Комсомольск-на Амуре, Хабаровский край, Россия
Иркутск, Иркутская область, Россия
ГРНТИ 55.01 Общие вопросы машиностроения
ГРНТИ 55.13 Технология машиностроения
ГРНТИ 55.35 Металлургическое машиностроение
Представлены исследования выходных параметров фрезерования титановых сплавов при управлении режимами резания. Работы проводились на фрезерном обрабатывающем центре с использованием высокопроизводительных фрез со сменными пластинами. Приведены оптимальные режимы высокопроизводительного фрезерования титановых сплавов ВТ20 и ВТ22, обеспечивающие минимальное значение параметра шероховатости поверхности Ra.
фрезерование, силы резания, титановый сплав, шероховатость поверхности
рабатываемых деталей является одной из важных задач современного машиностроительного производства. Одним из инструментов, позволяющих решить данную задачу, является высокопроизводительная механообработка [1, 2]. Её используют при обработке изделий различных типов в машиностроении, обеспечивая максимальную скорость удаления материала в единицу времени. Среди видов лезвийной высокопроизводительной механообработки фрезерование позволяет достичь наибольшего технико-экономического эффекта.
Титановые сплавы относятся к труднообрабатываемым материалам ввиду таких их свойств как высокая прочность и низкая теплопроводность. Основными областями применения изделий из титана являются авиационная промышленность, судостроение, энергетика. Наряду с жаропрочными сплавами, титан имеет довольно низкую обрабатываемость резанием. При лезвийной обработке титана лишь малая часть тепла уходит в стружку. Обеспечение высокой производительности, таким образом, ограничивается стойкостью режущего инструмента [3]. Ограничивающим фактором также являются технические параметры оборудования, такие как мощность и крутящий момент шпинделя.
В некоторых случаях, при черновом фрезеровании может достигаться заданная шероховатость и точность отдельных фрагментов деталей, например, полотна в карманах авиационных деталях. Подобная технология применяется как отечественными, так и зарубежными производителями авиационной техники. В этом случае дополнительным фактором, ограничивающим производительность, является необходимость достижения требуемой шероховатости обработанной поверхности [4].
Таким образом, задача обеспечения максимальной производительности технологической системы, одновременно с обеспечением заданной шероховатости обработанной поверхности при минимальных энергетических затратах становится актуальной в условиях возрастающей конкуренции на рынке производителей высокотехнологичного оборудования. При решении данной задачи ключевую роль играет контроль сил резания [5].
Экспериментальные исследования включали в себя фрезерование титановых сплавов ВТ20 и ВТ22 с варьированием подач и скоростей резания, с контролем потребляемой мощности и шероховатости поверхности. Механообработка выполнялась на фрезерном обрабатывающем центре DMG DMU80P duoBlock (рис. 1) концевой фрезой Sandvik Coromant R390-025C5-11M со сменными многогранными пластинами R390-11 T3 08M-MM из твёрдых сплавов S30T и S40T. Для измерения сил резания применялась динамометрическая платформа Kistler 9253B23. Измерение шероховатости поверхности после обработки производилось профилометром Taylor&Hobson Form Talysurf i200 [4].
Рис. 1. Рабочая зона станка DMU80P duoBlock
Основной вклад в работу резания вносит окружная, или тангенциальная, сила Рt. Величина силы Рt определяет мощность шпинделя фрезерного станка, учитывается в прочностных расчётах при проектировании деталей направляющих и других механизмов обрабатывающего оборудования.
При увеличении подачи fz, тангенциальная сила Рt также увеличивается, причем увеличение, близкое к линейному, происходит как при обработке титанового сплава ВТ20, так и при обработке сплава ВТ22. На рис. 2 скорость резания v = 55 м/мин; глубина резания
ap = 3 мм.
Рис. 2. Зависимость тангенциальной силы Pt от
подачи на зуб fz
Рис. 3. Зависимость тангенциальной силы Pt от
скорости резания v
Из графика (рис. 3) следует, что при увеличении скорости резания v тангенциальная составляющая силы резания Pt уменьшается, как для материала ВТ20, так и для ВТ22, при условии: подача на зуб fz = 0,12 мм/зуб, осевая глубина резания ap.= 3 мм.
Мощность резания Pc растёт как при увеличении подачи на зуб fz так и при увеличении скорости резания v (режимы обработки: скорость резания v = 55 м/мин, глубина резания ap = 3 мм (рис. 4); подача на зуб
fz = 0,12 мм/зуб (рис. 5)). Если сравнить два обрабатываемых материала ВТ20 и ВТ22, то можно увидеть, что при резании сплава ВТ20 потребляется большая мощность, чем при резании сплава ВТ22. Этот факт объясняется различием механических свойств данных материалов. Титановый сплав ВТ22 относится к 4 классу (α+β)-переходному классу, что делает его более твердым (σв = 1000... 1500 МПа), а ВТ20 относиться ко 2 классу псевдо-α-сплавы (σв = 600...1000 МПа), обладает средней прочностью.
Рис. 4. Зависимость мощности резания Pc от подачи на зуб fz
Рис. 5. Зависимость мощности резания Pc от скорости резания v
Зависимости шероховатости обработанной поверхности от подачи на зуб fz и скорости резания v представлены на графиках (рис. 6, 7). Из данных графиков следует, что при одинаковых режимах резания, среднеарифметическое отклонение профиля шероховатости Ra больше при фрезеровании сплава ВТ20, чем при фрезеровании ВТ22. Минимальное значение параметра шероховатости Ra сплава ВТ20 достигается при подаче на зуб fz = 0,12 мм/зуб. При обработке сплава ВТ22 лучшее качество поверхности зафиксировано при подаче на зуб fz = 0,08 мм/зуб. Режимы обработки: скорость резания v = 55 м/мин, глубина резания
ap = 3 мм.
Минимальное значение параметра шероховатости Ra при обработке титанового сплава ВТ20 измерено при скорости резания
v = 30 м/мин. В сплаве ВТ22 меньшие значения шероховатости параметра Ra зафиксированы при фрезеровании со скоростью резания v = 40 м/мин (рис. 7). Режимы обработки: подача на зуб fz = 0,12 мм/зуб, глубина резания ap = 3 мм.
Рис. 6. Зависимость параметра шероховатости Ra от подачи на зуб fz
Рис. 7. Зависимость параметра шероховатости Ra от скорости резания v
Для обеспечения заданного качества изделий машиностроения при высокопроизводительном фрезеровании, требуется методика определения режимов резания, учитывающая одновременно несколько параметров резания, такие как сила резания Pt, скорость резания v, мощность резания Pc. В основу данной методики может быть положен расчет мощности резания.
Полученные графические зависимости наглядно иллюстрируют влияние режимов резания на выходные параметры при высокопро-
изводительном фрезеровании титановых сплавов на станках с ЧПУ.
На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы:
1. Тангенциальная составляющая силы резания Pt увеличивается практически по линейному закону при увеличении подачи на зуб fz, но уменьшается с увеличением скорости резания v, как при обработке сплава ВТ20, так и при обработке сплава ВТ22. Влияние подачи на силу резания соответствует основным положениям теории резания. Влияние же скорости резания можно объяснить гипотезой повышения температуры в зоне контакта и последующего разупрочнения обрабатываемого материала [6]. Данная гипотеза требует последующей проверки.
2. Мощность резания Pc при увеличении подачи на зуб fz и скорости резания v увеличивается, что соответствует основным положениям теории резания.
3. Определены режимы резания, обеспечивающие наилучшие показатели параметра шероховатости Ra:
– для ВТ20, подача на зуб fz = 0,12 мм/зуб; скорость резания v = 40 м/мин;
– для ВТ22, подача на зуб fz = 0,08 мм/зуб; скорость резания v = 30 м/мин.
1. Савилов, А.В., Пятых, А.С., Тимофеев, С.А. Современные методы оптимизации высокопроизводительного фрезерования // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. - 2013. - Т. 15. - № 6-2. - С. 476-479.
2. Тимофеев, С.А. Высокопроизводительное фрезерование авиационных деталей из алюминиевых сплавов по критерию заданной электропроводности // Высокоэффективные технологии производства летательных аппаратов: сб. докл. Иркутск: Изд-во ИрГТУ. - 2012. - С. 25-33.
3. Serebrennikova A.G., Nikolaeva E.P., Savilov A.V., Timofeev S.A., Pyatyh A.S. Research Results Of Stress-Strain State Of Cutting Tool When Aviation Materials Turning. IOP Conf. Series: Journal of Physics: V. 944 (2018).
4. Николаев, А.Ю. Влияние дисбаланса инструментальных наладок на качество обработанной поверхности при концевом фрезеровании // Вестник Иркутского государственного технического университета. - 2019. - Т.23. - №4. - С. 699-709.
5. Jagadesh T., Samuel G.L. Investigation into cutting forces and surface roughness in micro turning of titanium alloy using coated carbide tool // Procedia Materials Science 5. - 2014. - pp. 2450-2457.
6. U. Karaguzel, M. Bakkal, Erhan Budak. Modeling and measurement of cutting temperatures in milling. // Procedia 7th CIRP Conference on High Performance Cutting, - 2016. - pp. 173-176.
