Том 24 № 1 2022 1 СОДЕРЖАНИЕ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ СОУЧРЕДИТЕЛИ ФГБОУ ВО «Новосибирский государственный технический университет» ООО НПКФ «Машсервисприбор» ГЛАВНЫЙ РЕДАКТОР Батаев Анатолий Андреевич – профессор, доктор технических наук, ректор НГТУ ЗАМЕСТИТЕЛИ ГЛАВНОГО РЕДАКТОРА Иванцивский Владимир Владимирович – доцент, доктор технических наук Скиба Вадим Юрьевич – доцент, кандидат технических наук Ложкина Елена Алексеевна – редактор перевода текста на английский язык, кандидат технических наук Перепечатка материалов из журнала «Обработка металлов» возможна при обязательном письменном согласовании с редакцией журнала; ссылка на журнал при перепечатке обязательна. За содержание рекламных материалов ответственность несет рекламодатель. 16+ РЕДАКЦИОННЫЙ СОВЕТ Председатель совета Пустовой Николай Васильевич – доктор технических наук, профессор, Заслуженный деятель науки РФ, член Национального комитета по теоретической и прикладной механике, президент НГТУ, г. Новосибирск (Российская Федерация) Члены совета Федеративная Республика Бразилия: Альберто Морейра Хорхе, профессор, доктор технических наук, Федеральный университет, г. Сан Карлос Федеративная Республика Германия: Монико Грайф, профессор, доктор технических наук, Высшая школа Рейн-Майн, Университет прикладных наук, г. Рюссельсхайм, Томас Хассел, доктор технических наук, Ганноверский университет Вильгельма Лейбница, г. Гарбсен, Флориан Нюрнбергер, доктор технических наук, Ганноверский университет Вильгельма Лейбница, г. Гарбсен Испания: Чувилин А.Л., кандидат физико-математических наук, профессор, научный руководитель группы электронной микроскопии «CIC nanoGUNE», г. Сан-Себастьян Республика Беларусь: Пантелеенко Ф.И., доктор технических наук, профессор, член-корреспондент НАН Беларуси, Заслуженный деятель науки Республики Беларусь, Белорусский национальный технический университет, г. Минск Украина: Ковалевский С.В., доктор технических наук, профессор, проректор по научно-педагогической работе Донбасской государственной машиностроительной академии, г. Краматорск Российская Федерация: Атапин В.Г., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Балков В.П., зам. ген. директора АО «ВНИИинструмент», канд. техн. наук, г. Москва, Батаев В.А., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Буров В.Г., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Герасенко А.Н., директор ООО НПКФ «Машсервисприбор», г. Новосибирск, Кирсанов С.В., доктор техн. наук, профессор, ТПУ, г. Томск, Коротков А.Н., доктор техн. наук, профессор, академик РАЕ, КузГТУ, г. Кемерово, Кудряшов Е.А., доктор техн. наук, профессор, Засл. деятель науки РФ, ЮЗГУ, г. Курск, Лобанов Д.В., доктор техн. наук, доцент, ЧГУ, г. Чебоксары, Макаров А.В., доктор техн. наук, член-корреспондент РАН, ИФМ УрО РАН, г. Екатеринбург, Овчаренко А.Г., доктор техн. наук, профессор, БТИ АлтГТУ, г. Бийск, Сараев Ю.Н., доктор техн. наук, профессор, ИФПМ СО РАН, г. Томск, Янюшкин А.С., доктор техн. наук, профессор, ЧГУ, г. Чебоксары В 2017 году журнал «Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты)» вошел в индекс цитирования Emerging Sources Citation Index (ESCI) базы Web of Science. Журналы, представленные в индексе цитирования ESCI, отвечают большинству базовых критериев Core Collection и расцениваются компанией Clarivate Analytics как наиболее влиятельные и востребованные издания, имеющие большую вероятность высокого научного интереса. Журнал входит в «Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук». Полный текст журнала «Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты)» теперь можно найти в базах данных компании EBSCO Publishing) на платформе EBSCOhost. EBSCO Publishing является ведущим мировым агрегатором научных и популярных изданий, а также электронных и аудиокниг. ИЗДАЕТСЯ С 1999 г. Периодичность – 4 номера в год ИЗДАТЕЛЬ ФГБОУ ВО «Новосибирский государственный технический университет» Журнал включен в Реферативный журнал и Базы данных ВИНИТИ. Сведения о журнале ежегодно публикуются в международной справочной системе по периодическим и продолжающимся изданиям «Ulrich’s Periodicals Directory» Журнал награжден в 2005 г. Большой Золотой Медалью Сибирской Ярмарки за освещение новых технологий, инструмента, оборудования для обработки металлов Журнал зарегистрирован 01.03.2021 г. Федеральной службой по надзору за соблюдением законодательства в сфере массовых коммуникаций и охране культурного наследия. Свидетельство о регистрации ПИ № ФС77-80400 Индекс: 70590 по каталогу OOO «УП УРАЛ-ПРЕСС» Адрес редакции и издателя: 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, Новосибирский государственный технический университет (НГТУ), корп. 5. Тел. +7 (383) 346-17-75 Сайт журнала http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov E-mail: metal_working@mail.ru; metal_working@corp.nstu.ru Цена свободная
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 24 № 1 2022 2 СОДЕРЖАНИЕ СОДЕРЖАНИЕ ТЕХНОЛОГИЯ Кузнецов В.П., Макаров А.В., Скоробогатов А.С., Скорынина П.А., Лучко С.Н., Сирош В.А., Чекан Н.М. Влияние нормальной силы на сглаживание и упрочнение поверхностного слоя стали 03Х16Н15М3Т1 при сухом алмазном выглаживании сферическим индентором........................................ 6 Губин Д.С., Кисель А.Г. Расчет температур при чистовом фрезеровании жаропрочного сплава марки ХН56ВМКЮ-ВД................................................................................................................................................ 23 ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫ Братан С.М., Рощупкин С.И., Часовитина А.С., Гупта К. Влияние на вероятность удаления материала относительных вибраций абразивного инструмента и заготовки при чистовом шлифовании....... 33 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Озолин А.В., Соколов Е.Г. Влияние механической активации порошка вольфрама на структуру и свойства спеченного материала Sn-Cu-Co-W............................................................................................. 48 Коробов Ю.С., Алван Х.Л., Макаров А.В., Кукареко В.А., Сирош В.А., Филиппов М.А., Эстемирова С.Х. Сравнительная стойкость против кавитационной эрозии аустенитных сталей различного уровня метастабильности................................................................................................................................. 61 Вологжанина С.А., Иголкин А.Ф, Перегудов А.А., Баранов И.В., Мартюшев Н.В. Влияние степени деформации в условиях низких температур на превращения и свойства метастабильных аустенитных сталей.................................................................................................................................................................. 73 Филиппов А.В., Шамарин Н.Н., Москвичев Е.Н., Новицкая О.С., Княжев Е.О., Денисова Ю.А., Леонов А.А., Денисов В.В. Исследование структурно-фазового состояния и механических свойств покрытий ZrCrN, полученных вакуумно-дуговым методом.......................................................................... 87 МАТЕРИАЛЫ РЕДАКЦИИ Рекомендации по написанию научной статьи ...................................................................................................... 103 Подготовка аннотации ...................................................................................................................................... 107 Правила для авторов ......................................................................................................................................... 111 МАТЕРИАЛЫ СОУЧЕРЕДИТЕЛЕЙ 119 Корректор Л.Н. Ветчакова Художник-дизайнер А.В. Ладыжская Компьютерная верстка Н.В. Гаврилова Налоговая льгота – Общероссийский классификатор продукции Издание соответствует коду 95 2000 ОК 005-93 (ОКП) Подписано в печать 02.03.2022. Выход в свет 15.03.2022. Формат 60×84 1/8. Бумага офсетная. Усл. печ.л. 15,0. Уч.-изд. л. 27,9. Изд. № 5. Заказ 100. Тираж 300 экз. Отпечатано в типографии Новосибирского государственного технического университета 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20
Vol. 24 No. 1 2022 3 EDITORIAL COUNCIL EDITORIAL BOARD EDITOR-IN-CHIEF: Anatoliy A. Bataev, D.Sc. (Engineering), Professor, Rector, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation DEPUTIES EDITOR-IN-CHIEF: Vladimir V. Ivancivsky, D.Sc. (Engineering), Associate Professor, Department of Industrial Machinery Design, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation Vadim Y. Skeeba, Ph.D. (Engineering), Associate Professor, Department of Industrial Machinery Design, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation Editor of the English translation: Elena A. Lozhkina, Ph.D. (Engineering), Department of Material Science in Mechanical Engineering, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation The journal is issued since 1999 Publication frequency – 4 numbers a year Data on the journal are published in «Ulrich's Periodical Directory» Journal “Obrabotka Metallov” (“Metal Working and Material Science”) has been Indexed in Clarivate Analytics Services. We sincerely happy to announce that Journal “Obrabotka Metallov” (“Metal Working and Material Science”), ISSN 1994-6309 / E-ISSN 2541-819X is selected for coverage in Clarivate Analytics (formerly Thomson Reuters) products and services started from July 10, 2017. Beginning with No. 1 (74) 2017, this publication will be indexed and abstracted in: Emerging Sources Citation Index. Journal “Obrabotka Metallov” (“Metal Working & Material Science”) has entered into an electronic licensing relationship with EBSCO Publishing, the world's leading aggregator of full text journals, magazines and eBooks. The full text of JOURNAL can be found in the EBSCOhost™ databases. Novosibirsk State Technical University, Prospekt K. Marksa, 20, Novosibirsk, 630073, Russia Tel.: +7 (383) 346-17-75 http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov E-mail: metal_working@mail.ru; metal_working@corp.nstu.ru
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 24 No. 1 2022 4 EDITORIAL COUNCIL EDITORIAL COUNCIL CHAIRMAN: Nikolai V. Pustovoy, D.Sc. (Engineering), Professor, President, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation MEMBERS: The Federative Republic of Brazil: Alberto Moreira Jorge Junior, Dr.-Ing., Full Professor; Federal University of São Carlos, São Carlos The Federal Republic of Germany: Moniko Greif, Dr.-Ing., Professor, Hochschule RheinMain University of Applied Sciences, Russelsheim Florian Nürnberger, Dr.-Ing., Chief Engineer and Head of the Department “Technology of Materials”, Leibniz Universität Hannover, Garbsen; Thomas Hassel, Dr.-Ing., Head of Underwater Technology Center Hanover, Leibniz Universität Hannover, Garbsen The Spain: Andrey L. Chuvilin, Ph.D. (Physics and Mathematics), Ikerbasque Research Professor, Head of Electron Microscopy Laboratory “CIC nanoGUNE”, San Sebastian The Republic of Belarus: Fyodor I. Panteleenko, D.Sc. (Engineering), Professor, First Vice-Rector, Corresponding Member of National Academy of Sciences of Belarus, Belarusian National Technical University, Minsk The Ukraine: Sergiy V. Kovalevskyy, D.Sc. (Engineering), Professor, Vice Rector for Research and Academic Affairs, Donbass State Engineering Academy, Kramatorsk The Russian Federation: Vladimir G. Atapin, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Victor P. Balkov, Deputy general director, Research and Development Tooling Institute “VNIIINSTRUMENT”, Moscow; Vladimir A. Bataev, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Vladimir G. Burov, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Aleksandr N. Gerasenko, Director, Scientifi c and Production company “Mashservispribor”, Novosibirsk; Sergey V. Kirsanov, D.Sc. (Engineering), Professor, National Research Tomsk Polytechnic University, Tomsk; Aleksandr N. Korotkov, D.Sc. (Engineering), Professor, Kuzbass State Technical University, Kemerovo; Evgeniy A. Kudryashov, D.Sc. (Engineering), Professor, Southwest State University, Kursk; Dmitry V. Lobanov, D.Sc. (Engineering), Associate Professor, I.N. Ulianov Chuvash State University, Cheboksary; Aleksey V. Makarov, D.Sc. (Engineering), Corresponding Member of RAS, Head of division, Head of laboratory (Laboratory of Mechanical Properties) M.N. Miheev Institute of Metal Physics, Russian Academy of Sciences (Ural Branch), Yekaterinburg; Aleksandr G. Ovcharenko, D.Sc. (Engineering), Professor, Biysk Technological Institute, Biysk; Yuriy N. Saraev, D.Sc. (Engineering), Professor, Institute of Strength Physics and Materials Science, Russian Academy of Sciences (Siberian Branch), Tomsk; Alexander S. Yanyushkin, D.Sc. (Engineering), Professor, I.N. Ulianov Chuvash State University, Cheboksary
Vol. 23 No. 2 2021 5 CONTENTS OBRABOTKAMETALLOV TECHNOLOGY Kuznetsov V.P., Makarov A.V., Skorobogatov A.S., Skorynina P.A., Luchko S.N., Sirosh V.A., Chekan N.M. Normal force infl uence on smoothing and hardening of steel 03Cr16Ni15Mo3Ti1 surface layer during dry diamond burnishing with spherical indenter............................................................................ 6 Gubin D.S., Kisel’A.G. Calculation of temperatures during fi nishing milling of a nickel based alloys.......... 23 EQUIPMENT. INSTRUMENTS Bratan S.M., Roshchupkin S.I., Chasovitina A.S., Gupta K. The effect of the relative vibrations of the abrasive tool and the workpiece on the probability of material removing during fi nishing grinding................. 33 MATERIAL SCIENCE OzolinA.V., Sokolov E.G. Effect of mechanical activation of tungsten powder on the structure and properties of the sintered Sn-Cu-Co-W material................................................................................................................. 48 Korobov Yu.S., Alwan H.L., Makarov A.V., Kukareko V.A., Sirosh V.A., Filippov M.A., Estemirova S. Kh. Comparative study of cavitation erosion resistance of austenitic steels with different levels of metastability................................................................................................................................................... 61 Vologzanina S.A., IgolkinA.F., PeregudovA.A., Baranov I.V., Martyushev N.V. Effect of the deformation degree at low temperatures on the phase transformations and properties of metastable austenitic steels.......... 73 Filippov A.V., Shamarin N.N., Moskvichev E.N., Novitskaya O.S., Knyazhev E.O., Denisova Yu.A., Leonov A.A., Denisov V.V. Investigation of the structural-phase state and mechanical properties of ZrCrN coatings obtained by plasma-assisted vacuum arc evaporation..................................................................... 87 EDITORIALMATERIALS Guidelines for Writing a Scientifi c Paper ............................................................................................................ 103 Abstract requirements ......................................................................................................................................... 107 Rules for authors ................................................................................................................................................. 111 FOUNDERS MATERIALS 119 CONTENTS
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 24 № 1 2022 23 ТЕХНОЛОГИЯ Расчет температур при чистовом фрезеровании жаропрочного сплава марки ХН56ВМКЮ-ВД Дмитрий Губин a, Антон Кисель b, * Омский государственный технический университет, пр. Мира, 11, г. Омск, 644050, Россия a https://orcid.org/0000-0003-1825-1310, gubin.89@list.ru, b https://orcid.org/0000-0002-8014-0550, kisel1988@mail.ru Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты). 2022 Том 24 № 1 с. 23–32 ISSN: 1994-6309 (print) / 2541-819X (online) DOI: 10.17212/1994-6309-2022-24.1-23-32 Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты) Сайт журнала: http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov Введение Жаропрочные сплавы на никелевой основе широко используются в космической отрасли, авиационной и энергетической промышленности для проектирования деталей с большой механической нагрузкой и высокой рабочей темИНФОРМАЦИЯ О СТАТЬЕ УДК 621.914.1 История статьи: Поступила: 30 декабря 2021 Рецензирование: 10 января 2022 Принята к печати: 15 февраля 2022 Доступно онлайн: 15 марта 2022 Ключевые слова: Теоретический расчет температур Фрезерование Жаропрочные сплавы на никелевой основе Температура резания Благодарности: Исследования выполнены на оборудовании ЦКП «Структура, механические и физические свойства материалов». АННОТАЦИЯ Введение. Одной из важнейших задач при резании металлов и сплавов является контроль температурного фактора, так как температура является одним из ограничений при определении режимов резания. Этот подход позволяет определять рациональные (в некоторых случаях и оптимальные) режимы фрезерования. Экспериментальные методы определения температуры трудоемки, экономически затратные и не всегда доступны. Трудоемкость заключается в необходимости постоянной настройки экспериментального оборудования в связи с меняющимися условиями резания, электроизоляции инструмента и заготовки, появлении паразитной термоЭДС (если речь идет о методах измерения температуры термопарами), постоянной калибровке приборов и подбору коэффициентов теплового излучения (если речь идет о бесконтактных методах измерения температуры). В связи с этим возникает необходимость в теоретическом определении температур при фрезеровании с минимальным использованием экспериментальных данных. Цель работы. Разработать методику теоретического расчета температуры при фрезеровании (резании) жаропрочных материалов на никелевой основе (на примере сплава ХН56ВМКЮ-ВД (ЭП109-ВД)). Методика исследования. Для теоретического определения температур резания была сформирована математическая модель, учитывающая механические и теплофизические свойства обрабатываемого материала и их изменение в зависимости от изменения температуры при фрезеровании, геометрию режущего инструмента и особенности схематизации процесса фрезерования. Экспериментальная часть исследования проводилась на фрезерном станке КФПЭ-250 с системой ЧПУ Маяк-610. Обрабатывался материал ЭП109-ВД фрезой фирмы Seco JS513050D2C.0Z3-NXT с различными значениями скорости и подачи. Температура измерялась с помощью тепловизора модели Fluke Ti400. Результаты и их обсуждение. Разработана теоретическая модель расчета температуры (для группы сплавов ХН77ТЮР, ХН62МВТЮ, ХН73МБТЮ и ХН56ВМКЮ-ВД) при фрезеровании жаропрочных сплавов на никелевой основе, позволяющая при изменении условий резания (скорость, подача, глубина, геометрия режущего инструмента) спрогнозировать значение температуры на передней и задней поверхности режущего инструмента, а также температуру резания. Анализ экспериментальных и теоретически спрогнозированных значений температуры резания показал удовлетворительное совпадение соответствующих значений. Для цитирования: Губин Д.С., Кисель А.Г. Расчет температур при чистовом фрезеровании жаропрочного сплава марки ХН56ВМКЮ-ВД // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2022. – Т. 24, № 1. – С. 23–32. – DOI: 10.17212/1994-6309-2022-24.1-23-32. ______ *Адрес для переписки Кисель Антон Геннадьевич, к.т.н., доцент Омский государственный технический университет, пр. Мира, 11, 644050, г. Омск, Россия Тел.: +7 (999) 458-08-25, e-mail: kisel1988@mail.ru пературой. Процессу обработки (фрезерование, точение и др.) жаропрочных сплавов всегда сопутствуют высокие температуры резания. Это вызвано большими значениями механических характеристик (предел прочности и действительный предел прочности), низкими коэффициентами теплопроводности и температуропроводности [1–4]. Исследование температурных явлений при резании материалов вызывает интерес в связи с тем, что температура может выступать как один из ограничивающих факторов, поэтому важно прогнозировать температуру для
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 24 № 1 2022 24 ТЕХНОЛОГИЯ оптимизации процесса резания и увеличения срока службы инструмента [5,6]. Так, при высоких значениях температуры наблюдается повышенный износ инструмента (пластическая деформация), потеря формоустойчивости и быстрый выход из строя [5,7,8]. По этой причине температуру связывают с таким фактором, как интенсивность изнашивания, и в дальнейшем используют как ограничивающий фактор при определении рациональных (либо оптимальных) режимов резания [5] (рис. 1). Из рис. 1 видно, что минимальная интенсивность изнашивания инструмента для сплавов ХН70ВМТЮ и ХН70ВМТЮБ одинаковая и соответствует значению температуры около 750 С при скорости резания 25 м/мин. Рис. 1. Зависимость интенсивности износа резца и температуры резания от вида обрабатываемого материала и скорости резания [5] Fig. 1. Dependence of the wear rate of the cutter and the cutting temperature on the type of workpiece and cutting speed [5] Так, имеются рекомендации [5,9], согласно которым режимы резания целесообразно назначать, выдерживая рациональные (оптимальные) значения температуры. В работе А. Д. Макарова [5] было предложено учитывать влияние температуры на скорость резания. Был сформулирован принцип, когда при различных комбинациях скорости резания, подачи и глубины резания может быть найдена постоянная температура в зоне резания (оптимальная температура), соответствующая минимальным средним интенсивностям изнашивания. В ряде работ, например [10–12], температура резания определялась либо экспериментально (методом естественной – искусственной термопары), либо теоретически [6,13]. Измерение температуры экспериментальными методами в производственных условиях неэффективно и приводит к большим затруднениям. Они связаны прежде всего с настройкой дорогостоящего оборудования для постоянно меняющихся условий резания (например, изменился материал заготовки, изменилась геометрия режущего инструмента и др.) и калибровкой полученных сигналов термоЭДС (для термопар). Если измерение температуры производится бесконтактными методами (тепловизоры), то в данном случае возникает необходимость постоянно калибровать прибор при изменении обрабатываемого материала и производить постоянную фокусировку при движении режущего инструмента. Кроме того, бесконтактным методом невозможно измерить температуру при фрезеровании с использованием СОЖ либо, когда зону резания закрывает обрабатываемый материал либо стружка. Поэтому целесообразно применять программы (мето-
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 24 No. 1 2022 25 TECHNOLOGY дики), позволяющие теоретически рассчитать (спрогнозировать) температуру для определенной группы обрабатываемых материалов с учетом влияния изменения механических характеристик в процессе резания, не прибегая при этом к большому количеству экспериментов. Так, Эзель и др. [14] предложили теоретическую модель расчета температуры для высокоскоростного концевого фрезерования штамповых сталей, основанную на методе конечных элементов. На основе экспериментальных данных были получены коэффициенты модели, которые закладывались в программное обеспечение DEFORM-2D. Таким образом, численный метод был ограничен конкретным материалом и конкретными условиями обработки, а точность была нарушена при допущении независимости предела текучести материала от деформации, скорости деформации и температуры в процессе фрезерования. Данная статья посвящена разработке теоретического метода расчета температуры при фрезеровании для группы сплавов на никелевой основе. Для достижения этой цели необходимо разработать математическую модель, учитывающую влияние деформации, скорости деформации и температуры на изменение предела текучести в процессе фрезерования. Кроме того, подтвердить результаты теоретического прогнозирования температуры резания экспериментально (бесконтактным методом измерения температуры). В качестве примера теоретические и экспериментальные исследования будут проводиться для жаропрочного сплава ХН56ВМКЮ-ВД. Методика исследований Первое, из чего нужно исходить при расчете температуры при резании, – это механические и физические свойства материала. Второе – нужно учитывать геометрию режущего инструмента (передний угол , задний угол α, угол в плане , угол наклона режущей кромки λ) и также схематизацию процесса фрезерования, а именно глубину врезания e, учитывать количество одновременно работающих зубьев, отношение ширины фрезерования к диаметру фрезы. Геометрия режущего инструмента учитывалась через критерий Пекле, который определяет теплообмен между обрабатываемым материалом, окружающей средой и инструментом, и через коэффициент Пекле, учитывающий скорость отвода тепла [15]: 1 Pe , 60 1000 v a (1) 1 Pe 1 exp (Pe tg ) 1 , Pe tg y y K (2) sin cos , z a S (3) cos arctg , sin y (4) где а – толщина срезаемого слоя, мм; v – скорость резания, м/с; – коэффициент температуропроводности, м2/с (справочное значение); Sz – подача на зуб, мм/зуб; – действительный главный угол в плане, град; λ – угол наклона режущей кромки, град; – передний угол, град; y – угол наклона условной плоскости сдвига, град; – усадка стружки. Третье – нужно учитывать влияние самой температуры на изменение механических свойств материала. Высокие значения температуры в процессе резания могут приводить к значительному изменению механических свойств металлов и сплавов. Известно [16–18], что в процессе резания под влиянием высоких скоростей деформации обрабатываемый материал может существенно упрочняться, а под влиянием температуры – разупрочняться. Для исследования была выбрана группа жаропрочных сплавов, которая подчиняется одному и тому же закону разупрочнения (рис. 2). В связи с этим изменение предела текучести вышеуказанных сплавов можно описать одним обобщающим уравнением и для исследований допустимо выбрать любой из них. Для исследований был выбран сплав ХН56ВМКЮ-ВД. Физико-механические свойства данного материала представлены в табл. 1 [17, 18]. За основу расчетов были взяты зависимости изменения действительного предела прочности от температуры при высокотемпературных испытаниях жаропрочных сплавов на растяжение (см. рис. 2), а также сведения о влиянии дефор-
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 24 № 1 2022 26 ТЕХНОЛОГИЯ мации, скорости деформации на изменение предела текучести выбраных сплавов [19]. По этим данным было построено определяющее уравнение для определения предела текучести, которое подходит для любого сплава, представленного на рис. 2: 0 exp( ), p m p q b A K B T S (5) Т а б л и ц а 1 Ta b l e 1 Механические характеристики и физические свойства жаропрочных сплавов, необходимые для расчета температуры Mechanical characteristics and physical properties of heat-resistant alloys required for temperature calculation Марка материала / Material grade Предел прочности, b, МПа / Ultimate strength u, MPa Относительное удлинение, , % / Percentage elongation %EL, % Коэффициент теплопроводности, λ, Вт/м·К / Thermal-conductivity coeffi - cient λ, W/m·K Объемная теплоемкость, СV, кДж/м3·К / Volumetric heat capacity СV, kJ/ m3·K Коэффициент температуропроводности, , м2/с / Thermal diffusivity coeffi - cient , m2/s Плотность ρ, кг/м3 / Density ρ, kg/m3 ЭП109ВД (ХН56ВМКЮ-ВД)/ 56% Ni–Cr–W–Mo– Co–Al 1050 17 10,53 4,39 2,858ˑ10-6 8400 Рис. 2. Изменение механических свойств никелевых сплавов при статических испытаниях на растяжение [15, 16] Fig. 2. Change in the mechanical properties of nickel based alloys during static tensile tests [15, 16] 1 3 3 ln(1 ) , m z A (6) где 0 p b S – отношение значения действительного предела прочности при температуре испытания к значению предела прочности при комнатной температуре; m p A – уравнение упрочняемого материала (простое нагружение); m – коэффициент деформационного упрочнения; K – эмпирическая константа, характеризующая влияние скорости деформации на предел текучести; q B – эмпирическая константа, характеризующая влияние температурного разупрочнения материала; T – приращение гомологической температуры. В литературе имеются похожие модели изменения предела текучести в зависимости от деформации, скорости деформации и температуры, например, модель Джонсона – Кука [20]: (1 ln )(1 ). n p m A B C T (7) Однако как определяющее уравнение (5), так и модель Джонсона – Кука (7) имеют недостатки. Например, в обоих уравнениях температура выступает как независимый фактор, т. е. можно изменить температуру, просто подогрев материал. Для того чтобы учесть зависимость совместного влияния температуры, деформации, скорости деформации в процессе фрезеро-
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 24 No. 1 2022 27 TECHNOLOGY вания, нужно заменить в определяющем уравнении (5) отношение действительного предела прочности при температуре испытания к значению действительного предела прочности при комнатной температуре на удельную работу деформации [15]: 0 , p w b p dA S d (8) 0 0 . u p w b A d S (9) В связи с тем что при фрезеровании условия являются квазиадиабатическими (происходит обмен с окружающей средой и обрабатываемым материалом), температуру можно определить следующим образом: Pe 1, w T K A A (10) 1 ïë . b V S A C T (11) Тогда определяющее уравнение примет следующий вид: 1 Pe exp( ) . m w p q w A A K B A A K d (12) После интегрирования уравнения (12), а затем дифференцирования, были найдены точки, в которых достигаются наибольшие значения предела прочности при резании на передней поверхности: 0 0 0 1 1 Pe exp 1 , 1 p b b ï b m m m S S B A K S q (13) 0 0 1 1 1 1 Pe . 1 m ï b ï q b m S AK B A K S (14) Для расчета температур на задней поверхности инструмента использовались те же формулы, но с другими значениями коэффициентов: 0 0 0 2 1 Pe exp 1 , 1 p b b ç b m m m S S B A K S q (15) 0 0 1 1 2 1 Pe . 1 m ï b ç q b m S AK B A K S (16) В силу уравнений (10–12) зависимости (13 и 15) являются источниками тепла на передней и задней поверхности соответственно. Далее с помощью метода итераций в программной среде Excel рассчитывались температуры на передней и задней поверхности и строились графики. Ниже представлены графики теоретического расчета температур на передней поверхности режущего лезвия (рис. 3) и задней поверхности режущего лезвия (рис. 4) на примере фрезерования сплава ХН56ВМКЮ твердосплавной фрезой Seco JS513050D2C.0Z3-NXT (диаметр 5 мм, количе300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 Температура на передней поверхности,С Координата передней поверхности, мм Рис. 3. Распределение температуры по передней поверхности при фрезеровании никелевого сплава ЭП109ВД (ХН56ВМКЮ-ВД) – теоретический метод Fig. 3. Temperature distribution over the face surface during milling of nickel based alloy 56% Ni–Cr–W– Mo–Co–Al – theoretical method 150 200 250 300 350 400 450 500 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 Температура задней поверхности, С Координата задней поверхности, мм Рис. 4. Распределение температуры по задней поверхности при фрезеровании никелевого сплава ЭП109ВД (ХН56ВМКЮ-ВД) – теоретический метод Fig. 4. Temperature distribution over the fl ank surface during milling of nickel based alloy 56% Ni–Cr–W– Mo–Co–Al – theoretical method
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 24 № 1 2022 28 ТЕХНОЛОГИЯ ство зубьев 3, угол подъема спирали 46, угол в плане = 90, угол наклона режущей кромки λ = 0, действительный передний угол = 8) со следующими режимами фрезерования: V = = 15,7 м/мин; Sм = 52 мм/мин; Sz = 0,0175 мм/зуб; n = 1000 об/мин; t = 0,1мм. Данные графики помогают оценить и контролировать температурный процесс при фрезеровании, так как изменение температуры непосредственно связано с изменениями режимов фрезерования (резания). Результаты и их обсуждение Теоретические расчеты температуры резания были подтверждены рядом экспериментальных исследований. Исследования температуры резания проводились на фрезерном станке КФПЭ-250 с системой ЧПУ Маяк-610 при симметричном фрезеровании сплава ЭП109ВД (ХН56ВМКЮ-ВД) твердосплавной фрезой фирмы Seco JS513050D2C.0Z3-NXT. Глубина фрезерования для всех опытов составляла 0,1 мм. Для измерения температуры резания использовался тепловизор модели Fluke Ti400 с погрешностью измерения нестационарного температурного поля 5 %. Фрезерование проводили с различными подачами и скоростями резания (табл. 2). Температура резания рассчитывалась исходя из средних температур на задней и передней поверхности по формуле (рис. 5): Т а б л и ц а 2 Ta b l e 2 Результаты измерения температуры и соответствующие им теоретические расчеты для фрезерования Temperature measurement results and corresponding theoretical calculations for milling Номер эксперимента / Experiment No 1 2 3 4 5 6 7 Tэкс, С / Texp, С 327 280 294 374 206 273 237 Tр, С / Tcalc, С 342 276 316 349 216 264 231 V, м/мин / V, m/min 15,7 15,7 15,7 22 7,9 22 15,7 Sz, мм/зуб / Sz, mm/tooth 0,0175 0,0095 0,0135 0,0095 0,0055 0,0055 0,0015 ç , ( ) p ñ h T c h T T ñð ñð ÏÏ ÇÏ ç (17) где ñð ÏÏ T и ñð ÇÏ T – средние значения температуры на передней и задней поверхностях режущего лезвия; с и ç h – координаты передней и задней поверхности режущего лезвия, по которым распределена температура. Выводы В результате исследований было выявлено, что максимальное значение температуры при фрезеровании сплава ХН56ВМКЮ-ВД со скоростью резания V = 15,7 м/мин, глубиной фрезерования t = 0,1 мм и подачей Sz = 0,0175 мм/зуб достигалось на передней поверхности инструмента и составляло 730 С, в то время как на задней поверхности инструмента температуры достигали значений 450 С. При этом температура резания составляла 327 С. Сопоставление экспериментальных исследований фрезерования жаропрочного сплава ХН56ВМКЮ-ВД при изменении условий резания (изменялась подача на зуб и скорость резания) с теоретическими данными дало удовлетворительный результат с доверительным интервалом 5 %. На основании экспериментальных данных можно сделать вывод, что эта методика позволяет без проведения трудоемких и затратных экспериментальных исследований теоретически рассчитать (спрог-
RkJQdWJsaXNoZXIy MTk0ODM1