Features of Machining Rotor Shafts of Diesel Engine Turbochargers with a Multilayer-Coated Tool

Full Text

Введение

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 материалом 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]. 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 многокомпонентным 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 предварительного 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 пьезоэлектрическими датчиками, который монтировался на суппорте станка (рис. 1).

 

 

 

Рис. 1. Схема установки многокомпонентного динамометра на суппорте станка

Fig. 1. Installation scheme of the multicomponent dynamometer on the turning slide

 

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

 

 

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

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

 

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].

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.).

Таблица Силовые параметры и технологические режимы

Table Power parameters and technological modes

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

$p_{СР}=\frac{{\displaystyle \sum _{i=1}^n{P}_i}}{n},$

где P_i – i-е значение силовой составляющей процесса резания.

Доверительный интервал Δ с вероятностью 95 % определяется следующим образом:

$\Delta =\pm \mathrm{1,96}\cdot \frac{\sigma }{\sqrt{n}},$

где  $\sigma =\sqrt{\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{(P_i-P_{\text{cp}})}^2}{n-1}}$ ‒ среднеквадратическое отклонение.

Значения экспериментальных данных 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].

 

Рис. 3. Воздействие режимов v, t, s на силовые параметры при токарной обработке

Fig. 3. The effect of the v, t, s modes on the power parameters during turning

 

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:

$P(v,s,t)=C_p\cdot v^{z_p}\cdot s^{y_p}\cdot t^{x_p},$

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

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

– горизонтальная составляющая

$P(v,s,t)=1848\cdot v^{-\mathrm{0,30}}\cdot s^{\mathrm{0,21}}\cdot t^{\mathrm{0,82}};$

– радиальная составляющая

$P(v,s,t)=2845\cdot v^{-\mathrm{0,39}}\cdot s^{\mathrm{0,51}}\cdot t^{\mathrm{0,45}};$

– тангенциальная составляющая

$P(v,s,t)=3109\cdot v^{-\mathrm{0,04}}\cdot s^{\mathrm{1,03}}\cdot t^{\mathrm{1,08}}.$

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 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.

¹           Справочник технолога-машиностроителя : в 2-х т. Т. 1 / Под. ред. А. Г. Косиловой, Р. К. Мещерякова. 4-е изд., перераб. и доп. М. : Машиностроение, 1986. 656 с. ; Справочник технолога-машиностроителя : в 2 т. Т.1 / Под ред. А. С. Васильева, А. А. Кутина. 6-е изд., перераб. и доп. М. : Инновационное машиностроение, 2018. 755 с. ; Справочник технолога-машиностроителя : в 2-х т. Т. 1 / Под ред. А. М. Дальского [и др.]. 5-е изд., перераб. и доп. М. : Машиностроение, 2003. 912 с.

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/Ultraprecision-Cutting-of-Molybdenum-by-Ultrasonic (дата обращения: 15.03.2021).

About the authors

Vladimir A. Skryabin

Author for correspondence.
Email: vs_51@list.ru
ORCID iD: 0000-0001-7156-9198
ResearcherId: R-2385-2018

Professor of the Chair of Technology and Equipment in Mechanical Engineering, Dr.Sci. (Engr.)

References

Supplementary files

Supplementary Files

Action

1. JATS XML

Download

2. Fig. 1. Installation scheme of the multicomponent dynamometer on the turning slide

Download (65KB)

Indexing metadata

3. Fig. 2. Photo of equipment for amplifying and digitizing signals: laptop computer; signal amplifier

Download (109KB)

Indexing metadata

4. Fig. 3. The effect of the v, t, s modes on the power parameters during turning

Download (55KB)

Indexing metadata