Омск, Омская область, Россия
УДК 621.95.01 Основы сверления, влияющие факторы и т.д.
УДК 621.9.015 Качество, чистота поверхности
ББК 345 Общая технология машиностроения. Обработка металлов
Рациональный выбор смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ) является сложной технологической задачей. В настоящее время мировая промышленность выпускает широкий спектр таких веществ. При этом рекомендации производителей по их использованию носят общий характер, что затрудняет принятие решения для конкретных случаев. Одним из критериев выбора СОЖ является шероховатость формируемой поверхности, особенно при несвободном резании, в частности при сверлении. Следовательно, исследования влияния СОЖ на шероховатость поверхности отверстия при сверлении являются актуальными. Целью работы являлось установление зависимости шероховатости поверхности отверстий, получаемых при сверлении заготовок из низколегированной стали 38ХН3МФА от свойств, применяемых СОЖ. Для достижения поставленной цели были проведены экспериментальные исследования. В результате лабораторных испытаний СОЖ были установлены их смазочные свойства и плотность. Оценка полученных зависимостей шероховатости при сверлении от свойств СОЖ позволила установить формулу для определения прогнозируемого качества поверхности. Установлено, что определяющим свойством СОЖ является смазочное действие, параметром оценки которого принят коэффициент трения. Расчетная формула позволяет прогнозировать шероховатость поверхности отверстия при сверлении низколегированных сталей с погрешностью 11,8%. Представлена методика испытаний СОЖ и определения их эффективности по параметру шероховатости Raср.
смазочно-охлаждающая жидкость, сверление, шероховатость
Введение
Сверление является самым распространенным способом получения отверстий. Однако, данный вид обработки обладает определенными недостатками:
- затруднен отвод стружки (особенно при обработке глубоких отверстий);
- высокие температуры в зоне резания;
- затруднена подача СОЖ в зону резания.
Несмотря на то, что влияние приведенных факторов возможно снизить за счет применения рациональной стратегии обработки с выводом стружки и применения сверл с подачей СОЖ через каналы в инструменте, в большинстве случаев для получения требуемой шероховатости прибегают к дополнительным операциям. Особенно острой является проблема обеспечения качественной поверхности глубоких отверстий. Традиционно для получения шероховатости поверхности отверстий меньшей, чем Ra 1,25 мкм, дополнительно применяют зенкерование, развертывание или шлифование.
Исследователями установлено, что на качество поверхности получаемых отверстий в основном влияют следующие факторы:
- характеристики режущего инструмента [1,2,3];
- применяемые режимы резания [1,2,3,4];
- жесткость станочного оборудования и возникающие при обработке вибрации [4].
Одним из возможных решений представленной проблемы является применение эффективных СОЖ, так как доказано, что разные СОЖ влияют на процесс резания по-разному, а значит, позволяют получить и различную шероховатость [4,5,6,7]. Следовательно, исследования влияния СОЖ на шероховатость поверхности отверстия при сверлении являются актуальными.
Материалы, модели, эксперименты и методы
Определение влияния СОЖ на шероховатость поверхности полученных при сверлении отверстий возможно только при станочных испытаниях. Однако, станочные испытания требуют применения самого станка, который при этом простаивает, применения режущего инструмента и заготовок, которые расходуются не по своему прямому назначению, а также больших затрат времени. Поэтому для устранения перечисленных недостатков необходимо разработать такую методику, которая позволила бы по результатам лабораторных испытаний прогнозировать эффективность СОЖ при их применении в процессе резания на станке.
Таким образом, в данной работе необходимо провести и станочные, и лабораторные испытания. По полученным результатам следует установить зависимость шероховатости от показателей эффективности СОЖ, измеряемых при лабораторных испытаниях. В результате будет разработана методика прогнозирования шероховатости поверхности для исследованных условий сверления по измеренным показателям эффективности СОЖ.
Станочные испытания
Исследование влияния СОЖ на шероховатость при сверлении проводились на координатно-расточном станке модели 2431СФ10 с ЧПУ МАЯК-610. Наладка на операцию представлена на рис. 1.
Рис. 1. Наладка на сверлильную
операцию на станке 2431СФ10
Fig. 1. Adjustment for drilling
operation on the machine 2431SF10
В качестве материала-представителя низколегированных сталей для обрабатываемой заготовки был принята сталь 38ХН3МФА. При проведении испытаний применялось твердосплавное сверло GUHRING 516 диаметром 10 мм. Режимы обработки, определявшиеся по рекомендациям каталогов, для всех опытов использовались следующие: частота вращения n=1000 об/мин (скорость резания V=31,42 м/мин), подача S=0,05 мм/об.
Испытания проводились с применением 5% растворов водных СОЖ различных марок, которые были пронумерованы: СОЖ №1, СОЖ №2, СОЖ №3, СОЖ №4.
Подача СОЖ в зону резания производилась методом распыления, что обеспечивало минимальное и достаточное количество для реализации всех функциональных действий.
Измерения шероховатости поверхности каждого полученного отверстия производились 10 раз, после чего отбрасывались ошибочные значения и рассчитывалось среднее. При этом применялся портативный профилометр MarSurf PS1.
Лабораторные испытания
Одним из важных физических свойств СОЖ, определяющих их эксплуатационные свойства, является их плотность.
К функциональным действиям СОЖ, которые они проявляют при резании, согласно принятой теории, относятся смазочное, охлаждающее, моющее диспергирующее (в основе которого лежит эффект П.А. Ребиндера) и демпфирующее.
Основные функциональные действия СОЖ – смазочное и охлаждающее. Из данных действий на характер получаемой поверхности в большей степени влияет смазочное, так как именно оно определяет коэффициент трения между трущимися поверхностями и адгезионное взаимодействие между материалами инструмента и обрабатываемой заготовки.
Поэтому в лабораторных исследованиях данной работы было решено установить плотности применяемых растворов СОЖ и их смазочное действие.
Измерение плотностей СОЖ. Экспериментальная оценка плотностей испытываемых растворов СОЖ производилась с помощью весов AND DL-200 с дискретностью 0,001 г. Внешний вид применявшихся весов представлен на рис. 2.
При испытаниях каждая СОЖ заливалась в мерную емкость объемом 120 мл. Емкость с СОЖ устанавливалась на весы и выдерживалась 30 секунд для устранения влияния колебаний. После того как величина массы прекращала колебаться, ее значение записывалось в таблицу. Затем рассчитывались значения плотности каждой марки СОЖ по следующей формуле:
, (1)
где m – масса СОЖ, кг; V – объем СОЖ, м3.
Рис. 2. Весы AND DL-200
Fig. 2. Scales AND DL-200
Оценка смазочного действия СОЖ. Исследования смазочного действия СОЖ выполнялись на машине трения ИИ5018.
Испытания проводились по схеме «колодка-ролик», представленной на рис. 3.
Рис. 3. Схема определения коэффициента
трения на машине трения ИИ5018:
1 – ролик; 2 – колодка; 3 – СОЖ
Fig. 3. Scheme for determining the
coefficient of friction on the friction machine
II5018: 1 – roller; 2 – pad; 3 – cutting fluid
Принцип действия машины заключается в истирании пары образцов, прижатых друг к другу с силой Р. В процессе трения на ролике (диске) измеряется момент трения, который пересчитывается в действительный коэффициент трения по формуле:
, (2)
где М – момент трения, Н·м; Р – прикладываемая нагрузка, Н; D – диаметр ролика, мм.
Испытательная камера (рис. 4) служит для выполнения экспериментов с образцами в жидкой среде. Испытания проводились следующим образом. Ролик устанавливался на валу через втулку 2 (рис. 4) и фиксировался гайкой. На вал каретки 3 перед установкой верхнего образца крепилась крышка 6. На неподвижном валу каретки устанавливался образец «колодка» в держателе и фиксировался гайкой. Каретка сдвигалась в левое положение, плавно опускалась до соприкосновения образцов, фиксировалась и крепилась крышка камеры 6 струбцинами 5, после чего через отверстие в верхней части камеры заливалась испытываемая СОЖ до уровня 1-1 так, чтобы ролик был погружен в СОЖ на глубину его радиуса. Уровень СОЖ контролировался через окно 4. При этом контакт колодки и ролика происходил в средней части колодки. Затем включалось вращение ролика, и колодка прижималась к ролику посредством механизма нагружения 7 с силой Р, которая контролировалась с помощью указателя усилия, расположенного на приборной стойке. После этого определялись максимальное и минимальное значения момента трения. По имеющимся данным рассчитывался средний коэффициент трения.
Перед каждым экспериментом образцы и испытательную камеру очищались этиловым спиртом, ГОСТ 18300-87.
Определение среднего коэффициента трения µ производилось при условиях, близких к условиям станочных испытаний. Сила давления на колодку Р=1000 Н, частота вращения ролика n=250 об/мин (при испытаниях на ролике из сплава 38ХН3МФА). Диаметр ролика составлял 40 мм.
а) б)
Рис. 4. Испытательная камера: 1 – испытательная камера; 2 – ролик; 3 – каретка;
4 – смотровое окно; 5 – струбцина; 6 – крышка; 7 – механизм нагружения
Fig. 4. Test chamber: 1 – test chamber; 2 – roller; 3 – carriage; 4 – viewing window;
5 – clamp; 6 – cover; 7 – loading mechanism
Результаты
Результаты станочных и лабораторных испытаний представлены в таблицах 1–3. Поскольку шероховатость определяется по результатам 10 измерений, для данного показателя также были рассчитаны величины отклонений от среднего значения, которые приведены в таблице 1.
Таблица 1
Шероховатости поверхностей отверстий, полученные с различными СОЖ
Table 1
The roughness of the holes surfaces obtained with various cutting fluids
|
Марка СОЖ |
Raср, мкм |
Отклонение от Raср, мкм |
Отклонение от Raср, % |
|
СОЖ №1 |
0,27 |
0,09 |
33,33 |
|
СОЖ №2 |
0,515 |
0,265 |
51,46 |
|
СОЖ №3 |
0,445 |
0,155 |
34,83 |
|
СОЖ №4 |
0,36 |
0,14 |
38,89 |
Таблица 2
Плотности 5% растворов СОЖ
Table 2
The densities of 5% cutting fluids solutions
|
Марка СОЖ |
ρ, кг/м3 |
|
СОЖ №1 |
945,29 |
|
СОЖ №2 |
953,43 |
|
СОЖ №3 |
940,36 |
|
СОЖ №4 |
945,14 |
Таблица 3
Коэффициенты трения, полученные
с различными СОЖ
Table 3
The friction coefficients obtained
with various cutting fluids
|
Марка СОЖ |
µ |
|
СОЖ №1 |
0,09 |
|
СОЖ №2 |
0,082 |
|
СОЖ №3 |
0,119 |
|
СОЖ №4 |
0,119 |
С целью определения зависимости получаемой шероховатости от установленных в лабораторных условиях параметров и дальнейшей разработки методики прогнозирования были построены графики, которые бы аппроксимированы, и выведены эмпирические формулы. Выведение физических формул является затруднительным в силу большого количества параметров, влияющих на процесс резания.
Были установлены три зависимости шероховатости: от плотности СОЖ, от коэффициента трения с применением СОЖ при испытаниях на машине трения, а также от двух этих параметров одновременно.
Подстановка в полученные формулы значений переменных позволила установить, что наибольшую точность расчета дает формула зависимости шероховатости от коэффициента трения, поэтому она и была принята для разработки методики выбора СОЖ. Данная формула имеет следующий вид:
Raср = 951,1883µ2 – 194,2294µ + 10,0460. (3)
В результате подстановки значений коэффициента трения в формулу (3) было установлено, что отклонение результатов от экспериментальных данных не превышает 11,8%. Это меньше отклонений, полученных при измерениях шероховатости, которые, согласно таблице 1, составляют от 33,33 до 51,46%.
Заключение
Исследования показали, что основной характеристикой СОЖ, влияющей на шероховатость поверхности при сверлении является коэффициент трения. Это позволяет рекомендовать следующую методику по рациональному выбору СОЖ:
- Исследуемую СОЖ испытать на машине трения по методике, приведенной выше (или аналогичной);
- Рассчитать коэффициент трения µ;
- Рассчитать прогнозируемую шероховатость Raср, мкм, подставив полученное значение коэффициента трения µ в формулу (3);
- Если прогнозируемая шероховатость соответствует требованиям чертежа детали, применение данной СОЖ целесообразно.
Отклонение результатов расчетов по установленной эмпирической зависимости от экспериментальных данных не превышает 11,8%, что соответствует требованиям.
Следует отметить, что получаемые значения будут адекватны для сверления твердосплавным сверлом заготовки из стали 38ХН3МФА (или ее заменителей с близкими физическими свойствами) с представленными в статье режимами: скорость резания V=31,42 м/мин, подача S=0,05 мм/об. Получение зависимостей для других условий является предметом дальнейших исследований.
1. Гимадеев М.Р., Давыдов В.М., Никитенко А.В., Стельмаков В.А. Получение заданных параметров шероховатости при сверлении и фрезеровании цилиндрических отверстий. Ученые записки Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета. 2016;1(1(25)):66-72.
2. Гимадеев М.Р. Получение параметров шероховатости при сверлении и фрезеровании цилиндрических отверстий. Информационные технологии XXI века : Сборник научных трудов / Ответственный за выпуск Е. А. Шеленок. - Хабаровск : Тихоокеанский государственный университет, 2016. - С. 358-364.
3. Гимадеев М.Р. Обеспечение заданных параметров шероховатости при сверлении и фрезеровании цилиндрических отверстий. Фундаментальные основы инновационного развития науки и образования / Под общ. ред. Г. Ю. Гуляева. - Пенза : МЦНС «Наука и Просвещение», 2018. - С. 150-161.
4. Савилов А.В., Пятых А.С. Влияние вибраций на точность и качество поверхности отверстий при сверлении. Вестник Иркутского государственного технического университета. 2013;12(83):103-111.
5. Умеров Э.Д. Триботехнологическая эффективность масляной СОТС с присадкой монтмориллонита при сверлении титанового сплава. Вестник современных технологий. 2017;3(7):56-61.
6. Маршалов М.С., Латышев В.Н., Новиков В.В. [и др.] Изучение влияния СОТС с присадками ЖК-соединений на сверление и развертывание. Металлообработка. 2011;6(66):7-10.
7. Патент № 2708084 C1 Российская Федерация, МПК C10M 169/06, C10M 101/04, C10M 129/08. Смазочно-охлаждающее технологическое средство для механической обработки металлов : № 2019106180 : заявл. 04.03.2019 : опубл. 04.12.2019 / Т. Ю. Степанова, В. А. Полетаев, И. И. Ведерникова ; заявитель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Ивановский государственный химико-технологический университет» (ИГХТУ).
