Аналіз зміни характеристик енергетичного стану обробного і інструментального матеріалів при досягненні якості, продуктивності ... Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 3 64 Буряк В.Г.,* Буряк А.В.,** Драпак Л.С.,* Буряк В.В.** *Хмельницький обласний інститут післядипломної педагогічної освіти, **Хмельницький національний університет, м. Хмельницький, Україна Gmail: viktorburyak1955@gmail.com АНАЛІЗ ЗМІНИ ХАРАКТЕРИСТИК ЕНЕРГЕТИЧНОГО СТАНУ ОБРОБНОГО І ІНСТРУМЕНТАЛЬНОГО МАТЕРІАЛІВ ПРИ ДОСЯГНЕННІ ЯКОСТІ, ПРОДУКТИВНОСТІ І НАДІЙНОСТІ У МЕХАНООБРОБЦІ УДК 621.9 Виконується аналіз зміни характеристик енергетичного стану обробного і інструментального матеріалів при досягненні якості, продуктивності і надійності у механообробці. Розглядаються результати досліджень параметрів шорсткості обробленої поверхні заготовок з різних марок матеріалів і зносу інструментів в залежності від умов процесу механообробки. За аналізом приведених даних, отримано математичну модель, використовуючи метод групового обліку аргументів. Встановлено зв`язок параметра шорсткості обробленої поверхні і акустичних характе- ристик матеріалів. Ключові слова: оброблення різанням, шорсткість поверхні, акустичні властивості матеріалів, причинно- наслідковий зв’язок, знос. Вступ В автоматизованому виробництві чистова обробка деталей лезовими інструментами, як правило, зв’язана з обмеженнями, що викликані спеціальними вимогами до оброблених поверхонь, специфічними особливостями поточної виробничої лінії, складністю налаштування, втратами коштів внаслідок непере- дбаченого простою. Узагальнюючими характеристиками ефективності процесу оброблення різанням (механообробки) можуть бути якість обробленої поверхні, продуктивність і надійність процесу різання. Разом із зміною фізико-механічних характеристик обробного матеріалу змінюються акустичні властивості шару, що зрізується. Так, за рахунок зміни пружних характеристик матеріалу заготовки, швидкості C і tC хвилі значно змінюються за незначною зміною густини. Акустичні характеристики енергетичного стану обробного і інструментального матеріалів при досягненні якості, продуктивності і надійності у механообробці пропонується враховувати в основному диференційному рівнянні причинно- наслідкового зв’язку [1 - 4]. Мета і постановка задачі З метою застосування диференційного рівнянні причинно-наслідкового зв’язку [4] виконується аналіз зміни характеристик енергетичного стану обробного і інструментального матеріалів при досягненні якості, продуктивності і надійності у механообробці. На відміну від традиційної абразивної обробки гартованих сталей [5], лезове точіння збільшує продуктивність роботи і зменшує зараженість обробленої поверхні абразивом. В статті розглядаються характеристики енергетичного стану обробного і інструментального матеріалів та ступінь їх впливу при досягненні якості, продуктивності і надійності у механообробці. За аналізом даних, опрацьована математична модель, що включає кореляційну залежність для групи обробних матеріалів. Встановлюється зв’язок середнього арифметичного відхилення профілю обробленої поверхні і акустичних характеристик матеріалу заготовки у мехонообробці. Виклад матеріалів досліджень Вплив режимів різання і форми заточки інструментів, які оснащені композиційними матеріала- ми, на шорсткість обробленої поверхні нами розглянуто як факт зміни характеристик енергетичного ста- ну обробних і інструментальних матеріалів. Досліди проведено з використанням наступних марок ін- струментальних матеріалів: твердого сплаву Т15К6; мінералокераміки ВОК60 та надтвердих компози- ційних матеріалів – кіборит; нітібор; композит 05 і гексаніт - Р на токарному верстаті ТПК125В. В якості обробних матеріалів вибрано: сталі 20; 45; 40Х; 35ХГСА і гартовану сталь ШХ15. Параметри шорсткості після обробки визначали на профілографі-профілометрі. Ріжучі пластини з надтвердих інструментальних матеріалів мали круглу форму ( 6,8 мм), а також були гостро заточені з різними геометричними пара- метрами з метою пошуку раціональних їх значень [5]. В табл. 1 приведені основні результати досліджень Аналіз зміни характеристик енергетичного стану обробного і інструментального матеріалів при досягненні якості, продуктивності ... Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 3 65 середнього арифметичного відхилення профілю обробленої поверхні – параметра шорсткості Ra обро- блених поверхонь при постійних значеннях – режимів різання: швидкості різання V = 120 м/хв, швидко- сті повздовжньої подачі S = 0,05 мм/об, глибини різання t = 0,30 мм; – геометричних параметрів ріжу- чої частини інструмента, що позначені: передній кут  , головний  і допоміжний 1 задні кути, голов- ний  і допоміжний 1 кути в плані. Таблиця 1 Результати досліджень параметра шорсткості Ra Матеріали № з/п обробний інструментальний Форма і геометричні параметри ріжучої частини інструмента Параметр Ra , мкм 1 ШХ15 HRC56-58 Кіборит Нітібор Гексаніт-Р Композит 05 Кругла пластина 6,8 мм 2,3 2,2 2,4 2,2 2 Сталі 20; 45; 40Х; 35ХГСА Т15К6 Нітібор  = 6°;  = 8°; 1 = 5°;  = 45°; 1 = 12° 0,54 - 0,80 0,60 - 1,20 3 ШХ15 HRC56-58 Нітібор ВОК60 Гостро заточені за п. 2 Стандартні пластини 0,23 0,58 При обробці інструментами, що оснащені круглими пластинами з надтвердих матеріалів, отри- мано практично однакові значення Ra . Це, на наш погляд, зумовлено круглою формою ріжучої пласти- ни, яка забезпечує вирівнювання профілю мікронерівностей за рахунок великих значень радіуса при вершині інструмента ( r = 3,4 мм) і менших значень швидкостей подач ( S = 0,05 мм /об) при чистовому точінні. Встановлено, що при точінні не гартованих сталей доцільно використовувати серійні інструментальні матеріали із твердого сплаву (за продуктивністю і надійністю процесу механообробки). Як показують результати досліджень, що приведені в таблиці 1, якість обробки не гартованих сталей може бути вищою при точінні твердосплавним інструментом із сплаву Т15К6. Значне підвищення якості при обробці гартованої сталі ШХ15 (HRC56-58) досягнуто за рахунок застосування надтвердого матеріалу нітібор з гострозаточеною формою ріжучої частини інструмента (у порівнянні з мінералокерамікою ВОК60). За аналізом приведених вище даних, отримано математичну модель, використовуючи метод гру- пового обліку аргументів. Основна кореляційна залежність для групи обробних матеріалів – сталі 20; 45; 40Х; 35ХГСА і серійного твердосплавного матеріалу Т15К6, яким оснащали ріжучий інструмент, має вигляд:     ,8436,09061,2 07648,081,7413313,0 1 3 1 3 3 3    HBhVh HBhSSRa (1) де S = (0,025, ..., 0,125) мм /об – швидкість повздовжньої подачі; 3h = (0,05, ..., 0,40) мкм – величина зносу різця; V = (100, ..., 250) м /хв – швидкість різання; HB = (125, ..., 265) од – твердість заготовки за шкалою Брінелля. Використовуючи (1), побудовано наступні графіки: залежність параметра шорсткості Ra від швидкості подачі S (за сталими значеннями: 3h = 0,05 мм; V = 250 м/хв; HB = 195) і швидкості різання V ( S = 0,05 мм/об, інші параметри прийнято за попередніми умовами залежності  SfRa  ) – рис. 1, а також залежності параметра Ra від величини фаски 3h зносу різця і твердості HB обробно- го матеріалу (за сталими значеннями: S = 0,05 мм/об; V = 250 м/хв; 3h = 0,05 мм) – рис. 2. Аналіз приведених графічних залежностей дозволяє зробити наступні висновки. За збільшенням подачі, параметр шорсткості Ra безперервно збільшує свої значення, за збільшенням швидкості різання – Ra зменшується (рис. 1). При цьому, більший вплив на Ra має подача S . Збільшення фаски зносу Аналіз зміни характеристик енергетичного стану обробного і інструментального матеріалів при досягненні якості, продуктивності ... Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 3 66 3h інструмента викликає екстремальний характер зміни Ra : спочатку проходить зменшення параметра шорсткості, а при подальшому збільшенні 3h – параметр Ra збільшує свої значення (рис. 2). Збільшення твердості HB обробного матеріалу безперервно зменшує параметр шорсткості Ra . Рис. 1 – Залежність параметра шорсткості Ra від швидкості різання і подачі Рис. 2 – Залежність параметра шорсткості Ra від величини зносу і твердості матеріалу заготовки Зв`язок параметра шорсткості Ra обробленої поверхні (за умовами проведення експериментів, що описані вище) і акустичних характеристик матеріалів ілюструють рис. 3 і 4. На рис. 3 показано зміну параметра шорсткості: 1 – за зміною швидкості розповсюдження хвилі lC матеріалів заготовки у повздовжньому на- прямку; 2 – за зміною швидкості розповсюдження хвилі tC матеріалів заготовки у поперечному напрям- ку [4]. На рис. 4 показано зміну параметра шорсткості від акустичного імпедансу, розрахованого для повздовжньої  ρaR f C  і поперечної  ρa tR f C хвиль. Отримані залежності середнього ариф- метичного відхилення профілю обробленої поверхні від акустичних характеристик матеріалу заготовки у мехонообробці в більшості мають екстремальний характер. Це дозволяє виконувати пошук раціональних умов механообробки із застосуванням диференційного рівнянні причинно-наслідкового зв’язку. Рис. 3 – Зв`язок параметра шорсткості Ra і швидкості розповсюдження хвилі в матеріалах: 1 – у повздовжньому напрямку; 2 – у поперечному напрямку Рис. 4 – Зв`язок параметра шорсткості Ra і акустичного імпедансу матеріалів заготовки Як показали результати проведених досліджень, лезова механообробка із застосуванням компо- зиційних інструментів представляє практичний інтерес і має ряд переваг за продуктивністю і якістю у порівнянні з абразивною обробкою. Також, за результатами проведених експериментальних досліджень встановлено, що інструментальні композиційні матеріали на основі кубічного нітриду бора доцільно за- стосовувати при обробці гартованих сталей. При точінні не гартованих сталей доцільно використовувати інструментальні матеріали з твердого сплаву. Вибір конкретних умов механообробки на основі аналізу енергетичних характеристик обробних і інструментальних матеріалів повинен здійснюватись з урахуванням ряду граничних умов: за якістю; Аналіз зміни характеристик енергетичного стану обробного і інструментального матеріалів при досягненні якості, продуктивності ... Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 3 67 продуктивністю; періодом стійкості інструмента; можливостями обладнання тощо. За даними приведе- них результатів досліджень у подальшому розгляді проводиться узагальнююча оцінка характеристик енергетичного стану обробних і інструментальних матеріалів, які визначають працездатність компози- ційних інструментів у механообробці із застосуванням диференційного рівнянні причинно-наслідкового зв’язку. Висновки Виконано аналіз зміни характеристик енергетичного стану обробного і інструментального матеріалів при досягненні якості, продуктивності і надійності у механообробці. Вплив режимів різання і форми заточки інструментів на шорсткість обробленої поверхні слід розглядати як факт зміни характе- ристик енергетичного стану обробних і інструментальних матеріалів. Як показали результати проведених досліджень, лезова механообробка із застосуванням композиційних інструментів представляє практичний інтерес і має ряд переваг за продуктивністю і якістю у порівнянні з абразивною обробкою. Також, за результатами проведених експериментальних досліджень встановлено, що інструментальні композиційні матеріали на основі кубічного нітриду бора доцільно застосовувати при обробці гартованих сталей. Отримані залежності середнього арифметичного відхилення профілю обробленої поверхні від акустичних характеристик матеріалу заготовки у мехонообробці в більшості мають екстремальний ха- рактер. Це дозволяє виконувати пошук раціональних умов механообробки із застосуванням диференційного рівнянні причинно-наслідкового зв’язку. Література 1. Буряк В.Г., Буряк А.В. Показники енергетичного стану матеріалів, що визначають працездатність інструментів // Проблеми трибології. – 2016. – № 2. – С. 54 - 57. 2. Буряк А.В., Буряк В.Г. Зв’язок фізико - механічних, теплофізичних і акустичних властивостей обробних і інструментальних матеріалів у механообробні // Проблеми трибології.– 2016.– №2.– С. 28-33. 3. Буряк А.В., Буряк В.Г. Технічна оцінка методики виконання аналізу акустичних характери- стик енергетичного стану інструментального матеріалу // Проблеми трибології. – 2015. – № 3. – С. 71 - 77. 4. Буряк А.В., Буряк В.Г. Наукові основи до оцінки працездатності ріжучих інструментів за аналізом акустичних характеристик стану обробного і інструментального матеріалів // Проблеми трибології. – 2014. – № 4. – С. 23 - 30. 5. Буряк В.Г., Румбешта В.О. Оцінка працездатності інструментів на основі аналізу енергетично- го стану інструментальних матеріалів // Праці Міжнар. Конф. “Прогресивна техніка і технологія маши- нобудування, приладобудування і зварювального виробництва” (КИЇВ 98). – Том II. – К. : НТУУ “КПІ”. – 1998. – С. 288-290. Поступила в редакцію 05.10.2016 Аналіз зміни характеристик енергетичного стану обробного і інструментального матеріалів при досягненні якості, продуктивності ... Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 3 68 Buryak V.G., Buryak A.V., Drapak L.S., Buryak V.V. Analysis of changes in the characteristics of the energy state of the processed materials and instrumental in achieving the quality, performance and reliability in machining. Analyzing changes in the characteristics of the energy state of the processed materials and instrumental in achieving the quality, performance and reliability in machining. The results of studies of the treated surface roughness of workpieces of different grades of materials and tools wear depending on conditions of machining process. For the analysis of these data, the mathematical model using the group method of data handling. The connection parameter roughness of the treated surface and the acoustic characteristics of materials. Keywords: Machining, surface roughness, acoustic properties of materials, causal link wear. References 1. Buryak V.G., Buryak A.V. Pokazny`ky` energety`chnogo stanu materialiv, shho vy`znachayut` pracezdatnist` instrumentiv. Problemy` try`bologiyi. 2016. №2. S. 54 – 57. 2. Buryak A.V., Buryak V.G. Zv'yazok fizy`ko-mexanichny`x, teplofizy`chny`x i akusty`chny`x vlasty`vostej obrobny`x i instrumental`ny`x materialiv u mexanoobrobni. Problemy` try`bologiyi. 2016. №2. S.28–33. 3. Buryak A.V., Buryak V.G. Texnichna ocinka metody`ky` vy`konannya analizu akusty`chny`x xaraktery`sty`k energety`chnogo stanu instrumental`nogo materialu. Problemy` try`bologiyi. 2015. №3. S. 71 – 77. 4. Buryak A.V., Buryak V.G. Naukovi osnovy` do ocinky` pracezdatnosti rizhuchy`x instrumentiv za analizom akusty`chny`x xaraktery`sty`k stanu obrobnogo i instrumental`nogo materialiv. Problemy` try`bologiyi. 2014. №4. S. 23–30. 5. Buryak V.G., Rumbeshta V.O. Ocinka pracezdatnosti instrumentiv na osnovi analizu energety`chnogo stanu instrumental`ny`x materialiv. Praci Mizhnar. Konf. “Progresy`vna texnika i texnologiya mashy`nobuduvannya, pry`ladobuduvannya i zvaryuval`nogo vy`robny`cztva” (KY`YiV 98). Tom II. Ky`yiv: NTUU “KPI”. 1998. S. 288-290.