621.941.08
Прогнозирование и измерение параметров микрорельефа поверхности при точении деталей сложного профиля
В. А. ГРЕЧИШНИКОВ, Ю. Е. ПЕТУХОВ, П. М. ПИВКИН, А. В. ИСАЕВ,
С. В. БУШУЕВ, В. Б. РОМАНОВ
Московский государственный технологический университет «СТАНКИН»,
Москва, Россия, e-mail: PMPivkin@gmail.com
Представлена методика прогнозирования параметров микрорельефа поверхности. Результаты подтверждены посредством измерения шероховатости поверхности детали сложного профиля, полученной токарной обработкой
Ключевые слова: металлообработка, шероховатость, режущий инструмент, микрорельеф, длина трассирования.
The procedure for prediction of surface microrelief parameters with its confirmation by means of measuring the surface roughness of an intricate shape detail produced by lathe turning have been considered.
Key words: metalworking, surface roughness, cutting tool, microrelief, tracing length.
Контроль качества поверхности детали с фасонным профилем представляет сложную задачу [1]. Прогнозирование шероховатости поверхности на начальных этапах технологической подготовки производства позволит существенно упростить процесс получения деталей в соответствии с техническими требованиями [2]. В данной статье представлена методика прогнозирования параметров микронеровностей при обработке тел вращения сложного профиля. Выводы, сделанные в [1, 2], позволяют прогнозировать эти параметры на различных участках детали (цилиндрическом, коническом, оформленном по дуге окружности или любой другой кривой) с учетом формы и параметров режущей кромки инструмента без учета деформации инструмента и жесткости станка [3]. С целью подтверждения возможностей методики были проведены эксперименты, включающие изготовление четырех деталей сложного профиля на различных режимах резания с последующим измерением параметров микрорельефа на оборудовании Центра коллективного пользования МГТУ «СТАНКИН».
Неровности поверхности на микроуровне при обработке детали разными частями режущей кромки инструмента различны [4, 5]. В данной статье рассматриваются исключительно случаи обработки инструментом, у которого главный угол Ф в плане превышает вспомогательный угол ф1. Виды формирования микрорельефа при обработке деталей различной формы ограничиваются диапазонами подачи инструмента [6, 7].
Параметр шероховатости Ra при обработке цилиндрической внутренней или наружной поверхности инструментом с нулевым радиусом r при вершине находят по формуле
Ra = S/[2 (ctg ф + ctg Ф1)],
где S — подача, мм/об.
Данную формулу предпочтительно применять при черновой обработке с глубиной резания, существенно превышающей радиус r. Точность прогнозирования параметра Ra
можно повысить применением зависимостей, учитывающих влияние г на условия формирования остаточных неровностей [8]. Условия формирования микрорельефа выражаются неравенствами, ограничивающие диапазоны подачи, в которых формирование остаточных неровностей происходит различными участками режущей кромки [9].
При обработке цилиндрического участка инструментом с гф 0 для прогнозирования Яа используют следующие формулы:
Ra = 0,51 r
-ir
S 2/4
причем, если выполняется условие S < 2r sin9, то формообразование микрорельефа поверхности зависит от r;
Ra = 0,5(r- r sin (y + ф)), где у = a sin [r-1 (S - r/s^) s^], а если выполняется условие 2гетф <S< r (1 -cos^ + ф^^тф, то формообразование связано с главной режущей кромкой и r;
Ra = 0,5[r + (S - r/s^ - r/s^.,) s^ sinф1/sin(ф+ф1)],
при выполнении же условия S > r(1 - cos (ф+ф^^тф формообразование кроме r определяется главной и вспомогательной режущими кромками.
При черновой обработке с большой глубиной резания, значительно превышающей r, прогнозирование Ra в случае токарной обработки конического участка инструментом с r=0 проводят по формуле
Ra = 0,5S/[cosß (ctg^+ß) + ctg (ф^ ± ß))].
Если гф 0, то используются формулы:
Ra = 0,5
r -
12 - S2/ (4 cos2 ß)
причем при условии S < 2г Бт(ф-Р)С0БР формообразование микрорельефа поверхности будет связано с г;
Ra = 0,5(г-г Бт(у+ф-Р)), где у = а Бт^^-г^^ф-р^^ф-р)],
при выполнении же условия
2г Бт(ф-Р) СОБР < S < Г СОБР (1 - СОБ^+ф-^/Б^ф-Р)
формообразование зависит от главной либо вспомогательной режущей кромки и г;
Ra = 2 +
S -
sin^-P) sin(9i +в)
х sin (9-P)sin(91 +P)/sin(9 + 9i)
а если выполняется условие S > г cosP(1-cos(ф+ф1))/sin(ф-P)) формообразование будет происходить в связи с главной, вспомогательной режущими кромками и г.
Условия формирования микрорельефа при обработке конической поверхности определяются конструктивными параметрами детали, а именно, углом р между касательной к обрабатываемой поверхности и осью детали. Угол р считается положительным при обработке детали от большего диаметра к меньшему. Для прогнозирования Ra при обработке детали от меньшего диаметра к большему необходимо в функциональных зависимостях заменить знак угла р на противоположный.
При обработке фасонной поверхности с образующей в виде дуги окружности прогнозирование Ra происходит следующим образом. Фасонную поверхность рассматривают как совокупность конических участков. Так как вдоль профиля угол р изменяется, остаточные неровности в различных точках профиля являются величиной переменной [10]. При этом Ra находят в зависимости от номера шага подачи соответствующего участка. Точку профиля с р=0 принимают за начальную. Если на профиле нет участка с р=0, то начальной считают точку с р=0 на окружности, проведенной через образующую детали. Порядковый номер конического участка, кратного подаче, от начальной точки называют номером шага подачи. Прогнозируемое значение Ra определяют как среднеарифметическоое абсолютных его значений. Значение Ra для различных частей фасонного профиля получают на основании функциональных зависимостей, актуальных для конического участка, в которых постоянный угол р заменяется на кинематический (изменяющийся вдоль профиля):
Рк=arctg
Jr2-(nS)2 -JR2-((n + 1)S)2/s
где R — радиус окружности образующей (или радиус кривизны образующей); п — номер шага подачи от начальной точки, которая является точкой сопряжения окружности (кривой) и прямой, параллельной оси детали ОТ.
Следует отметить, что на основании изменения угла Рк вдоль профиля прогнозирование Ra может происходить с применением сразу нескольких формул для различных час-
Рис. 1. Тело вращения сложного профиля
тей профиля вследствие формирования микрорельефа различными участками режущей кромки инструмента [11]. В этом случае прогнозирование Ra представляется среднеарифметическим параметров шероховатости всех участков профиля.
Актуальность рассматриваемой методики подтверждает пример прогнозирования Ra после механической обработки четырех деталей (рис. 1), в конструкции которых присутствуют поверхности цилиндрическая, коническая и фасонная с образующей в виде дуги окружности [12]. При отсутствии в методике прогнозирования Ra составляющей упругой деформации рабочих органов станка и револьверной головки в эксперименте выбрана конструкция детали, имеющая минимально возможный вылет и, как следствие, минимальную длину участков различной формы [13]. Обработку каждой детали проводили на различных режимах резания, а также с вариацией геометрических параметров инструмента: для первой детали S = 0,08 мм/об, параметры режущего инструмента ф = 57,5°, ф1 = 87,5°, r = 80 мкм; для второй — S = 0,2 мм/об, ф = 57,5°, ф1 = 87,5°, r =80 мкм; для третьей — S = 0,08 мм/об, ф = 42,5°, ф1 = 82,5°, r=40 мкм; для четвертой — S = 0,2 мм/об, ф = 42,5°, ф1 = 82,5°, r =40 мкм.
Расчетные значения по функциональным зависимостям при прогнозировании Ra на участках различной конфигурации сравнивали с результатам и измерений изготовленных деталей [14]. Для измерений профиля использовали про-филограф-профилометр Hommel Tester T8000 с разрешением от 80 нм, относительной погрешностью измерений 5 %, радиусом наконечника щупа 2 мкм. Все измерения проводили в нормальных условиях при температуре 20±1 °С.
С точки зрения метрологии, микрорельеф детали оценивают ее шероховатостью, т. е. совокупностью неровностей поверхности с относительно малыми шагами, на определенной (базовой) длине. При этом базовая длина служит своеобразным фильтром, позволяющим отделять при расчете шероховатости макрогеометрию измеряемой поверхности, отклонения формы и волнистость. Для получения достоверных результато в измерений длина контролируемого участка профиля должна превышать в пять-шесть раз базовую, а к полной длине трассирования следует добавить еще одну
Результаты анализа шероховатости поверхности деталей
Обозначение Параметры шероховатости, мкм, на участках Шероховатость полного профиля, мкм
№ детали параметра шероховатости, мкм A В С D E F Среднее, мкм
3,94 2,24 1,08 1, 48 2,00 2,38 2,19 3,13
1 22,05 9,30 9,08 7,72 8,54 10,18 11,15 44,42
R Rmax 47,03 11,94 12,44 10,91 10,01 12,39 17,45 71,59
R Ra, расч 1,25 — 1,14 1,25 1,33 2,43 — —
Ra 2,69 4,83 4,61 3,96 6,83 4,45 4,56 5,73
13,97 19,98 1 8,55 19,93 26,04 20,84 19,89 53
2 R Rmax 20,19 26,17 1 9,06 22,78 37,63 21,17 24,50 91,94
R Ra, расч 6,5 — 6,3 5,9 9,3 5,8 — —
Ra 1,62 1,4 0,95 1,21 2,2 0,61 1,33 2,15
8,44 5,9 7,89 6,08 10,15 3,67 7,02 35,48
3 R Rmax 8,85 6,4 1 3,05 7,04 11,91 5,18 8,74 66,37
R Ra, расч 0,89 — 0,71 0,88 0,91 0,63 — —
Ra 1,93 2,26 1,99 2,19 2,07 2,13 2,10 3,19
10,5 11,12 8,1 10,33 8,65 11,22 9,99 35,86
4 R Rmax 11,43 11,75 8,2 11,5 9,69 11,82 10,73 70,41
R Ra, расч 5,6 — 7,2 5,6 11,0 6,1 — —
базовую длину, необходимую для выхода измерительной установки на нужный режим при разгоне и торможении подвижного чувствительного элемента. Кроме того, выбор базовой длины жестко связан с измеряемыми параметрами шероховатости. Так, для Ra=3,2 мкм длина трассирования будет составлять 15 мм. Столь длинные участки встречаются далеко не на всех деталях, что приводит к существенной неоднозначности и низкой повторяемости результатов измерений при оценке качества обработки одних и тех же участков.
Микронеровности поверхности детали со сложным профилем при длине трассирования, не превышающей пять базо
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.