие под усилием режущего инструмента на вращающуюся деталь. Определяют критическое значение разности температуры поверхностного и центрального слоев обрабатываемой детали, приводящие к появлению термопластических деформаций в поверхностных слоях детали и образованию остаточных напряжений ΔT_кр, с учетом которой определяют предельную скорость резания ν_пр по формуле:

где: a, b, c, d - эмпирические коэффициенты процесса резания, равные а - 148.8, b - 0,4, с - 0,24, d - 0,1;

s - подача резца за один оборот изделия, мм/об;

t - глубина резания, мм. (патент РФ №2600608 от 03.10.2016). Данный способ принят в качестве прототипа.

Недостатком известного способа, принятого за прототип, является то, что он определяет лишь предельную скорость резания.

Признаки прототипа, совпадающие с признаками заявляемого решения - воздействие под усилием режущего инструмента на вращающуюся деталь; определение критического значения разности температуры поверхностного и центральных слоев обрабатываемой детали, ΔТ_кр приводящей к появлению термопластических деформаций в поверхностных слоях детали и образованию остаточных напряжений при последующем охлаждении.

Задачей изобретения является определение предельных режимов механической обработки резанием из условий предотвращения образования остаточных напряжений, определяющих точность и качество поверхностного слоя обрабатываемых деталей, расширение возможностей обработки резанием осесимметричных деталей за счет определения предельной глубины резания.

Поставленная задача была решена за счет того, что в известном способе механической обработки резанием осесимметричных деталей из стали 40ХН, включающем воздействие под усилием режущего инструмента на вращающуюся деталь, определение критического значения разности температуры поверхностного и центрального слоев обрабатываемой детали ΔТ_кр, приводящей к появлению термопластических деформаций в поверхностных слоях детали и образованию остаточных напряжений, согласно изобретению предельную глубину резания t_np определяют по формуле:

где а, b, с, d - эмпирические коэффициенты процесса резания, определяемые опытным путем в процессе резания, равные для стали 40 ХН

а - 148.8, b - 0,4, с - 0,24, d - 0,1;

ν - скорость резания, м/мин;

s - подача за один оборот, мм/об.

Признаки предлагаемого способа, отличительные от прототипа -определение предельной глубины резания в зависимости от технологических параметров процесса механической обработки, исключающей образование остаточных напряжений. Благодаря этому повышается точность и качество поверхностного слоя обрабатываемых деталей, исключая возможность образования остаточных напряжений.

Механическая обработка детали резанием сопровождается интенсивным выделением тепла в точке контакта резца и обрабатываемой детали. При значительном разогреве в обрабатываемом изделии возникают термоупругие напряжения. Однако при определенных градиентах температур возможно появление термопластических напряжений и деформаций, которые при последующем охлаждении приводят к возникновению остаточных напряжений в поверхностном обрабатываемом слое. Наличие остаточных напряжений является нежелательным, поскольку их величина и знак (растяжение или сжатие) определяют точность и качество обработанной детали.

Остаточные напряжения после изготовления деталей могут привести к изменению геометрических размеров за счет релаксации остаточных напряжений. Остаточные напряжения могут привести к короблению и нарушению точности изделия, что особенно важно при производстве высокоточных деталей. Наличие остаточных растягивающих напряжений может приводить к появлению микротрещин с последующим ростом до макротрещин и возможным разрушением деталей.

Для оценки термоупругого состояния осесимметричного тела под действием разности температур поверхностного и центрального слоев детали и возможного появления пластических деформаций решается задача термоупругости для осесимметричного цилиндрического тела.

Термоупругому состоянию заготовки соответствуют следующие выражения для напряжений (Колмогоров Г.Л., Широбоков С.Е. Температурные условия и режимы формирования остаточных напряжений при волочении проволоки // Изв. вузов. Черная металлургия, 1995, №4. С. 49-51).

где σ_r, σ_θ, σ_z, - напряжения в радиальном, окружном и осевом направлении соответственно;

α - коэффициент линейного температурного расширения материала заготовки;

Е - модуль упругости материала заготовки;

ν - коэффициент Пуассона материала заготовки;

R - радиус заготовки;

T (r) - температурная функция;

r - радиальная координата.

Контактный разогрев при механической обработке локализуется в тонком поверхностном слое, поэтому полагаем, что распределение температуры по сечению заготовки описывается экспоненциальной зависимостью вида:

где β - эмпирический показатель.

Обозначив температуру поверхности изделия через Т_к, из условия T_r=_R=Т_k найдем показатель β и получим температурную функцию, соответствующую контактному разогреву заготовки в процессе механической обработки в следующем виде:

где - безразмерная радиальная координата.

Зависимость (3) положена в основу последующих расчетов термоупругих напряжений, возникающих в изделии за счет контактного разогрева. Подставляя зависимость (3) в соотношения (1), после интегрирования и преобразования имеем:

В формулах (4) ΔT=Т_к-Т₀ - разность температур поверхности и центра, обрабатываемого заготовки.

Численный анализ соотношений (4) говорит о том, что наибольшие температурные напряжения возникают в поверхностных слоях детали (), где и можно ожидать появление остаточных напряжений. Для поверхности напряжения (4) примут вид:

Последнее из соотношений (5) следует из закона Гука для осесимметричного напряженного состояния при

Возможному появлению остаточных напряжений в поверхностных слоях изделия предшествует переход обрабатываемого металла в пластическое состояние. Для оценки этого перехода используем критерий удельной энергии формоизменения (условие Губера-Мизеса):

где σ_i - интенсивность напряжений, МПа;

σ_T - предел текучести обрабатываемого материала, Мпа.

Условие пластичности (6) для поверхностных слоев упрощается и принимает вид:

Уравнение (7) позволяет по известному значению σ_T для обрабатываемого материала определить σ_θ и из уравнения (5) найти критическое значение ΔТ_кр, и значение T_k=Т₀+Т_кр, превышение которого приведет к последующему формированию остаточных напряжений.

Из литературы известна зависимость разности температуры между поверхностью и центральной частью обрабатываемой заготовки ΔТ, зависящая от основных технологических параметров процесса резания, которая может быть выражена в общем виде как

где ν скорость резания, м/мин;

t - глубина резания, мм;

s - подача за один оборот, мм/об;

a, b, c, d - эмпирические коэффициенты.

Прологарифмировав выражение (8), получим

из которого определяется предельная глубина резания, в качестве важного параметра, определяющего производительность процесса механической обработки и исключающего образование остаточных напряжений

Соотношение (1) положено в основу заявленного патента. Пример конкретной реализации

Подвергли обработке резанием заготовку диаметром 50 мм из стали 40ХН при температуре цеха 20°С. Для заданной стали уравнение (8) имеет следующий вид (см. Даниелян А. М. «Тепловой баланс при резании металлов»; М. издательство АН СССР, 1955.)

из которого следует

Для заданной стали уравнение (10) примет вид

Для данной стали 40ХН при температуре цеха 20°С σ_T=785 МПа, из решения уравнения (5) получили ΔТ_кр=412,2°С.

Для s=0,5 мм/об, ν=15 м/мин получили значения предельной глубины резания t=2,8 мм.

Использование заявленного способа позволяет определить предельные режимы механической обработки резанием, исключающие образование остаточных напряжений, с учетом технологических параметров.

Изобретение планируется использовать в АО «ОДК-Авиадвигатель» (г. Пермь).

Способ включает воздействие под усилием режущего инструмента на вращающуюся деталь. Предельную глубину резания определяют по приведенной формуле в зависимости от критического значения разности температур поверхностного и центрального слоев обрабатываемой детали, приводящего к появлению термопластических деформаций в поверхностных слоях детали и образованию остаточных напряжений, эмпирических коэффициентов процесса резания, определяемых опытным путем в процессе резания, скорости резания, и подачи. Достигается определение предельных режимов механической обработки резанием из условий предотвращения образования остаточных напряжений, определяющих точность и качество обрабатываемых деталей.

Способ механической обработки резанием осесимметричных деталей из стали 40ХН, включающий воздействие под усилием режущего инструмента на вращающуюся деталь, определение критического значения разности температуры поверхностного и центрального слоев обрабатываемой детали ΔТ_кр, приводящей к появлению термопластических деформаций в поверхностных слоях детали и образованию остаточных напряжений, отличающийся тем, что предельную глубину резания t_пр определяют по формуле

где а, b, с, d - эмпирические коэффициенты процесса резания, равные для стали 40ХН а - 148,8, b - 0,4, с - 0,24, d - 0,1;

ν - скорость резания, м/мин;

s - подача за один оборот, мм/об.