Исследование обрабатываемости генеративного материала БрАЖ 10 при концевом фрезеровании

Язык труда и переводы:
УДК:
621.9.011
Дата публикации:
20 июля 2021, 16:48
Категория:
А3. Технология машиностроения
Аннотация:
Рассмотрены результаты экспериментального исследования обрабатываемости материала БрАЖ 10, полученного с использованием DMD-метода (Direct Metal Deposition). В результате проведения эксперимента были получены данные, необходимые для дальнейшей обработки. Основная задача опытов заключалась в регистрации силы резания и измерении шероховатости обработанной поверхности при различных подачах, что является важнейшим этапом для установления их взаимосвязи. Установлены взаимосвязи силы резания при фрезеровании и шероховатости обработанной поверхности от подачи на зуб, что позволило определить коэффициенты относительной обрабатываемости материала БрАЖ 10, полученного DMD-методом. Сделаны выводы, что полученные значения коэффициента относительной обрабатываемости могут быть применены при проектировании операции механической обработки такого материала для назначения режимов резания.
Ключевые слова:
аддитивные технологии, процесс фрезерования, обрабатываемость, коэффициент относительной обрабатываемости, сила резания, шероховатость, БрАЖ 10
Основной текст труда

Введение

DMD (Direct Metal Deposition; местное осаждение металла) — это одна из новых наукоемких технологий, относящаяся к группе аддитивных, суть которой заключается в прямом осаждении металлических частиц из газопорошковой струи [1–2]. Применение данной технологи позволяет изготавливать генеративные детали достаточно сложной формы, при этом появляется возможность отказа от трудоемких заготовительных процессов. Кроме того, существует возможность изготавливать гибридные заготовки, состоящие из комбинации материалов, и наносить многокомпонентные покрытия, обладающие специальными свойствами, такими как жаростойкость, коррозионностойкость, повышенная прочность, износостойкость и т. д. [3–4].

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 [5], что в свою очередь позволяет сократить время ее обработки, повысить производительность и снизить затраты на режущий инструмент. Обработка резанием таких заготовок будет производиться с минимально необходимыми припусками [6].

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

В последнее время вопрос по обработке генеративных материалов получает все более широкое распространение [7–9], 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 [10–12] проводится сравнительный анализ параметров процесса резания сплава Inconel 718 на основе никеля, который широко применяется в авиастроении. Проводится обработка двух заготовок, одна из которых получена DMD-методом, другая — методом ковки. Установлено, что при одинаковых параметрах резания прочность наплавленной заготовки значительно выше поковки.

В [13] 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, исследование обрабатываемости наплавленных заготовок активно и широко изучается во всем мире, разработка рекомендаций для обработки новых материалов, полученных DMD-методом, является актуальной задачей для современного машиностроительного производства.

Цель настоящего исследования — оценить обрабатываемость 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 шероховатости обработанной поверхности.

Описание экспериментального исследования

Объектом экспериментального исследования является процесс фрезерования. Предмет исследования — выходные параметры процесса. Основными методами, применяющимися для достижения поставленной цели, являются эксперимент, измерение и регрессионный анализ экспериментальных данных.

Эксперимент проводился на фрезерном станке с числовым программным управлением ГФ2171С5 с применением концевых фрез диаметром 8 мм из материала Р6М5. Согласно справочникам [14–15] были выбраны параметры процесса формообразования, представленные в табл. 1. Фрезеруемые образцы представляют собой диски. Один образец из материала сталь 45, другой — из стали 40Х, на который наплавлен слой материала БрАЖ 10.

Таблица 1

Параметры процесса формообразования

Подача Sz,

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

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.

Результаты и обсуждение

Сила резания. Для корректного определения коэффициента относительной обрабатываемости составляющие силы резания измерялись при фрезеровании заготовок из стали 45 и БрАЖ 10. Образцы из стали и бронзы обрабатывались с одинаковыми режимами резания.

Оценка обрабатываемости проводилась значению по составляющей силы резания Pyz, которая используется для расчета оправки на изгиб. Для этого по полученным экспериментальным значениям составляющих Py и Pz находили их максимальные значения. Найденные значения представлены в табл. 2.

Таблица 2

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 [16], проводился регрессионный анализ в целях 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 и БрАЖ 10 соответственно. По расчетам, проведенным в соответствии с методикой, использующей критерий Фишера, установлено, что коэффициенты регрессии являются значимыми:

y=4782,83{\cdot }S_{z}+185,49;

y=1044,23{\cdot }S_{z}+588,44.

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

K_{P_{yz}}={\frac {4782,83{\cdot }S_{z}+185,49}{1044,23{\cdot }S_{z}+588,44}}.

Шероховатость обработанной поверхности. Вторым критерием, по которому оценивалась обрабатываемость, является шероховатость. Шероховатость обработанной поверхности при каждой из подач измерялась трижды. Полученные значения микронеровностей представлены в табл. 3.

Таблица 3

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 и БрАЖ 10 соответственно. По критерию Фишера данные уравнения регрессий являются значимыми.

y=61,06{\cdot }S_{z}+6,22;

y=10,06{\cdot }S_{z}+3,26.

На основании этого коэффициент относительной обрабатываемости по критерию шероховатости обработанной поверхности определяются по формуле

K_{Ra}={\frac {61,06{\cdot }S_{z}+6,22}{10,06{\cdot }S_{z}+3,26}}.

Коэффициент относительной обрабатываемости. По экспериментальным данным при помощи регрессионного анализа были получены математические модели, 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. 4. Из расчитанных значений коэффициента видно, что по показателю силы резания материал БрАЖ 10 обрабатывается хуже, чем сталь 45, а по качеству обработанной поверхности — лучше. Следовательно, 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 БрАЖ 10.

Таблица 4

Значения коэффициента относительной обрабатываемости

Подача Sz, мм/зуб

Коэффициент относительной обрабатываемости

KPyz

KRa

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

Согласно выражению для нахождения коэффициента относительной обрабатываемости по критерию шероховатости сведем в таблицу рекомендуемые значения подачи для ряда значений шероховатости при фрезеровании материала БрАЖ 10 (табл. 5). Коэффициент относительной обрабатываемости по показателю силы резания можно применять для проверки подачи по допустимой жесткости станка, используя значения для стали 45.

Таблица 5

Рекомендуемые значения подачи

Шероховатость Ra, мкм

Подача Sz, мм/зуб

4,0

0,07

5,0

0,17

6,3

0,30

8,0

0,47

10,0

0,66

Заключение

  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. Разработаны выражения для нахождения коэффициента относительной обрабатываемости по критериям силы резания и шероховатости обработанной поверхности. На основании полученной математической модели 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.
Литература
  1. Pinkerton A.J. Laser direct metal deposition: theory and applications in manufacturing and maintenance // Advances in Laser Material Processing. 2010. Рp. 461–491.
  2. Experimental and numerical study of the influence of induction heating process on build rates Induction Heating-assisted laser Direct Metal Deposition (IH-DMD) / M.T. Dalaee, L. Gloor, C. Leinenbach et al. // Surface and Coating Technology. 2020. Vol. 384. Pp. 275–303.
  3. Yang Y.H., Wu F.B. Microstructure evolution and protective properties of TaN multilayer coatings // Surface and Coating Technology. 2006. Vol. 308. Pp. 108–114.
  4. CrVN/TiN nanoscale multilayer coatings deposited by DC unbalanced magnetron sputtering / E. Contreras, Y. Galindez, M.A. Rodas et al. // Surface and Coating Technology. 2017. Vol. 332. Pp. 214–222.
  5. Boisseliera D., Sankarea S., Engelb T. Improvement of the laser direct metal deposition process in 5-axis configuration // Physics Procedia. 2014. Vol. 56. Pp. 239–249.
  6. Ардашев Д.В., Дюрягин А.А., Галимов Д.М. Экспериментальное исследование дефектного слоя на заготовках, выращенных DMD-методом // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). 2020. Т. 22. № 4. С. 6–17.
  7. Machining of Additively Manufactured Parts: Implications for Surface Integrity / O. Oyelola, P. Crawforth, R. M’Saoubi et al. // Procedia CIRP. 2016. Vol. 45. Pp. 119–122.
  8. Post-Processing of Additively Manufactured Metal Parts / D.L. Bourell, W. Frazier, H. Kuhn et al. // Additive Manufacturing Processes. 2020. Vol. 24. Pp. 30–48.
  9. Дранков А.В. Изготовление деталей РКТ из отечественного порошка нержавеющей стали // Аддитивные технологии. 2019. № 2. С. 50–55.
  10. Inconel 718 superalloy machinability evaluation after laser cladding additive manufacturing process / A. Calleja, G. Urbikain, H. Gonzalez et al. // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2018. Vol. 97. Pp. 2873–2885.
  11. Analysis of the Machining Process of Inconel 718 Parts Manufactured by Laser Metal Deposition / T. Ostra, U. Alonso, F. Veiga et al. // Materials. 2019. Vol. 12. Pp. 35–51.
  12. Cutting forces and wear in dry machining of Inconel 718 with coated carbide tools / A. Devillez, F. Schneider, S. Dominiak et al. // Wear. 2007. Vol. 262. Pp. 931–942.
  13. Twardowski P., Wojciechowski S. Machining Characteristics of Direct Laser Deposited Tungsten Carbide // IntechOpen. 2012. Vol. 12. P. 19.
  14. Общемашиностроительные нормативы времени и режимов резания для нормирования работ, выполняемых на универсальных и многоцелевых станках с числовым программным управлением. Часть 2. М.: Экономика, 1990. 472 c.
  15. Общемашиностроительные нормативы режимов резания. В 2 т. Т. 1 / А.Д. Локтев, И.Ф. Гущин, В.А. Батуев и [др]. М.: Машиностроение, 1991. 640 с.
  16. Шаламов В.Г. Вероятностно-статистические методы в машиностроении. Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2018. 152 с.
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.