Содержание работы

Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертации. Изложено содержание работы по главам с кратким описанием полученных результатов.

В первой главе приведен анализ отечественных и зарубежных литературных источников по проблемам разработки технологического процесса пластического сверления и инструмента для его реализации. Анализ литературных источников по проблеме разработки инструмента для пластического сверления показал, что рекомендуемым материалом для изготовления инструмента являются спеченные твердые сплавы. Это приводит к удорожанию инструмента, повышению сложности его изготовления. Применение такого инструмента необходимо при сверлении отверстий в стальных деталях, в то же время при формировании отверстий в легкоплавких материалах (алюминиевых и медных сплавах) использование такого инструмента экономически не оправдано. К недостаткам твердосплавного инструмента относится также высокая хрупкость, что делает его «уязвимым» для ударов и вибраций. Показано, что одним из путей совершенствования инструмента для пластического сверления заключается в применении более дешевых конструкционных материалов с нанесением на рабочие поверхности функциональных покрытий. Это требует проведения дополнительных исследований, касающихся выбора материалов основы и покрытия для изготовления пуансонов, а также оценки влияния геометрии инструмента на качество получаемых отверстий и технологические режимы обработки. Проблема усложняется тем, что в настоящее время в отечественной промышленности и стандартах не предусмотрены методы и стенды для проведения научных исследований, касающихся технологического процесса пластического сверления. В заключение первой главы сформулированы цель и задачи исследований.

Во второй главе описаны стандартные методики и оборудование, использованные в работе для проведения экспериментальных исследований технологического процесса пластического сверления и анализа качества получаемых отверстий. Представлены результаты разработки экспериментальной установки и методики, позволяющих исследовать технологические режимы пластического сверления с возможностью одновременной регистрации осевой нагрузки, момента трения, осевого перемещения и температуры в области деформации.

В третьей главе приводятся результаты разработки и исследования нового инструмента для пластического сверления легкоплавких материалов, отличающегося дешевизной и простотой изготовления.

Сформулированы требования к инструменту для пластического сверления.

1. Способность сохранять прочностные свойства (красностойкость) при нагреве до 600…650С. При этом материал должен обладать достаточным запасом пластичности, чтобы не разрушаться от ударов и вибраций.

2. Материал должен иметь низкую теплопроводность, чтобы генерируемое при трении тепло в большей степени производило работу пластического сверления, а не отводилось в шпиндель станка.

3. Инструмент должен быть простым и экономичным в изготовлении, хранении и эксплуатации.

4. Поверхность должна иметь малую адгезию к обрабатываемому материалу и обладать высокой стойкостью к коррозии, термостойкостью и износостойкостью.

Вышеописанные требования трудно обеспечить, при использовании одного материала. В таком случае наиболее рациональным решением будет использовать два материала – основного и функционального покрытия.

Исходя из анализа свойств конструкционных материалов, применяемых для изготовления металлообрабатывающего инструмента, в качестве материала основы предложено использовать быстрорежущие стали марок Р18, Р9, Р6М5 и др. Эти стали отличаются высокой красностойкостью, низкой теплопроводностью и достаточно высоким по сравнению с твердыми сплавами запас пластичности.

На основе сравнительных триботехнических испытаний перспективных износостойких покрытий (хром-алмазных и твердосплавных) сделан выбор в пользу твердосплавных покрытий, нанесенных детонационным методом. Достоинством данного метода являются: хорошая адгезия к обрабатываемым поверхностям и создание на них благоприятных (сжимающих) остаточных напряжений, высокая плотность и равномерность покрытий, отсутствие сильного разогрева детали (как правило, температура не превышает 150С), высокая производительность обработки, возможность нанесения широкого круга покрытий без смены технологического оснащения, автоматизированное управление пушкой и манипулятором.

Проведены исследования влияния технологических режимов нанесения твердосплавного покрытия на его структуру и износостойкость (рис. 1). Установлено, что наиболее качественное покрытие получается при коэффициенте заполнения ствола детонирующей ацетилен-кислородной смесью 60%.

а б

Рис. 1. Микроструктура детонационных покрытий ВК12

при коэффициенте заполнения ствола газовой смесью 49% (а) и 60% (б)

(травление 40с в растворе плавиковой и азотной кислот (50/50%),

На основе рекомендуемых режимов нанесения твердосплавных покрытий был изготовлен ряд инструментов (рис. 2)для пластического сверления, с целью изучения влияния их геометрии на технологические режимы пластического сверления (рис. 3). Установлено, что с увеличением угла расширяющей части пуансона и ростом радиуса закругления вершины наблюдается увеличение длительности обработки, повышение температуры детали в процессе сверления и уменьшение момента трения.

Рис. 2. Новый инструмент для пластического сверления

а б

Рис. 3. Режимы пластического сверления при угле 50,

нагрузке 30 кгс и радиусе закругления вершины 0,3 мм (а) и 0,03 мм (б).

В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований по оценке эффективности новой технологии пластического сверления.

Показано (рис.4), что пластическое сверление позволяет получать отверстия с шероховатостью (R_a0,4) в 3…5 раз меньшей, чем при формировании отверстий при помощи сверл. Причем указанная чистота формируется только в области действия калибрующей части инструмента. В зоне контакта обрабатываемого материала с расширяющей частью пуансона шероховатость является значительной R_z>10, что проявляется вследствие интенсивного пластического течения материала под пуансоном.

Из полученных результатов сделаны два вывода.

1. Калибрующая часть пуансона, ответственная за чистоту получаемого отверстия, должна иметь шероховатость, по крайней мере, не большую, чем требуется для готового отверстия.

2. Расширяющую часть пуансона, напротив, можно делать существенно более грубой. Кроме того, это целесообразно из тех соображений, что шероховатая поверхность при трении способна генерировать больше тепловой энергии.

Рис. 4. Профилограмма и параметры шероховатости поверхности отверстия, сформированного методом пластического сверления

Исследование макроструктуры показало наличие в области деформации линий течения материала (рис. 5). Полученная картина указывает на то, что при пластическом сверлении в обрабатываемом материале формируется два потока течения металла – восходящий и нисходящий. Восходящий поток формирует верхний наплыв, который после прижатия торцующей поверхности пуансона начинает по краям заворачиваться наружу и внутрь. Нисходящий поток после вытягивания формирует под отверстием «втулку».

Рис. 5. Линии течения металла при пластическом сверлении (общий вид).

Еще одной особенностью поведения материала при пластическом сверлении, выявленной при изучении макрошлифа, явилось наличие достаточно четкой границы между деформируемой и недеформируемой зонами (на выходе из этой зоны линии течения исчезают).

Исследование микротвердости материала (рис.6) в области формирования отверстия, проведенное методом Виккерса на микротвердомере ПМТ-3, показало, что в месте концентрации линий течения (в нижней и верхних частях отверстия) наблюдается значительный наклеп материала, доходящий до 313 кгс/мм². В центральной зоне деформируемой области наклеп практически не наблюдается. Эффект наклепа материала в области формирования «втулки» позволяет получать качественные резьбовые соединения с упрочненными витками.

Эксперименты (рис.7) показали заметное снижение значений энергии активации пластической деформации и структурно-чувствительного коэффициента в области развитого пластического течения, что свидетельствует о локальном повышении пластичности материала в этой области.

Рис. 6. Изменение микротвердости Н_ [кгс/мм²] материала

(сталь 30ХГСА, отжиг) при пластическом сверлении.

45

32

35

24

35

45

32

Рис. 7. Изменение энергии активации пластической деформации U₀ [кДж/моль] материала (сталь 30ХГСА, отжиг) при пластическом сверлении