Scientific journal
Modern problems of science and education
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,940

EXPERIMENTAL STUDY OF THE TREATMENT REGIME, THE SIZE AND THE PERCENTAGE OF REINFORCING PARTICLES ON COMPONENT CUTTING FORCES IN TURNING COMPOSITES METAL MATRIX

Zalesnov A.I. 1
1 Vladimir State University named after Alexander and Nikolay Stoletovs
This article describes a comprehensive experimental study of determining the components of the cutting forces (Px, Py, Pz) for turning composites reinforced with fine particles of SiC, developed by the author with the use of the stand of the three-component dynamometer connected to the laboratory complex LabView, which provides dynamic control and data logging with sensors measuring device. The work was created by a virtual device with a friendly interface for its management. Measuring stand allows you to automatically record data received from the sensors in real time. In the pilot study established the relationship between operational parameters turning composites reinforced with dispersed particles: the cutting speed, feed per revolution and a depth of cut, and the amount and percentage of the aggregate of these materials with respect to the power handling characteristics. As a result of this work was built empirical mathematical model for determining the components of the cutting forces in turning composite diamond tool.
dynamometer
diamond tools
composite materials
Алюмоматричные композиционные материалы - это новый класс конструкционных материалов, отличающийся от традиционных металлов и сплавов комплексом более высоких механических и эксплуатационных свойств для трибосоединений [3; 5]. Их получают литьем в кокиль, прессованием по технологии порошковой металлургии. Для получения готовых изделий они должны подвергаться дополнительной механической обработке. Этот процесс недостаточно изучен и требует дополнительных исследований физических процессов, протекающих в зоне резания. Данное исследование посвящено одному из таких процессов, который является одним из основных для определения режимных параметров обработки. Зная силы, действующие в процессе резания, можно рассчитать деформационные процессы в зоне формообразования, выбрать режущий инструмент и приспособления, определить мощность, затрачиваемую на резание, а также осуществлять рациональную эксплуатацию станка, инструмента и приспособлений [1].

В отечественных источниках отсутствуют систематические данные по обработке данного класса материалов, но имеются многочисленные публикации в зарубежных источниках. Например, в [6] изучено влияние режимных параметров на силу резания для чистовой и получистовой обработки алюминиевого композиционного материала с содержанием армирующего элементаSiC 5, 15, 20% и зернистостью 18-20 мкм. Режущий инструмент из карбида титана с геометрическими параметрами: передним углам γ = 5о, заднимa = 5о, радиусом скругления вершины r= 0,06 мм. При увеличении скорости резания v = 20-80 м/мин, с глубиной резания t = 0,8 мм и подачей s = 0,08 мм/об составляющая силы резания Pz = 300 - 125 Н, т.е. снижалась более чем в 2 раза. С увеличением подачи s = 0,08 - 0,32 мм/об при v =60 m/min, t= 0,8 мм, Pz возросла в два раза: от 160 до 320 Н.

Точение композитов на алюминиевой основе с 15%-ным содержанием SiC зернистостью 25 мкм алмазным инструментом с геометрическими параметрами: главным углом в плане j = 91о, γ = 0о, a = 7о и r = 0,4 мм показало, что также уменьшение силы Pz с увеличением скорости v = 45-101 м/мин, Pz = 120-105 Н при t = 0,5 мм, s = 0,11 мм/об при использовании в качестве СОТС водно-масляной эмульсии [7]. Аналогично изменение Pz при s = 0,25 мм/об - Pz = 130-120 Н.

Приведенные параметры обработки не соответствуют чистовым режимам, которые наиболее часто применяются при изготовлении деталей триботехники из металломатричных композиционных материалов, а также их состава. Это позволило выявить направление исследований, которые наиболее близко соответствуют реальным операциям механической обработки данного класса материалов.

В процессе резания на величину Рz, Ру и Рх влияют следующие факторы: обрабатываемый металл, глубина резания, подача, передний угол резца, главный угол резца в плане, радиус скругления режущей кромки резца, смазочно-охлаждающие жидкости, скорость резания и износ резца. В данной работе рассматривается влияние глубины резания t, подачи s и скорости резания v, а также состава наполнителя SiC от 5 до 10%, зернистостью 0,04 до 40 мкм. Исследования производилось на токарном станке с ЧПУ мод. HAASSL10, с бесступенчатым регулированием частот вращения шпинделя и подачи при продольном точении. В качестве режущего инструмента применялись сменные вставки на основе поликристаллического алмаза АСПК-2 ТУ2-037-98-84 с геометрическими параметрами: j = 45о, j1 = 15о,γ = -5о, a = 7о и r = 0,5 мм [2]. Охлаждение осуществлялось поливом масляно-водной эмульсией «Blasocut 2000», рекомендованной производителем станка.

Силы резания в исследовании измерялись с помощью экспериментальной установки, которая представлена на рис. 1, которая позволяет динамически отслеживать и фиксировать изменения силовых параметров процесса резания конструкционных материалов. Она состоит из следующих компонентов:

  • динамометр, позволяющий измерять составляющие силы резания, в который входят: корпус, крышка, винты и датчики, преобразующие физическое явление в измеряемый сигнал (датчик усилия FSG15N1A фирмы Honeywell, позволяет измерять усилие до 45 Н);
  • устройство сбора данных (УСД) National Instruments USB-6009, оно присоединяется к компьютеру посредством интерфейса full-speed USB и содержит восемь каналов ввода аналоговых сигналов (AI), два канала генерации аналоговых сигналов (AO), 12 каналов цифрового ввода/вывода (DIO) и 32-разрядный счетчик;
  • персональный компьютер с установленным программным обеспечением LabVIEW фирмы National Instruments (США), в котором был создан виртуальный прибор.

Рис. 1. Общий вид стенда для измерения сил резания.

На рис. 2 приведена блок-диаграмма виртуального прибора по измерению температуры, разработанного автором для проведения эксперимента.

Виртуальный прибор рис. 2 состоит из пяти основных элементов, снабженных клавишами управления и объединенными в цикл.

Основные элементы (1-5) были выбраны из базы стандартных элементов LabVIEW. После выбора элемента выполнена его настройка. Так, например, для элемента ввода сигнала с УСД, сконфигурированного с помощью функции DAQ Assistant, задавали следующую информацию: количество каналов сбора сигнала, тип датчика, масштабирующие коэффициенты, диапазон изменения регистрируемого сигнала и частоту опроса датчиков. При использовании элементов NI-DAQmx редактировать конфигурационные параметры можно без изменения блок-диаграммы.

Показания датчиков FSG15N1A тарировались непосредственно на оборудовании путем сравнения пересчитанной через мощность силы, которую позволяет отследить технологическое оборудование.

Рис. 2. Блок-диаграмма виртуального прибора по измерению силы резания:

1) элемент ввода сигнала с УСД; 2) элемент масштабирования сигнала; 3)элемент обработки данных; 4) элемент записи в файл;5) элемент графического вывода полученных данных.

При реализации многофакторного эксперимента [4] учитывались следующие факторы, действующие на параметры оптимизации: скорость резания v варьировалась в интервале от 100 до 300 м/мин; подача на оборот s от 0,01 до 0,05 мм/об;  глубина резания t от 0,1 до 0,5 мм. Данные приняты на основе стойкостных испытаний, проводимых при обработке композиционных материалов [2]. Состав наполнителя d варьировался от 0,04 до 40 мкм, с их процентным содержанием P от 5 до 10%. В качестве параметров оптимизации использовались Px,y,z - осевая, радиальная и тангенциальная составляющие силы резания.

Рассматривается задача построения линейной регрессионной модели по результатам экспериментально затабулированной функциональной зависимости, описывающей износ инструмента в процессе резания:

 (1)

где v - скорость резания (м/мин); s - подача на оборот (мм/об); t - глубина резания (мм); d - размер наполнителя композиционного материала (мкм); P - процентное содержание наполнителя композиционного материала.

Считаем, что функциональная связь выражается уравнением:

   (2)

которое после логарифмирования и преобразования можно записать в виде:

   (3)

где - параметр оптимизации по наблюдениям в логарифмическом масштабе; , ;  ;  ; ; - факторы.

В качестве плана проведения исследования был принят полнофакторный эксперимент типа 25, что позволило одновременно исследовать процесс зависимости составляющих сил резания от 5 факторов.

Обработка результатов экспериментальных данных осуществлялась в среде Mathcad 14.0, с получением следующего уравнения регрессии:

С помощью метода наименьших квадратов получены следующие коэффициенты регрессии (табл. 1).

Таблица 1 - Коэффициенты регрессии

p0z

p1z

p2z

p3z

p4z

p5z

P12z

P13z

3,52223

-0,0309

0,66559

1,00018

0,009542

0,13665

-0,000145

0,000512

P23z

P14z

P24z

P34z

P15z

P25z

P35z

P45z

-0,000114

0,001479

-0,000498

-0,000542

-0,02999

-0,004401

0,006066

0,00476

P123z

P124z

P134z

P234z

P125z

P135z

P235z

P145z

0,000632

0,000162

-0,00037

-0,00136

-0,00672

0,00883

0,00377

-0,00164

P245z

P345z

P1234z

P1235z

P1245z

P1345z

P2345z

P12345z

0,000016

0,000057

0,00032

0,005938

0,000242

0,002552

-0,00144

0,001716

p0x

p1x

p2x

p3x

p4x

p5x

P12x

P13x

3.0915

0.07004

0.66562

1.00028

0.00958

0.136

-0.00175

-0.00197

P23x

P14x

P24x

P34x

P15x

P25x

P35x

P45x

0.00069

-0.00121

-0.00073

-0.00062

-0.02911

-0.00547

0.00353

0.00823

P123x

P124x

P134x

P234x

P125x

P135x

P235x

P145x

-0.00025

0.0000313

0.00043

-0.0011

-0.00957

0.0086

0.00049

0.00195

P245x

P345x

P1234x

P1235x

P1245x

P1345x

P2345x

P12345x

0.00131

0.00158

-0.00032

0.00207

0.00083

0.00397

-0.00004

0.00042

p0y

p1y

p2y

p3y

p4y

p5y

P12y

P13y

1,78171

0,03118

0,34302

0,99895

0,00853

0,1375

0,03887

0,00003

P23y

P14y

P24y

P34y

P15y

P25y

P35y

P45y

0,01375

-0,00274

0,00209

0,00605

-0,03008

0,02583

0,01494

0,00443

P123y

P124y

P134y

P234y

P125y

P135y

P235y

P145y

0,02731

0,00364

0,00262

0,00256

0,03535

0,03118

0,02143

-0,00353

P245y

P345y

P1234y

P1235y

P1245y

P1345y

P2345y

P12345y

0,00224

0,01621

-0,0007

-0,00985

0,00139

0,00286

0,00444

-0,00302

В результате обработки экспериментальных данных построены графики зависимости составляющих сил резания от размера и процентного содержания наполнителя материала, а также при замораживании факторов на максимальном, среднем и минимальном уровнях скорости резания, подачи на оборот, глубины резания (рис. 3, 4 и 5).

а)

б)

Рис. 3. Влияние размера наполнителя d и его долевого содержания на составляющую силы резания Pz:

а) v=300 м/мин, s=0,05 и t=0,5 мм; б) v=200 м/мин, s=0,03 и t=0,3 мм; в) v=100 м/мин, s=0,01 и t=0,1 мм.

в)

а)

б)

 

Рис. 4. Влияние размера наполнителя d и его долевого содержания на составляющую силы резания Px:

а) v=300 м/мин, s=0,05 и t=0,5 мм; б) v=200 м/мин, s=0,03 и t=0,3 мм; в) v=100 м/мин, s=0,01 и t=0,1 мм.

в)

а)

б)

 

Рис. 5. Влияние размера наполнителя d и его долевого содержания на составляющую силы резания Py:

а) v=300 м/мин, s=0,05 и t=0,5 мм; б) v=200 м/мин, s=0,03 и t=0,3 мм; в) v=100 м/мин, s=0,01 и t=0,1 мм.

в)

Выводы

На основании проведенных экспериментальных исследований можно констатировать, что наиболее влияющим фактором на составляющие силы резания является глубина резания t, при её изменении от 0,1 до 0,5 мм, силы в среднем возрастают в 5-6 раз. Не менее важным режимным параметром является подача на оборот s, повышающая силы резания в 3 раза на используемых режимах. Менее значимым фактором является скорость резания v, при изменении скорости от 100 до 300 м/мин и варьировании параметрами s и t, осевая сила Px изменяется не более чем на 10%, а изменение радиальной Py и тангенциальной Pz составляющих не превышают 5%. Как показало исследование, размер и процентное содержание наполнителя с их увеличением изменяет силы в большую сторону не более чем на 15%.

Рецензенты

  • Гоц А.Н., д.т.н., профессор кафедры тепловых двигателей и энергетических установок ФГБОУ ВПО «Владимирский государственный университет имени А.Г. и Н.Г. Столетовых», г. Владимир.
  • Кульчицкий А.Р., д.т.н., профессор, заместитель главного конструктора по испытаниям ООО «Владимирский моторо-тракторный завод», г. Владимир.