employee
Omsk, Omsk, Russian Federation
UDK 621.95.01 Основы сверления, влияющие факторы и т.д.
UDK 621.9.015 Качество, чистота поверхности
BBK 345 Общая технология машиностроения. Обработка металлов
The rational choice of cooling mixtures (coolant) is a complex technological task. Currently, world industries produce a wide range of such substances. At the same time, manufacturers' recommendations on their use are of a general nature, which makes it difficult to choose them for specific cases. One of the criteria for choosing a coolant is the roughness of the formed surface, especially during constrained cutting, in particular during drilling. Therefore, studies of the influence of cooling mixture on the roughness of the hole surface during drilling are relevant. The task to which the paper is devoted is to find out the dependence of the roughness of the hole surface obtained when drilling workpieces of low-alloy steel on the properties of the coolant used. To achieve this aim, experimental studies were conducted. As a result of laboratory tests of coolants, their lubricating properties and density were determined. The evaluation of the obtained roughness dependencies during drilling on the properties of coolant allowed us to define a formula for determining the predicted surface quality. It is found out that the determinant property of the coolant is its lubricating action, and the parameter for its evaluation is friction factor. The calculation formula makes it possible to predict the roughness of the hole surface when drilling low-alloy steels with an error of 11.8%. The method of coolants testing and determination of their effectiveness by the roughness parameter Raavg is presented.
cooling mixture (coolant), drilling, roughness
Введение
Сверление является самым распространенным способом получения отверстий. Однако, данный вид обработки обладает определенными недостатками:
- затруднен отвод стружки (особенно при обработке глубоких отверстий);
- высокие температуры в зоне резания;
- затруднена подача СОЖ в зону резания.
Несмотря на то, что влияние приведенных факторов возможно снизить за счет применения рациональной стратегии обработки с выводом стружки и применения сверл с подачей СОЖ через каналы в инструменте, в большинстве случаев для получения требуемой шероховатости прибегают к дополнительным операциям. Особенно острой является проблема обеспечения качественной поверхности глубоких отверстий. Традиционно для получения шероховатости поверхности отверстий меньшей, чем Ra 1,25 мкм, дополнительно применяют зенкерование, развертывание или шлифование.
Исследователями установлено, что на качество поверхности получаемых отверстий в основном влияют следующие факторы:
- характеристики режущего инструмента [1,2,3];
- применяемые режимы резания [1,2,3,4];
- жесткость станочного оборудования и возникающие при обработке вибрации [4].
Одним из возможных решений представленной проблемы является применение эффективных СОЖ, так как доказано, что разные СОЖ влияют на процесс резания по-разному, а значит, позволяют получить и различную шероховатость [4,5,6,7]. Следовательно, исследования влияния СОЖ на шероховатость поверхности отверстия при сверлении являются актуальными.
Материалы, модели, эксперименты и методы
Определение влияния СОЖ на шероховатость поверхности полученных при сверлении отверстий возможно только при станочных испытаниях. Однако, станочные испытания требуют применения самого станка, который при этом простаивает, применения режущего инструмента и заготовок, которые расходуются не по своему прямому назначению, а также больших затрат времени. Поэтому для устранения перечисленных недостатков необходимо разработать такую методику, которая позволила бы по результатам лабораторных испытаний прогнозировать эффективность СОЖ при их применении в процессе резания на станке.
Таким образом, в данной работе необходимо провести и станочные, и лабораторные испытания. По полученным результатам следует установить зависимость шероховатости от показателей эффективности СОЖ, измеряемых при лабораторных испытаниях. В результате будет разработана методика прогнозирования шероховатости поверхности для исследованных условий сверления по измеренным показателям эффективности СОЖ.
Станочные испытания
Исследование влияния СОЖ на шероховатость при сверлении проводились на координатно-расточном станке модели 2431СФ10 с ЧПУ МАЯК-610. Наладка на операцию представлена на рис. 1.
Рис. 1. Наладка на сверлильную
операцию на станке 2431СФ10
Fig. 1. Adjustment for drilling
operation on the machine 2431SF10
В качестве материала-представителя низколегированных сталей для обрабатываемой заготовки был принята сталь 38ХН3МФА. При проведении испытаний применялось твердосплавное сверло GUHRING 516 диаметром 10 мм. Режимы обработки, определявшиеся по рекомендациям каталогов, для всех опытов использовались следующие: частота вращения n=1000 об/мин (скорость резания V=31,42 м/мин), подача S=0,05 мм/об.
Испытания проводились с применением 5% растворов водных СОЖ различных марок, которые были пронумерованы: СОЖ №1, СОЖ №2, СОЖ №3, СОЖ №4.
Подача СОЖ в зону резания производилась методом распыления, что обеспечивало минимальное и достаточное количество для реализации всех функциональных действий.
Измерения шероховатости поверхности каждого полученного отверстия производились 10 раз, после чего отбрасывались ошибочные значения и рассчитывалось среднее. При этом применялся портативный профилометр MarSurf PS1.
Лабораторные испытания
Одним из важных физических свойств СОЖ, определяющих их эксплуатационные свойства, является их плотность.
К функциональным действиям СОЖ, которые они проявляют при резании, согласно принятой теории, относятся смазочное, охлаждающее, моющее диспергирующее (в основе которого лежит эффект П.А. Ребиндера) и демпфирующее.
Основные функциональные действия СОЖ – смазочное и охлаждающее. Из данных действий на характер получаемой поверхности в большей степени влияет смазочное, так как именно оно определяет коэффициент трения между трущимися поверхностями и адгезионное взаимодействие между материалами инструмента и обрабатываемой заготовки.
Поэтому в лабораторных исследованиях данной работы было решено установить плотности применяемых растворов СОЖ и их смазочное действие.
Измерение плотностей СОЖ. Экспериментальная оценка плотностей испытываемых растворов СОЖ производилась с помощью весов AND DL-200 с дискретностью 0,001 г. Внешний вид применявшихся весов представлен на рис. 2.
При испытаниях каждая СОЖ заливалась в мерную емкость объемом 120 мл. Емкость с СОЖ устанавливалась на весы и выдерживалась 30 секунд для устранения влияния колебаний. После того как величина массы прекращала колебаться, ее значение записывалось в таблицу. Затем рассчитывались значения плотности каждой марки СОЖ по следующей формуле:
, (1)
где m – масса СОЖ, кг; V – объем СОЖ, м3.
Рис. 2. Весы AND DL-200
Fig. 2. Scales AND DL-200
Оценка смазочного действия СОЖ. Исследования смазочного действия СОЖ выполнялись на машине трения ИИ5018.
Испытания проводились по схеме «колодка-ролик», представленной на рис. 3.
Рис. 3. Схема определения коэффициента
трения на машине трения ИИ5018:
1 – ролик; 2 – колодка; 3 – СОЖ
Fig. 3. Scheme for determining the
coefficient of friction on the friction machine
II5018: 1 – roller; 2 – pad; 3 – cutting fluid
Принцип действия машины заключается в истирании пары образцов, прижатых друг к другу с силой Р. В процессе трения на ролике (диске) измеряется момент трения, который пересчитывается в действительный коэффициент трения по формуле:
, (2)
где М – момент трения, Н·м; Р – прикладываемая нагрузка, Н; D – диаметр ролика, мм.
Испытательная камера (рис. 4) служит для выполнения экспериментов с образцами в жидкой среде. Испытания проводились следующим образом. Ролик устанавливался на валу через втулку 2 (рис. 4) и фиксировался гайкой. На вал каретки 3 перед установкой верхнего образца крепилась крышка 6. На неподвижном валу каретки устанавливался образец «колодка» в держателе и фиксировался гайкой. Каретка сдвигалась в левое положение, плавно опускалась до соприкосновения образцов, фиксировалась и крепилась крышка камеры 6 струбцинами 5, после чего через отверстие в верхней части камеры заливалась испытываемая СОЖ до уровня 1-1 так, чтобы ролик был погружен в СОЖ на глубину его радиуса. Уровень СОЖ контролировался через окно 4. При этом контакт колодки и ролика происходил в средней части колодки. Затем включалось вращение ролика, и колодка прижималась к ролику посредством механизма нагружения 7 с силой Р, которая контролировалась с помощью указателя усилия, расположенного на приборной стойке. После этого определялись максимальное и минимальное значения момента трения. По имеющимся данным рассчитывался средний коэффициент трения.
Перед каждым экспериментом образцы и испытательную камеру очищались этиловым спиртом, ГОСТ 18300-87.
Определение среднего коэффициента трения µ производилось при условиях, близких к условиям станочных испытаний. Сила давления на колодку Р=1000 Н, частота вращения ролика n=250 об/мин (при испытаниях на ролике из сплава 38ХН3МФА). Диаметр ролика составлял 40 мм.
а) б)
Рис. 4. Испытательная камера: 1 – испытательная камера; 2 – ролик; 3 – каретка;
4 – смотровое окно; 5 – струбцина; 6 – крышка; 7 – механизм нагружения
Fig. 4. Test chamber: 1 – test chamber; 2 – roller; 3 – carriage; 4 – viewing window;
5 – clamp; 6 – cover; 7 – loading mechanism
Результаты
Результаты станочных и лабораторных испытаний представлены в таблицах 1–3. Поскольку шероховатость определяется по результатам 10 измерений, для данного показателя также были рассчитаны величины отклонений от среднего значения, которые приведены в таблице 1.
Таблица 1
Шероховатости поверхностей отверстий, полученные с различными СОЖ
Table 1
The roughness of the holes surfaces obtained with various cutting fluids
|
Марка СОЖ |
Raср, мкм |
Отклонение от Raср, мкм |
Отклонение от Raср, % |
|
СОЖ №1 |
0,27 |
0,09 |
33,33 |
|
СОЖ №2 |
0,515 |
0,265 |
51,46 |
|
СОЖ №3 |
0,445 |
0,155 |
34,83 |
|
СОЖ №4 |
0,36 |
0,14 |
38,89 |
Таблица 2
Плотности 5% растворов СОЖ
Table 2
The densities of 5% cutting fluids solutions
|
Марка СОЖ |
ρ, кг/м3 |
|
СОЖ №1 |
945,29 |
|
СОЖ №2 |
953,43 |
|
СОЖ №3 |
940,36 |
|
СОЖ №4 |
945,14 |
Таблица 3
Коэффициенты трения, полученные
с различными СОЖ
Table 3
The friction coefficients obtained
with various cutting fluids
|
Марка СОЖ |
µ |
|
СОЖ №1 |
0,09 |
|
СОЖ №2 |
0,082 |
|
СОЖ №3 |
0,119 |
|
СОЖ №4 |
0,119 |
С целью определения зависимости получаемой шероховатости от установленных в лабораторных условиях параметров и дальнейшей разработки методики прогнозирования были построены графики, которые бы аппроксимированы, и выведены эмпирические формулы. Выведение физических формул является затруднительным в силу большого количества параметров, влияющих на процесс резания.
Были установлены три зависимости шероховатости: от плотности СОЖ, от коэффициента трения с применением СОЖ при испытаниях на машине трения, а также от двух этих параметров одновременно.
Подстановка в полученные формулы значений переменных позволила установить, что наибольшую точность расчета дает формула зависимости шероховатости от коэффициента трения, поэтому она и была принята для разработки методики выбора СОЖ. Данная формула имеет следующий вид:
Raср = 951,1883µ2 – 194,2294µ + 10,0460. (3)
В результате подстановки значений коэффициента трения в формулу (3) было установлено, что отклонение результатов от экспериментальных данных не превышает 11,8%. Это меньше отклонений, полученных при измерениях шероховатости, которые, согласно таблице 1, составляют от 33,33 до 51,46%.
Заключение
Исследования показали, что основной характеристикой СОЖ, влияющей на шероховатость поверхности при сверлении является коэффициент трения. Это позволяет рекомендовать следующую методику по рациональному выбору СОЖ:
- Исследуемую СОЖ испытать на машине трения по методике, приведенной выше (или аналогичной);
- Рассчитать коэффициент трения µ;
- Рассчитать прогнозируемую шероховатость Raср, мкм, подставив полученное значение коэффициента трения µ в формулу (3);
- Если прогнозируемая шероховатость соответствует требованиям чертежа детали, применение данной СОЖ целесообразно.
Отклонение результатов расчетов по установленной эмпирической зависимости от экспериментальных данных не превышает 11,8%, что соответствует требованиям.
Следует отметить, что получаемые значения будут адекватны для сверления твердосплавным сверлом заготовки из стали 38ХН3МФА (или ее заменителей с близкими физическими свойствами) с представленными в статье режимами: скорость резания V=31,42 м/мин, подача S=0,05 мм/об. Получение зависимостей для других условий является предметом дальнейших исследований.
1. Gimadeev MR, Davidov VM. Nikitenko AV, Stelmakov VA. Obtaining the specified roughness parameters when drilling and milling cylindrical holes. Scholarly Notes of Komsomolsk-on-Amur State Technical University. 2016;1(1(25)):66-72.
2. Gimadeev MR. Obtaining roughness parameters during drilling and milling of cylindrical holes. In: Shelenok EA, editor. Information technologies of the XXI century: Collection of scientific papers. Khabarovsk: Pacific State University; 2016. p. 358-364.
3. Gimadeev MR. Ensuring the specified roughness parameters when drilling and milling cylindrical holes. In: Gulyaev GYu, editor. Fundamental foundations of innovative development of science and education. Penza: Nauka I Prosveshchenie; 2018. p. 150-161.
4. Savilov AV, Pyatykh AS. The effect of vibrations on the accuracy and quality of the surface of holes during drilling. Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2013;12(83):103-111.
5. Umerov ED. Tribotechnological efficiency of oil coolants with montmorillonite additive during drilling of titanium alloy. Journal of Modern Technologies. 2017;3(7):56-61.
6. Marshalov MS, Latyshev VN, Novikov VV. Study of the influence of coolants with liquid additives on drilling and development. Metallobrabotka. 2011;6(66):7-10.
7. Stepanova TYu, Poletaev VA, Vedernikova II. Patent No. 2708084 C1 Russian Federation, IPC C10M 169/06, C10M 101/04, C10M 129/08. Lubricating and cooling technological means for mechanical treatment of metals. 2019 Dec 04.
