Сетевое издание

Современные проблемы науки и образования

ISSN 2070-7428

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,006

• Авторы
• Резюме
• Файлы
• Ключевые слова
• Литература

Залеснов А.И. 1

---

1 Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых

В данной статье рассматривается комплексное экспериментальное исследование определения составляющих сил резания (Px, Py, Pz) при точении композиционных материалов упрочненных дисперсными частицами SiC, с применением разработанного автором стенда состоящего из трех компонентного динамометра подключаемого к лабораторному комплексу LabView, который осуществляет динамический контроль и запись данных, с датчиков измерительного устройства. В ходе работы был создан виртуальный прибор с удобным интерфейсом для осуществления его управления. Измерительный стенд позволяет автоматически регистрировать данные получаемые с датчиков в режиме реального времени. В ходе экспериментального исследования установлены зависимости между режимными параметрами точения композиционных материалов упрочненных дисперсными частицами: скоростью резания, подачей на оборот и глубиной резания, а также размера и процентного содержания наполнителя данных материалов относительно силовых характеристик обработки. В результате проделанной работы была построена эмпирическая математическая модель для определения составляющих сил резания при точении композиционных материалов алмазным инструментом.

Статья в формате PDF

632 KB

динамометр

алмазный инструмент

композиционные материалы

1. Васин С.А., Верещака А.С., Кушнер В.С. Резание материалов: термомеханический подход к системе взаимодействия при резании : учеб. для тех. вузов. - М. : Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001. - 448 с.

2. Залеснов А.И., Петухов Е.Н. Износ режущих инструментов из сверхтвердых синтетических материалов при точении алюмоматричных композиционных материалов, упрочненных дисперсными частицами Al2O3 и SiC // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. - 2007. - № 4/2 (288). - С. 51-55.

3. Панфилов А.А. [и др.] Новые алюмоматричные композиционные материалы, изготовленные в процессе in-situ // Тр. междунар. конф. «Теория и практика технологий производства изделий из композиционных материалов и новых металлических сплавов (ТПКММ)» 27-30 августа 2003. - М. : Знание, 2004. - С. 136-140.

4. Спиридонов А.А. Планирование эксперимента при исследовании технологических процессов. - М. : Машиностроение, 1981. - 184 с.

5. Чернышова Т.А. [и др.] Дисперсно-наполненные композиционные материалы для пар трения скольжения // Конструкции из КМ. - 2007. - № 3. - С. 38-48.

6. Fathipour M., Zoghipour P., Tarighi J., Yousefi R. Investigation of reinforced sic particles percentage on machining force of metal matrix composite. - Modern Applied Science. - 2012. - Vol. 6. - № 8. - Р. 9-20.

7. Shetty R., Pai R., Rao S.S. Reinforced aluminium composites under dry, oil water emulsion and steam lubricated conditions using TAGUCHI's technique. G.U. // Journal of Science. - 2009. - Vol 22 (1). - P. 21-32.

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 = 5^о, заднимa = 5^о, 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 = 91^о, γ = 0^о, a = 7^о 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 Р_z, Р_у и Р_х 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 = 45^о, j₁ = 15^о,γ = -5^о, a = 7^о 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 P_x,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

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).

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.

Библиографическая ссылка