Исследование обрабатываемости материала БРАЖ 10, полученного DMD-методом

DMD – это одна из новых наукоемких технологий, относящаяся к группе аддитивных, суть которой заключается в прямом осаждении материала из газопорошковой струи металлических частиц [1–4]. Применение данной технологи позволяет изготавливать генеративные детали достаточно сложной формы, при этом появляется возможность отказа от трудоемких заготовительных процессов. Еще одним достоинством данного метода является возможность нанесения многокомпонентных покрытий, обладающих специальными свойствами, такими как жаростойкость, коррозионностойкость, повышенная прочность, износостойкость и т. д. [5, 6].

Таким образом, перспектива к переходу от традиционного заготовительного производства к современным аддитивным технологиям состоит в том, что данный метод позволяет изготавливать такие заготовки, конфигурация которых приближена к чертежу готовой детали [7], что в свою очередь позволяет сократить время ее последующей обработки, повысить производительность и снизить затраты на режущий инструмент. Обработка резанием таких заготовок будет производиться с минимальными припусками [8].

Механическая обработка заготовок, полученных таким малоизученным способом, требует назначения наиболее рациональных режимов резания с учетом специфики физических и механических свойств материала. Справочная литература не располагает такой информацией, поэтому режимы в настоящее время для обработки таких материалов назначаются методом подбора. Для правильного назначения режимов резания и формирования справочной базы необходимо проведение достаточного большого количества экспериментальных исследований, включающих замеры параметров процесса формообразования (сила резания, износ инструмента, шероховатость обработанной поверхности и т. д.) при варьировании технологическими параметрами (подача инструмента, скорость, глубина резания, геометрия инструмента и т. д.).

В последнее время вопрос по обработке генеративных материалов получает все более широкое распространение [9–12], что свидетельствует о заинтересованности машиностроительной отрасли в преимуществах, характерных для данного вида заготовок. Однако по-прежнему отсутствуют общепризнанные рекомендации по обработке и назначению режимов для лезвийной обработки таких материалов.

В работах [13–15] проводится сравнительный анализ параметров процесса резания сплава Inconel 718 на основе никеля, который широко применяется в авиастроении. Производится обработка двух заготовок, одна из которых получена DMD-методом, другая – методом ковки. После замера изгибающего момента, действующего на фрезу, установлено, что при одинаковых параметрах резания изгибающий момент при обработке наплавленной заготовки выше и изменяется неравномерно вследствие неоднородности поверхности.

В работе [16] проведена оценка обрабатываемости карбида вольфрама, полученного методом лазерного спекания. В качестве эталонного материала принимается закаленная сталь Х12МФ. Оценка обрабатываемости производится путем сравнения силы резания, возникающей при фрезеровании образцов. Здесь, как и в большинстве работ по данному направлению, оценка обрабатываемости носит лишь качественный характер, что не позволяет в итоге определить численный показатель или модель, на основании которых можно разработать рекомендации по обработке генеративных материалов.

Таким образом, разработка рекомендаций для обработки новых материалов, полученных DMD-методом, является актуальной задачей для современного машиностроительного производства.

Основная часть

Целью работы является оценка обрабатываемости фрезерованием наплавленного материала, используя показатели силы резания и качества обработанной поверхности.

Для достижения цели решаются следующие задачи:

• 1.    Измерить величину составляющих силы резания, возникающих в процессе обработки сплава БрАЖ 10, а также шероховатость обработанной поверхности, установить их функциональную взаимосвязь с подачей на зуб.

• 2.    Определить коэффициент относительной обрабатываемости материала БрАЖ 10 по показателям силы резания и качества обработанной поверхности.

Эксперимент

Объектом экспериментального исследования является процесс фрезерования. Предмет исследования – выходные параметры процесса.

Эксперимент проводился на фрезерном станке с ЧПУ ГФ2171С5 с применением концевых фрез диаметром 8 мм из материала Р6М5.

Согласно справочникам [17, 18] были выбраны параметры процесса формообразования, представленные в табл. 1.

Образцы представляют собой диски. Один образец из материала сталь 45, другой – из стали 40Х, на который наплавлен слой материала БрАЖ 10.

Для измерения силы резания образцы в виде дисков устанавливались на динамометр Kistler 9257В. Динамометр в процессе обработки образцов передает возникающий электрический сигнал на прибор Kistler 5070А, в котором происходит разложение полученного сигнала на три составляющие силы резания. Обработка полученных значений сил резания производится в программном обеспечении DynoWare. Для измерения шероховатости поверхности применяется профилометр АБРИС-ПМ7.

Таблица 1

Параметры процесса формообразования

Подача S z , мм/зуб	Скорость резания V, м/мин	Глубина резания t, мм	Диаметр инструмента D, мм	Число зубьев z, шт.
0,02	18	0,5	8	3
0,04
0,06
0,10

Сила резания

Результаты эксперимента в виде диаграмм составляющих силы резания при обработке стали 45 и БрАЖ 10 представлены в табл. 2 и 3 соответственно.

Для корректного определения коэффициента относительной обрабатываемости составляющие силы резания измерялись при обработке заготовок из стали 45 и БрАЖ 10. Обработка производилась с одинаковыми режимами для всех образцов. Из графиков видно, что наблюдается тенденция к увеличению силы резания при соответствующем увеличении подачи.

Таблица 2

Диаграммы составляющих силы резания при обработке стали 45

		Составляющая силы резания
		Py(t)	Pz(t)
ю со ю" со cd а cd У cd П О С	0,02	„^~=г____^____________	Н®ВВ"
	0,04
	0,06	W-—■го          ьь          »          «,          Го	°зЪ             го             eb             во             го             8b
	0,1		J     20             30             ГО             SO             SO             70             Sb 2

Диаграммы составляющих силы резания, возникающие при фрезеровании БрАЖ 10, отличаются неравномерностью с течением времени. Периодически изменяющийся характер сил свидетельствует о том, что на поверхности образца имеются участки с различной концентрацией железа и меди [8, 19], то есть участки с различной твердостью, что вызывает уменьшение или увеличение силы резания.

Диаграммы составляющих силы резания при обработке БрАЖ 10

Таблица 3

Составляющая силы резания

Py(t)

Pz(t)

0,02

0,04

0,06

0,1

Оценка обрабатываемости проводилась по значению составляющей силы резания P yz , которая используется для исследования оправки на изгиб. Для этого по полученным экспериментальным значениям составляющих P y и P z находили их максимальные значения. Найденные значения представлены в табл. 4.

Таблица 4

Максимальные значения составляющих силы резания

Материал заготовки	Подача Sz, мм/зуб	Составляющая силы резания
		Py, Н	Pz, Н	Pyz, Н
Сталь 45	0,02	88,87	226,59	243,39
	0,04	138,95	403,41	426,67
	0,06	90,24	464,51	473,19
	0,1	80,41	645,97	650,95
БрАЖ 10	0,02	187,13	568,14	598,17
	0,04	200,78	609,86	642,06
	0,06	251,31	605,53	655,61
	0,1	156,37	669,62	687,63

Согласно методике, представленной в [20], проводился регрессионный анализ с целью установления зависимости, по которой изменяется величина силы резания с изменением подачи.

По полученным экспериментальным значениям силы резания были найдены зависимости силы резания от подачи на зуб при обработке стали 45 (1) и БрАЖ 10 (2). По критерию Фишера данные уравнения регрессии являются значимыми:

y = 4782,83∙Sz + 185,49                                                                  (1)

y = 1044,23∙Sz + 588,44(2)

На основании этого коэффициент относительной обрабатываемости по показателю силы резания определяются по формуле:

K = 4782,83∙Sz + 185,49

KPyz = 1044,23∙Sz + 588,44

Шероховатость обработанной поверхности

Вторым показателем, по которому оценивалась обрабатываемость, является шероховатость. Шероховатость обработанной поверхности при каждой из подач измерялась трижды. Полученные значения микронеровностей представлены в табл. 5.

Таблица 5

Шероховатость обработанной поверхности

Материал заготовки	Подача Sz, мм/мин	Шероховатость Ra, мкм
		1	2	3
Сталь 45	0,02	6,05	6,70	6,19
	0,04	9,83	9,24	9,86
	0,06	10,37	10,79	10,89
	0,1	11,92	11,32	11,82
БрАЖ 10	0,02	3,39	3,59	3,06
	0,04	3,67	3,75	3,89
	0,06	4,19	3,95	3,70
	0,1	4,13	4,31	4,17

Аналогичным образом был проведен регрессионный анализ, по результатам которого были получены зависимости шероховатости обработанной поверхности от подачи на зуб для стали 45 (4) и БрАЖ 10 (5). По критерию Фишера данные уравнения регрессий являются значимыми y = 61,06∙Sz + 6,22(4)

y = 10,06∙Sz+3,26(5)

На основании этого коэффициент относительной обрабатываемости по показателю качества обработанной поверхности определяется по формуле

K = 61,06∙Sz+6,22

KRa = 10,06∙Sz+3,26

Коэффициент относительной обрабатываемости

По экспериментальным данным при помощи регрессионного анализа были получены формулы, по которым можно определить обрабатываемость материала БрАЖ 10, полученного DMD-методом, для используемых в исследовании условий обработки. Значения коэффициента относительной обрабатываемости для различных подач представлены в табл. 6. Из рассчитанных значений коэффициента видно, что по показателю силы резания материал БрАЖ 10 обрабатывается хуже, чем сталь 45, а по качеству обработанной поверхности – лучше. То есть при фрезеровании материала БрАЖ10 при прочих равных условиях требуется приложить сил больше, чем при обработке стали 45. А при обработке с одинаковыми силами резания величина шероховатости стали 45 превосходит БрАЖ10.

Таблица 6

Значения коэффициента относительной обрабатываемости

Подача Sm, мм/зуб	Коэффициент относительной обрабатываемости
	K Pyz	K Ra
0,02	0,46	2,15
0,04	0,59	2,36
0,06	0,73	2,56
0,08	0,84	2,73
0,1	0,96	2,89

Таким образом, учитывая полученные выражения для определения коэффициента относительной обрабатываемости, при обработке материала БрАЖ 10 можно пользоваться режимами резания, предназначенными для стали 45. При этом необходимо умножать значение подачи на соответствующий ей коэффициент относительной обрабатываемости. Однако также следует учитывать, какой из показателей процесса резания является лимитирующим.

Согласно выражению (6) для нахождения коэффициента относительной обрабатываемости сведем в таблицу рекомендуемые значения подачи для ряда значений шероховатости при фрезеровании материала БрАЖ 10 (табл. 7). Коэффициент относительной обрабатываемости по показателю силы резания можно применять для проверки подачи по допустимой жесткости станка, используя значения для стали 45.

Таблица 7

Рекомендуемые значения подачи

Шероховатость Ra, мкм, до	Подача Sz, мм/зуб
4,0	0,07
5,0	0,17
6,3	0,30
8,0	0,47
10,0	0,66

Выводы

• 1.    Силы резания, возникающие при фрезеровании материала БрАЖ 10, полученного DMD-методом, имеют неравномерный характер проявления во времени, что связано с неоднородностью поверхностного слоя заготовки.

• 2.    Влияние подачи на шероховатость обработанной поверхности носит слабовыраженный характер.

• 3.    Определены выражения для нахождения коэффициента относительной обрабатываемости по показателям силы резания и качества обработанной поверхности. На основании полученной формулы рассчитаны значения коэффициента для различных подач.

• 4.    Определены рекомендуемые значения подач, соответствующие величинам шероховатости обработанной поверхности для использования при проектировании операции фрезерования материала БрАЖ 10.