Особенности лезвийной механической обработки труднообрабатываемых материалов

Б. Я. Мокрицкий






ОСОБЕННОСТИ ЛЕЗВИЙНОЙ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ТРУДНООБРАБАТЫВАЕМЫХ МАТЕРИАЛОВ


Учебное пособие






















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 621.9
ББК 34.630.01
     М74

Рецензенты:
д. ф.-м. н., профессор, профессор кафедры физики и теоретической механики Дальневосточного государственного университета путей сообщения
(г. Хабаровск) Пячин СергейАнатольевич;
д. т. н., профессор, главный научный сотрудник Комсомольского-на-Амуре государственного университета (г. Комсомольск-на-Амуре)
Евстигнеев Алексей Иванович



            Мокрицкий, Б. Я.


М74 Особенности лезвийной механической обработки труднообрабатываемых материалов : учебное пособие / Б. Я. Мокрицкий. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 104 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-1188-2

           Рассмотрены вопросы сложности лезвийной механической обработки: бывших в эксплуатации колес железнодорожных вагонов; заготовок деталей, выполненных из труднообрабатываемых чугунов; высокотвердых материалов, полученных по аддитивной технологии.
           Для студентов, обучающихся по направлениям 15.04.05 и 15.03.05 «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств».

УДК 621.9
ББК 34.630.01













ISBN 978-5-9729-1188-2

     © Мокрицкий Б. Я., 2023
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                           © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

                ОГЛАВЛЕНИЕ





ВВЕДЕНИЕ.........................................................4
1. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ОБРАБОТКИ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ
КОЛЕС.....................................................5
  1.1. 0 необходимости совершенствования восстановительной обработки бывших в эксплуатации железнодорожных колес.............5
  1.2. Пример проектирования топографии передней поверхности тангенциальной пластины для разных условий эксплуатации инструмента .... 19
  1.3. Дополнительные сведения о колесотокарной обработке.23
2. ТОЧЕНИЕ ТРУДНООБРАБАТЫВАЕМОГО ЧУГУНА...................28
3. ОСОБЕННОСТИ ОБРАБОТКИ РЕЗАНИЕМ
ЗАГОТОВОК ДЕТАЛЕЙ, ВЫПОЛНЕННЫХ ИЗ ВЫСОКОТВЕРДЫХ
МАТЕРИАЛОВ......................................................33
  3.1. Общее состояние вопроса..................................33
  3.2. Обработкавысокотвердой стали с высокотвердыми наплавками.33
  3.3. Акустическая эмиссия как метод оценки условий обработки высокотвердых материалов................................39
  3.4. Обработка фрезами наплавок, нанесенных на заготовки деталей, выполненных из типовых конструкционных материалов.......43
  3.5. Специальный отечественный инструмент для обработки высокотвердых материалов................................49
  3.6. Специальные импортные концевые монолитные фрезы для обработки высокотвердых материалов................................58
  3.7. Результаты материаловедческого исследования режущих инструментов ... 61
4. СВЕДЕНИЯ О СРАВНЕНИИ РАБОТЫ ФРЕЗ ПРИ ОБРАБОТКЕ МАТЕРИАЛОВ, ПОЛУЧЕННЫХ ПО АДДИТИВНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ....69
5. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О РАЗРАБОТАННЫХ ОТЕЧЕСТВЕННЫХ СОСТАВНЫХ ФРЕЗАХ................................................75
ЗАКЛЮЧЕНИЕ......................................................93
ЛИТЕРАТУРА......................................................94

3

                ВВЕДЕНИЕ





     Мы живем в период зарождения нового (шестого) технологического уклада. Это период повышения активности экономически развитых стран во внедрении инновационных технологий [1-3]. Низкие темпы перевода национальной экономики на инновационный путь развития, а также отставание в освоении технологий передовых технологических укладов является угрозой для экономической безопасности страны и обеспечения ее устойчивого развития.
     В данном учебном пособии рассмотрены некоторые вопросы сложности лезвийной механической обработки:
     1. Бывших в эксплуатации колес железнодорожных вагонов.
     2. Заготовок деталей, выполненных из труднообрабатываемых чугунов.
     3. Высокотвердых (HRC 60 и более) материалов.
     4. Высокотвердых материалов, полученных по аддитивной технологии.
     5. Составными концевыми фрезами.
     Такая тематика рассмотренных вопросов объясняется тем, что все эти темы обобщают особенности обработки подобных труднообрабатываемых материалов таким инструментом. В каждой из этих тем у автора есть своя позиция и есть собственные полученные результаты.


            Контрольные вопросы


     1. Зачем нужен градиент свойств в материале детали?
     2. Что такое технологический уклад?


            Задания


     Обоснуйте причины отставания России в метрологическом обеспечении.


4

                1. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ОБРАБОТКИ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ КОЛЕС*




1.1. О необходимости совершенствования восстановительной обработки бывших в эксплуатации железнодорожных колес

     Восстановительная обработка бывших в эксплуатации железнодорожных колес относится к трудному виду обработки. В этой связи любая инструментальная фирма, желая выйти на международный уровень, считает необходимым заявить свои успехи именно в таком виде обработки.
     Сложность колесотокарной восстановительной обработки связана с тем, что на колесах железнодорожных вагонов, локомотивов и других видах подвижного состава во время их эксплуатации накапливаются дефекты и повреждения. Поэтому регламентом предусмотрено их восстановление до прежнего состояния. Методов восстановления много. Наиболее распространен метод колесотокарной обработки. Его задачей является устранение дефектов и повреждений.
     Колесотокарная обработка разработчиками металлорежущего инструмента классифицирована как «сложная». Это произошло из-за того, что необходимость удалить с поверхности колеса все образовавшиеся на нем дефекты вынуждает задавать такие параметры процесса резания, при которых требуется значительная (от 40 до 80 кВт) мощность колесотокарного станка, колоссальная жесткость и прочность корпуса и элементов (кассета, крепеж и т. д.) резца, жесткость и прочность элементов (резцедержатель, суппорт и т. д.) станка и прочее.
     Существует и другая проблема, она условно названа «повышение эффективности стружкодробления». Ее суть состоит в следующем. На отдельных участках (галтель и контур гребня) поверхности колеса имеет место образование «сливной» стружки. Она наматывается на элементы закрепления колесной пары на токарном станке, она повреждает элементы станка, ее уборка со станка затруднена, имеют место случаи травматизма такой стружкой, при ее загрузке в вагон для транспортировки на переплав вагон оказывается полным при маленькой массе стружки из-за того, что она спутана, завита и т. д., т. е. в вагоне между стружкой много пустот.


*Автор благодарит за содействие Я. В. Конюхову.

5

Основные сведения о дефектах приведены на рисунках 1и2.

б
Рис. 1. Характерные дефекты (а) поверхности катания колеса и пример типового профиля (б) поверхности катания колеса грузового вагона


6

a

б

Рис. 2. Этапы (а) обработки поверхности катания колеса сборным токарным резцом (б) с двумя тангенциальными режущими пластинами (выделены желтым цветом): а- этап обработки основной поверхности колеса основной тангенциальной пластиной; б - этап обработки этой же пластиной галтели и профиля гребня колеса

7

Примеры формирования стружки разной формы показаны на рисунке 3.

Рис. 3. Примеры формирования стружки при обработке галтели (а, б) гребня и конусной части (в, г) поверхности катания с образованием сливной запутанной (а, в) и волнистой (б, г) стружки

     Другие примеры сливной стружки приведены на рисунке 4.

б

8

a

б

в
Рис. 4. Примеры завитой (а, б) и запутанной (в) сливной стружки


     Важно знать не только, на каких участках поверхности катания образуется какая сливная стружка, но и сколько ее образуется. На рисунке 5 показана процентная доля стружки сливной формы на разных участках поверхности катания.

9

a

б

Рис. 5. Иллюстрация процентной доли (а) сливной стружки при обработке разных участков поверхности катания твердосплавной тангенциальной пластиной (б) модели LNUX 301940SN-DM, разработанной и изготовленной ведущей в мире инструментальной фирмой Pramet

10

     Процентная доля - это сколько времени происходит образование сливной стружки от времени обработки того или иного участка поверхности катания. Для удобства дальнейших пояснений на рисунке 5 поверхность условно разделена на несколько участков, обозначенных буквами от А до Ж. Рисунок 5 следует понимать следующим образом: если на участке А сливная стружка формируется короткое время (всего 2,5 %), то на участке Д (галтель) она формируется значительно (9,5 %) большее (в 3,8 раза) время.
     Безусловно, повышением эффективности стружкообразования занимались многие специалисты, в том числе за счет дробления стружки путем обеспечения соответствующей геометрии (топографии) передней поверхности тангенциальной пластины. В принципе, разработчики пластин используют во многом сходные конструктивные элементы (выступы, уступы, впадины, выкружки) на передней поверхности пластин. Некоторое представление об этом дает рисунок 6.
     Предпринята попытка разработать такую конструкцию тангенциальной колесотокарной пластины, которая бы исключила или минимизировала образование сливной стружки, т. е. повысила эффективность стружкодробления без снижения производительности и качества обработки. Для этого исследовано изменение скорости взаимного смещения объемов обрабатываемого материала и микрообъемов инструментального материала. Это выполнено за счет использования формата STL программной среды DEFORM. Иллюстрация отдельных результатов имитационного моделирования этих процессов показана на рисунке 7.
     Результаты имитационного исследования сложно-напряженного состояния инструментального материала по параметру «температура - время резания» и по параметру «напряжение (эффективное) - время резания» иллюстрированы на рисунке 8.
     На рисунке 9 иллюстрированы результаты имитационного моделирования по параметру «температура - время резания» (9, а) и по параметру «напряжение (эффективное) - время резания» (9, б). Прямыми линиями изображены апроксимации с соответствующими уравнениями, описывающими эти прямые линии. Разными цветами показаны зависимости, полученные для резания с разными глубинами.

11