Технические науки.

8. Обработка материалов в машиностроении.

Ю.М. Малафеев, к.т.н., доц., А.А. Кирсанов, студ.

Национальный технический университет Украины «КПИ», г. Киев, Украина

Управление качеством поверхности деталей

из сплава 50Н при точении

Сплав 50Н, обладающий повышенной магнитной проницаемостью и максимальным значением индукции насыщения (не менее 1,5 Тл) из всех железоникелевых сплавов, относится к группе магнитно-мягких материалов. Детали, изготавливаемые из материалов этой группы предназначены для работы как в постоянных, так и в переменных полях в различных элементах магнитных цепей.

Технологические процессы изготовления деталей из магнитно-мягких материалов могут оказывать существенное влияние не только на эксплуатационные характеристики изделий (к ним можно отнести и магнитные свойства) [1,2,3,4,5,6], но и на качественные показатели (в частности и шероховатость обработанной поверхности) [7,8,9,10,11,12,13].

Согласно существующему ГОСТу на шероховатость стандартизированы 6 параметров шероховатости, которые находят наиболее широкое практическое применение и соответствуют международному стандарту ISO 1302. Из них:

1. Три высотных параметра:

R_a – среднеарифметическое отклонение профиля;

R_z – высота неровностей профиля по десяти точкам;

R_max – наибольшая высота профиля;

2. Два шаговых параметра:

S – средний шаг местных выступов профиля;

S_m – средний шаг неровностей профиля;

3. Один комплексный параметр:

t_p – относительная опорная длина профиля.

Именно комплексный параметр t_p (относительная опорная длина профиля) характеризует несущую способность и износостойкость поверхности или степень ее приработки.

Поскольку в элементах магнитных цепей очень важным является сведение до минимума величины зазоров контактирующих элементов, то в этом случае снижение параметров шероховатости деталей является первостепенной задачей.

Учитывая тот факт, что между параметрами шероховатости существует корреляционная связь [9,10,11,12,13], то измеряя величину среднего арифметического отклонения профиля R_a, можно находить значения высотных параметров R_z и R_max, а также шаговых параметров S и S_{m .}

В нашем случае выбор метода обработки ограничен тонким точением взамен шлифования с целью снижения магнитных потерь и исключения дополнительной операции отжига. При токарной обработке значение высотных параметров шероховатости зависит от углов в плане и будет снижаться с их уменьшением, а износ инструмента будет увеличивать высоту неровностей профиля [9,10,11,12,13]. Такая зависимость характерна для обычных конструкционных сталей, однако, магнитно-мягкие материалы обладают высокой пластичностью и каким образом будет формироваться при этом микропрофиль поверхности, неизвестно.

Факторы, обуславливающие формирование шероховатости обработанной поверхности могут быть объединены в следующие основные группы: геометрия процесса резания, упругие и пластические деформации обрабатываемого материала, вибрации режущего инструмента по отношению к обрабатываемой поверхности [14]. Поскольку на высоких скоростях (V>70 м/мин) резания пластическое деформирование поверхностного слоя невелико [15], а точностные характеристики станка, соответствуют ГОСТу, то его жесткость обеспечивает безвибрационное резание. Следовательно, можно сделать вывод о том, что основными факторами, характеризующими возникновение шероховатости при чистовом точении, будут являться геометрические факторы процесса. В нашем случае геометрия инструмента, оснащенного сплавом КНТ16, оптимизированная на первом этапе исследования, остается постоянной. Изменяется лишь скорость, подача, глубина резания и величина износа по задней поверхности резца.

Обработка экспериментальных данных комплексного исследования, проведенного по плану второго порядка В4, позволила получить математическую модель влияния режимов резания и износа на величину шероховатости:

₍₁₎

_{Одновременно, проведенный парный корреляционный анализ [16] позволил получить уравнения для расчета высотных (RZ, Rmax), шаговых (S, Sm) параметров и tp – относительной опорной длины профиля в зависимости от среднеарифметической висоты микронеровности Ra, мкм и подачи S мм/об. Эти формулы приведены в таблицах 1 и 2. Полученные зависимости могут быть использованы при необходимости в расчетах на износ, контактную жесткость, усталостную прочность, коррозионную стойкость и т. д. [11,17].}

_{Общеизвестно, что степень наклепа и глубина его распределения, как и микротвердость, могут изменяться в зависимости от вида механической обработки, режима резания, геометрии режущего инструмента [14,15]. Интенсивность и глубина распределения наклепа возрастают с увеличением сил резания, что может приводить к снижению магнитных свойств при обработке пермаллоя 50Н. Поэтому, изучение влияния режимов резания и износа инструмента на величину микротвердости и степень наклепа является важной задачей в данном исследовании. Полученная математическая модель определения микротвердости имеет следующий вид:}

₍₂₎

Таблица 1

Определение высотных параметров при точении сплава 50Н резцами из КНТ16.

№ п/п	Параметр	Коэффициент корреляции с шероховатостью Ra	Значимость коэффициента корреляции tрасч./tтабл.	Формула для определения параметра
1	Rz	0,998	110,01/2,01
2	Rmax	0,997	98,18/2,01
3	t10	0,421	3,41/2,01
4	t30	0,645	6,21/2,01
5	t50	0,992	57,38/2,01
6	t70	0,987	44,89/2,01

Таблица 2

Определение шаговых параметров при точении сплава 50Н резцами из КНТ16.

№ п/п	Параметр	Коэффициент корреляции с подачей Sпр.	Значимость коэффициента корреляции tрасч./tтабл.	Формула для определения параметра
1	S	0,552	4,87/2,01
2	Sm	0,826	10,79/2,01

Анализ моделей (1 и 2) позволяет сделать следующие выводы [16]:

1. Максимальное влияние на шероховатость обработанной поверхности оказывают подача, износ инструмента по задней поверхности и скорость резания. Увеличение подачи будет способствовать и увеличению шероховатости обработанной поверхности как геометрический фактор процесса резания. Износ инструмента по задней поверхности несколько снижает ее, т.к. при этом за счет возрастания площади контакта инструмента с обрабатываемой поверхностью происходит не только формообразование, но и выглаживание формируемой поверхности из-за высокой пластичности материала. Скорость резания оказывает меньшее влияние на величину шероховатости, а глубина резания практически на нее не влияет.

2. Анализ зависимости для расчета высотных и шаговых параметров (табл. 1 и 2) позволяет сделать вывод о тесной корреляционной связи между высотными параметрами и среднеарифметической высотой микронеровностей R_a, мкм, а также между шаговыми параметрами и величиной подачи S_пр, мм/об.

3. Результаты исследования влияния режима резания на параметры шероховатости и полученные зависимости показывают, что при чистовом точении сплава 50Н изменением режима резания можно целенаправленно управлять формированием параметров микропрофиля обработанной поверхности в пределах исследуемого диапазона факторов (V, S, t, h_з).

4. На микротвердость поверхностного слоя Н (степень наклепа N%) большее влияние оказывают износ инструмента hз, скорость резания V и глубина резания t. С увеличением скорости резания микротвердость будет возрастать, т.к. будет увеличиваться скорость деформации. Увеличение глубины резания, способствуя увеличению составляющих сил резания, будет увеличивать и микротвердость.

5. Полученные зависимости могут быть использованы при изготовлении изделий с требуемыми эксплуатационными характеристиками в расчетах на износ, контактную жесткость, усталостную прочность и т. д.[11,16]. Так как в существующей области оптимума, где шероховатость поверхности имеет минимальные значения, минимальными будут микротвердость (степень наклепа N,%) и величина падения магнитных свойств.

Список литературы

1. Справочник по электротехническим материалам. (под ред. Корицкого Ю.В., Пасынкова В.В., Тареева Б.М.), т. 3. – М.: Энергия 1976. – 896 с.;

2. Преображенский А.А. Магнитные материалы и элементы. – М.: Высшая школа 1986. – 352 с.;

3. Прецизионные сплавы. Справочник. – М.: Металлургия 1983. – 440 с.

4. Рейнбот Г. Магнитные материалы и их применение. – Л.: Энергия, 1974. – 384 с.;

5. Хек К. Магнитные материалы и их техническое применение. - М.: Энергия 1973. – 303 с.;

6. Вонсовский С.В. Магнетизм М.:Наука,1971. – 1032 с.;

7. Колесов И.М. Основы технологии машиностроения. – М.: Машиностроение. В 2-х. т., 1977.;

8. Технология машиностроения. Под ред. А.М. Дальского. В 2-х. т. – М.: Изд. – во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1998.;

9. Маталин А.А. Технология машиностроения. – Л.: Машиностроение, 1985. – 472 с.;

10. Клепиков В.В., Бодров А.Н. Технология машиностроения. – М.: ФОРУМ. 2008. – 864 с.;

11. Рыжов Э.В., Суслов А.Г., Федоров В.П. Технологическое обеспечение эксплуатационных свойств деталей машин.–М.: Машиностроение, 1979.–176 с.;

12. Демкин Н.Б. Рыжов Э.В. Качество поверхности и контакт деталей машин. – М.: Машиностроение, 1981. – 244 с.;

13. Суслов А.Г., Технологическое обеспечение параметров состояния поверхностного слоя детали М.: Машиностроение, 1987. – 207 с.;

14. Маталин А.А. Качество поверхности и эксплуатационные свойства деталей машин. – М. – Л.:Машгиз, 1956. – 252 с.;

15. Маталин А.А. Технология механической обработки. – Л.: Машиностроение, 1977. – 462 с.;

16. Закс Л. Статистическое оценивание. – М.: Статистика, 1976. – 598 с.

17. Рыжов Э.В. Качество поверхности и контактная жесткость деталей машин. – М.: Машиностроение, 1981. – 244 с.;16. Рыжов Э.В. Качество поверхности и контактная жесткость деталей машин. – М.: Машиностроение, 1981. – 240 с.;