Особенности обработки валов роторов турбокомпрессоров дизелей инструментом с многослойным покрытием

Cиловые характеристики валов ротора высокооборотных дизелей, выпускаемых по лицензии, приобретенной в Финляндии, во многом определяют оптимальные условия процесса точения. К силовым параметрам процесса точения относят тангенциальную, осевую и радиальную составляющие силы резания .

Термообработанная легированная сталь марки 42ХН2МФА является мате- риалом для валов, работающих при температуре до 400–500 °С. Высокая твердость (270 HB) и низкая пластичность (δ = 7‒8 %) стали этой марки вызывает существенный износ режущих твердосплавных пластин при точении. Округление режущих кромок инструментальной пластины перед нанесением многослойного покрытия способствует более прочному сцеплению с основой и окончательно формирует режущую кромку (микрогеометрию). В данной ситуации справочные формулы составляющих силы резания могут применяться с большим числом условностей. Для точного определения необходимы дополнительные эксперименты.

Целью исследования является определение силовых параметров при обработке твердых легированных сталей инструментами, на режущую часть которых нанесено многослойное твердое, износостойкое и теплостойкое покрытие.

Для реализации цели исследования необходимо решить следующие задачи:

• - измерить тангенциальную, осевую и радиальную составляющие силы резания при изменяющихся режимах токарной обработки;

‒ установить влияние режимных параметров на силовые параметры;

‒ создать экспериментальные формулы силовых параметров.

Обзор литературы

Необходимо отметить, что отечественные и зарубежные исследователи внесли значительный вклад в исследование составляющих силы резания при обработке деталей из легированных сталей, модернизацию и проектирование установок и динамометров различных конструкций.

Б. Б. Пономарев и Ш. Х. Нгуен описали особенности работы и результаты сравнения различных конструкций динамометров для измерения составляющих силы резания только при чистовом фрезеровании поверхностей деталей, не захватывая токарную обработку, а также обосновали выбор модели прибора. В качестве материала деталей, подвергаемых обработке, использовались только низкоуглеродистые и низколегированные стали малой и средней твердости, а также алюминиевые сплавы. В научных работах не приведены результаты сравнения силовых параметров с эмпирическими зависимостями, имеющимися в технологических справочниках. Вопрос измерения составляющих параметров силы резания твердых легированных сталей инструментами с многослойными покрытиями не рассмотрен. Решение вышеуказанных задач в пределах общей проблемы повысило бы научную ценность исследований [1; 2].

Другие ученые описали структуру и технические характеристики многокомпонентного датчика для измерения силовых параметров при точении и фрезеровании. Однако авторы не уделили внимания экспериментальным данным по определению параметров силы резания и их зависимости от технологических режимов, размерных характеристик и материала обрабатываемых деталей и режущей части инструментов. Данный факт делает работы в определенной степени незаконченными [3; 4].

В. Б. Самойлов приводит характеристики разработанного однокомпонентного динамометра для измерения только тангенциальной составляющей силы резания при точении и строит графическую зависимость силового параметра от режимных. Этого недостаточно для всестороннего анализа корреляции силовых параметров и режимов резания [5]. При этом сравнение силовых параметров, полученных в процессе измерения, проводилось с расчетными эмпирическими зависимостями, взятыми из известных таблиц справочников технолога-машиностроителя1.

В ряде работ представлены только описания и принцип работы измерительных комплексов при фрезеровании [6–8].

Vol. 31, no. 4. 2021

Результаты экспериментов по определению силовых параметров отсутствуют, данные о материале обрабатываемых деталей и режущей части инструментов не приводятся [9–11].

В статьях зарубежных авторов опубликованы неполные экспериментальные результаты, которые не позволяют рассматривать эти работы как законченные научные исследования [12; 13].

В результате проведенного обзора наиболее актуальных работ по затронутой проблеме следует отметить, что в некоторых статьях составляющие силы резания определялись по известным эмпирическим зависимостям, имеющимся в технологических справочниках, без учета особенностей процесса резания деталей из легированных сталей с высокой твердостью, теплостойкостью и износостойкостью. В связи с этим ОАО «Пензадизельмаш» (г. Пенза) и кафедра технологий и оборудования машиностроения Пензенского государственного университета провели совместные экспериментальные исследования по обработке вышеуказанных материалов. В результате были получены эмпирические формулы составляющих силы резания при токарной обработке и исследовано влияние на них изменения параметров процесса резания.

Материалы и методы

Точение валов роторов дизелей с диаметром детали 140 мм и длиной 690 мм проводилось на токарном обрабатывающем центре высокой жесткости и точности модели Nakamura Super NTX с системой числового программного управления (ЧПУ) Fanuc 310i. Система оснащена многокомонентным динамометром Kistler (Швейцария) со специальными датчиками для измерения силовых параметров процесса резания при различных технологических режимах.

В качестве режущего инструмента использовался токарный правый упорно-подрезной резец с ромбической пластиной из твердого сплава марки ВК-6М, на режущую часть которой наносилось трехслойное твердое, износостойкое и теплостойкое покрытие, состоящее из карбонитрида титана, оксида алюминия и нитрида никеля.

При обработке валов роторов применялись смазочно-охлаждающие технологические средства (СОТС) марки «Укринол-1М» (3 %). СОТС подавались путем распыления в виде тумана в зону обработки детали.

Экспериментальные исследования по обработке деталей осуществлялись при помощи трехкомпонентного измерительного комплекса, закрепленного на суппорте станка с ЧПУ, усилителя сигналов и ноутбука со специальным программным обеспечением, позволяющим оцифровывать результаты для численного определения составляющих силы резания и создавать математическую модель для многофакторного планирования экспериментов.

Создание графических зависимостей составляющих силы резания для режимных параметров и эмпирических зависимостей силовых параметров реализовывалось на ноутбуке с применением программного пакета Mathcad 15 для автоматизации процесса многофакторного планирования экспериментов [7–10].

Результаты исследования

Эксперименты проводились при обработке заготовок валов ротора из легированной стали марки 42ХН2МФА с временным сопротивлением на растяжение σ _в = 2 080 МПа.

Детали подвергались термообработке-закалке в масле длительностью 180 мин после предвартельного нагрева до температуры 850 °С и высокому отпуску при температуре 600 °С в течение 240 мин до твердости 38 HRC. Точение производилось при максимальном диаметре детали 140 мм и длине 90 мм токарным упорно-подрезным резцом, оснащенным ромбической пластиной Korloy с углом при вершине 80° и толщиной 4,76 мм. Маркировка пластины ВК-6М, а по стандарту ISO CNMG160416E-4EPM-CT15M (TiCN-Al2O3-NiN). Трехслойное покрытие TiCN-Al2O3-NiN наносилось на режущую пластину инструмента с использованием методов физического осаждения покрытий (PVD), основанных на физическом испарении, или распылением вещества в вакуумное пространство газовой камеры. Такое покрытие по данным производственных исследований значительно повышает твердость, теплостойкость и износостойкость режущей части инструмента. Державка, которая вставлялась в гнездо многокомпонентного динамометра, обозначалась как PCCNR3232M16. Конструкция державки обеспечивает наклон пластины с образованием следующих углов: γ = 5°, α = 6°, φ = 95°.

Составляющие силы резания определялись динамометром Kistler с пье- зоэлектрическими датчиками, который монтировался на суппорте станка (рис. 1).

Усилитель сигналов, поступающих от динамометра и ноутбука с программным обеспечением для оцифровки усиленных и преобразованных сигналов, приведен на рисунке 2.

Пьезопластины деформируются и создают напряжение при действии нагрузки на контактный элемент. Напряжение поступает на усилитель сигналов, находящийся в верхнем отсеке. Усиленный преобразованный сигнал передается на ноутбук и там оцифровывается (рис. 2) [1; 2; 14; 15]. Специальная программа DynoWare, анализируя поступающий сигнал, обеспечивает постоянную визуализацию регистрируемых данных, а также содержит все необходимые математические и графические функции для обработки измерений. При этом процесс измерения документируется, а данные о конфигурации и измерениях сохраняются [1; 2].

Р и с. 1. Схема установки многокомпонентного динамометра на суппорте станка

F i g. 1. Installation scheme of the multicomponent dynamometer on the turning slide

Р и с. 2. Фотография аппаратуры для усиления и оцифровки сигналов: ноутбук; усилитель сигналов

F i g. 2. Photo of equipment for amplifying and digitizing signals: laptop computer; signal amplifier

В процессе проведения исследовательских работ, чтобы учитывать черновую и чистовую обработку детали, режимные параметры изменялись следующим образом: скорость резания v варьировалась в интервале 100–200 м/мин при шаге 50 (подача s = 0,3 мм/об, глубина резания t = 3 мм); подача s изменялась от 0,1 до 0,3 мм/об с интервалом 0,2 мм/об при скорости резания v = 150 м/мин и глубине t = 1 мм; глубина резания варьировалась в диапазоне t = 1-3 мм с шагом 2 мм при скорости v = 150 м/мин и подаче s = 0,1 мм/об. При этом обеспечивались шероховатость обработанной поверхности при черновом точении Ra = 12,5 мкм и экономически целесообразный квалитет точности IT = 12-14, а при чистовом точении Ra = 3,2 мкм и IT = 7–9.

Составляющие силы резания соответствовали усредненному значению. При статистическом анализе экспериментальных данных определялись доверительные интервалы (табл.).

В каждой точке проводилось по пять измерений ( n = 5). Среднее значение силовых составляющих из пяти измерений определялось по следующей зависимости:

n

Z Pi

Рср    n ’ где Pi - i-е значение силовой составляющей процесса резания.

Доверительный интервал А с вероятностью 95 % определяется следующим образом:

А = ±1,96 • ^=,

n

n

S ( P i - P cp )²

где о = —         - среднеквадра- n -1

тическое отклонение.

Значения экспериментальных дан ных заносятся в соответствующую таблицу для построения графиков составляющих силы резания в зависимости от режимных параметров (табл.).

Графики взаимосвязи режимных параметров и вышеуказанных составляющих после обработки экспериментальных данных были построены в программном пакете Mathcad 15 на основании полученных при измерении средних значений составляющих силы резания по осям x , y и z (рис. 3) [16–19]. Как показали экспериментальные исследования, применение программы Mathcad 15 обусловлено тем, что в процессе обработки крупногабаритных деталей из твердых легированных сталей возникают достаточно большие вибрации технологической системы, которые дают определенные погрешности при построении графических зависимостей с помощью программного продукта DynoWare² [20; 21].

Том 31, № 4. 2021

Анализ графических зависимостей на рисунке 3 показал, что составляющие результирующей силы при резании уменьшаются с возрастанием скорости v (рис. 3a) и повышаются с возрастанием глубины резания t (рис. 3b) и подачи инструмента s (рис. 3c).

Глубина резания в этом случае оказывает доминирующее воздействие, в сопоставлении с подачей, на возрастание составляющих силы резания, что не противоречит известным положениям теории резания.

Составляющая силы резания может быть описана следующей эмпирической зависимостью:

где C_p ‒ коэффициент; z_p ‒ тангенс угла наклона кривой логарифмической функции P ( v ); y_p ‒ тангенс угла наклона

Т а б л и ц а

T a b l e

Силовые параметры и технологические режимы Power parameters and technological modes

Параметры режима резания / The parameters of cutting mode

Средние значения силовых параметров, Н / The average values of the power parameters, N

Скорость резания v , м/мин / Cutting speed v , m/min	Подача s , мм/об / Feed s , mm/r	Глубина резания t , мм / Cutting depth t , mm	Px ср ± Δ	Py ср ± Δ	Pz ср ± Δ
100	0,3	3	1 043 ± 2	431 ± 21	2 100±23
150			915 ± 1	347 ± 3	21 465 ± 22
	0,1		179 ± 5	128 ± 2	2 573 ± 6
150	0,3	1	216 ± 2	228 ± 2	824 ± 20
		1	190 ± 4	132 ± 3	263 ± 8
150	0,1	3	500 ± 6	234 ± 8	869 ± 52

² Ultraprecision Cutting of Molybdenum by Ultrasonic Elliptical Vibration Cutting / T. Moriwaki [et al.] // Proceedings of 19^th Annual Meeting, American Society for Precision Engineering (ASPE, 2004). Orlando, 2004. P 621-624. URL: https://www.tib.eu/en/search/id/BLCP%3ACN055387370/Ultrapreci- sion-Cutting-of-Molybdenum-by-Ultrasonic (дата обращения: 15.03.2021).

b)

a)

c)

Р и с. 3. Воздействие режимов v , t , s на силовые параметры при токарной обработке

F i g. 3. The effect of the v, t, s modes on the power parameters during turning кривой логарифмической функции P(s); x - тангенс угла наклона кривой логарифмической функции P(t).

Проведенные исследования позволили получить следующие математические зависимости для силовых параметров точения:

– горизонтальная составляющая

P ( v , 5 , t ) = 1 848 • v ^1,,;" • 5 °’²¹ • t °’⁸²;

– радиальная составляющая

P(v,5, t) = 2 845 • v-0’39 • 5°’51 • t°’45;

– тангенциальная составляющая

P ( v, s, t ) = 3109 ■ v "^,l,; ■ s ¹ - ⁰³ ■ t ¹ - ⁰⁸ .

Обсуждение и заключение

С целью измерения вышеуказанных силовых параметров в процессе чернового и получистового точения термообработанных легированных сталей с высокой теплостойкостью, твердостью и низкой пластичностью были проведены исследования с применением трехкоординатной измерительной системы.

В результате удалось получить экспериментальные формулы сил резания для режимных параметров процесса обработки деталей инструментом, оснащенным режущими пластинами с нанесенным на них многослойным твердым и износостойким покрытием. Покрытие состоит из карбонитрида титана, оксида алюминия и нитрида никеля CNMG160416E-4EPM-CT15M (TiCN-Al2O3-NiN).

Примененное покрытие значительно повышает твердость, теплостойкость и износостойкость режущей части инструмента и позволяет повысить качество обработки. В частности, шероховатость обработанной поверхности при черновом точении соответствовала Ra = = 12,5 мкм, а экономически целесообразный квалитет точности IT = 12–14. При чистовом точении Ra = 3,2 мкм и IT = 7-9. Поверхностная твердость повышается до ~3 300 HV (микротвердость от 30–33 ГПа) согласно результатам

Том 31, № 4. 2021

измерений твердости твердосплавной пластины режущей части инструмента без покрытия и с нанесенным трехслойным покрытием. Износостойкость ориентировочно повышается в 2 ‒ 3 раза при сравнении времени работы пластины без покрытия и с нанесенным покрытием.

Представленные результаты могут служить основой для определения силовых и технологических параметров при оптимизации процесса обработки деталей из различных труднообрабатываемых материалов.

526 Процессы и машины агроинженерных систем

Поступила 17.03.2021; одобрена после рецензирования 20.05.2021; принята к публикации 03.06.2021

Об авторе:

Автор прочитал и одобрил окончательный вариант рукописи.

Submitted 17.03.2021; approved after reviewing 20.05.2021; accepted for publication 03.06.2021

The author has read and approved the final manuscript.