Лаборатория GM

Лаборатория развивает инновации в механической обработке

Повышение эффективности механообработки в первую очередь означает, что в процессе изготовления деталей машин необходим переход на такие технологические процессы, которые позволят при обеспечении требуемого качества деталей осуществлять процесс их изготовления с максимальной производительностью при минимизации: потерь материалов, затрат времени труда станочников, энергетических и других ресурсов.

Профессором МГУПИ Комаровым В.А. предложена  новая теория резания, рассматривающая процесс разрушения материалов как импульсный, в подавляющих случаях высокочастотный. На основе выдвигаемых теоретических положений новой импульсной теории резания [1,2], предлагаются новые закономерности, связывающие параметры точности и жесткости системы: станок-приспособление – инструмент - заготовка, а также элементы конструкции инструмента и режимы резания с износом режущего материала и качеством обработанной поверхности. Позволяющие также вести выбор марки материала его режущей части, покрытия и режимами резания, обеспечивающими максимальную производительность при наибольшей износостойкости инструмента; обеспечивать требуемую шероховатость поверхности, соизмеримую с отделкой (R_а≤0.16мкм). В новых выдвигаемых теоретических положениях  данной теории предлагается дальнейшее развитие энергетического метода и в связи с этим новые количественные зависимости, которые выводятся не на основе эмпирических коэффициентов, а на базе теоретических расчетов конструкторских, технологических и физических параметров. Использование зависимостей позволяет вести обработку поверхностей (в том числе высокотвердых) при достижении высокой точности и эффекта отделки за один технологический переход. В разы сокращает трудоемкость изготовления и затраты на дополнительное оборудование.

Использование как известных, типовых инструментов, так и вновь проектируемых на расчетных режимах резания позволяет увеличивать их ресурс на порядок, а также исключает образование дефектов сопутствующих шлифованию.
             
Опыт работы

По новой технологии изготовлен образец прямоугольной формы (100*100*8 мм.). С четырьмя отверстиями для скалок диаметром 12мм. И надписью GM –МГУПИ, глубиной 0.6мм. Высота букв 18мм. Ширина прописи 2мм. Материал образца   высокоуглеродистая сталь марки У8. Твердостью НRС_э≥62. Обработка высокотвердых рабочих поверхностей образца матрицы осуществлялась за один технологический переход. Использовано два инструмента конструкции фирмы SANDVIK Coromant. Фреза концевая общего назначения, диаметром Ø8мм. Z_и =4, и фреза концевая общего назначения, диаметром Ø2мм. Z_и =3. Материал ВК6 с покрытием Тi-AL-N (алюмонитрид). Перед нанесением покрытия форма режущих кромок менялась. Для обработки плоскостей (100*100) на глубину 0.25 -0.3мм. за проход применялось строчечное фрезерование.  Обработка отверстий осуществлялась плунжерным фрезерованием по методу обкатки фрезой Ø8мм.

Согласно расчетам по уравнениям, обработка фрезой Ø8 позволяет иметь высокую скорость резания и продольную подачу Sм =780 mm/min., т.е. время оного хода фрезы составляло 8 секунд. Этой же фрезой, по методу плунжерного фрезерования обработка отверстия на глубину 5 мм.  10 секунд.  Фрезы Ф8 работали до износа по задней грани h =7мкм, проходя путь резания L=10 км. Износ по передней грани не был обнаружен. Применение чистовых концевых фрез Ф8, Z_и =8 и специальной переточки режущих кромок зубьев позволяет при сохранении той же износостойкости вести обработку данной стали с подачей S_м =4500 mm/min или Sм = 75 mm/c., т.е. время прохода при удалении припуска t=0.25мм, равно 1.2 секунды. Время фрезерования отверстия на глубину 5мм. cоставляет всего 1.7секунды, при обеспечении шероховатости обработанной поверхности (Rа ≤0.16мкм).

Таким образом, расчет конфиденциальных  режимов резания позволил не только решить задачу создания ресурсосберегающего технологического процесса изготовления пресс-формы, но и добиться высокой изностойкости инструмента, что существенно меняет представления о характере износа при резании высокотвердых, закаленных материалов [2]. 

Сверление молибдена.

При сверлении молибдена, имеющего высокий предел прочности  σ_в =900 (МПа), высокую температуру плавления Т_melt. =2622 (0 C) и очень низкую теплопроводность λ_m =1.46 (Вт/м/0c), неизбежно нагревание материала режущей части сверла у перемычки до весьма высоких температур, приводящих как правило к  его деструкции или отпуску, т.е. к потере режущих свойств – катастрофическому износу[3]. Поэтому выбор оптимальных режимов сверления молибдена, обеспечивающих хотя бы достаточную стойкость инструментов -  очень сложная задача.  В настоящее время в промышленных условиях сверление глухих отверстий сверлами диаметром D=0.5–1 (мм), изготовленными из твердого сплава ВК-6, ВК-8, в изделиях из молибдена осуществляется с применением охлаждающей жидкости на  весьма разнообразных режимах резания. Как правило, долговечность сверл мала и составляет всего 1 –2 отверстия глубиной 20(мм) до поломки сверла. Время сверления в лучших случаях составляет 12 секунд.

Пользуясь уравнениями импульсной теории резания, были определены оптимальные режимы сверления для случая: сверление  молибдена сверлами, изготовленными из твердого сплава ВК-6, диаметром Ø0.5 мм. На станке F-1.

Предварительные испытания партии сверл  позволили получить от 12 до 40  глухих отверстий до разрушения сверл без их переточки при времени сверления на ту же глубину 2 секунды, что подтверждает эффективность  расчета режимов сверления молибдена.
   
Нарезание резьбы метчиками на гайконарезных автоматах.

Применение изогнутых гайконарезных метчиков с измененной конструкцией режущей части, (при модернизации гайконарезных автоматов), и установлении новых режимов резания на Орловском Сталепрокатном заводе (СПЗ) позволило, при резьбонарезании гайки М16*2 из материала СТАЛЬ 20 получить следующие результаты:
производительность 24 гайки  в мин., против 16 гаек в мин., - базовой;
стойкость 11000 гаек до переточки метчика, против 3000 гаек, базовой;

2)Производительность аналогичных метчиков М10*1,5 :
65 гаек в мин., вместо 30 базовой.
стойкость 50000 гаек вместо базовой 5000.

Таким образом, экономическая эффективность определяется снижением расхода инструментов в 2 или 10 раз. Ростом производительности в 1,5-2 раза, т.е. снижением трудозатрат, энергозатрат, высвобождением оборудования и площадей, если рост выпуска продукции не предусмотрен

Шлифование профилей рельс при движении ремонтных составов.

Использование новых теоретических положений, позволило по новому проанализировать низкую эффективность двух методов шлифования плоских длинномерных поверхностей, используемых при ремонте рельсового пути.

Первый – принудительное шлифование, где главное рабочее движение резания – вращение инструмента, а движение ремонтного состава – подача.

Рост подачи при  принудительном шлифовании ограничен конечной величиной скорости  шлифования. Увеличение подачи  ведет к механическому разрушению - выпадению зерен из связки.   При свободном шлифовании низка скорость резания. По этому высока температура связки, в следствии  механическое разрушение - выпадение зерен из размягченной связки.       

Нами предложена новая схема шлифования. Требования к инструменту, и режимы резания Получен патент РФ № 2131803С1В24В7/10 на изобретение принципиально новой схемы плоского шлифования, которая проверена при реализации плоскошлифовальной операции на карусельном станке. Рельс закрепляется на столе диаметром D = 2 м. На станке была достигнута минутная продольная подача, соответствующая скорости движения поезда SM = 30 км/час = 9 м/с, это не привело к какому-либо значительному износу.  Техническим результатом изобретения является увеличение износостойкости шлифовального круга в 10 раз, существенное увеличение скорости движения состава или производительности шлифования в 15 раз.

Высокоскоростная обработка керамических материалов.

Борнилит (ТУ 301-02-26-89) керамический материал представляющий собой химическое соединение бора и азота. Его главное достоинство - химическая чистота и малая химическая активность делают его достаточно используемым при изготовлении изделий специального назначения. Для соблюдения химической чистоты детали из борнилита обрабатывают резанием, несмотря на высокую хрупкость данного материала.

Данные исследования позволили рекомендовать высокоскоростное точение для обработки керамики - борнилита на станках повышенной точности и жесткости. Удаляемый за проход припуск составил: t = 0,1мм, т.е. 0,2 мм на диаметр заготовки. Это делает процесс высокоскоростного точения более предпочтительным по сравнению со шлифованием, поскольку при последнем нет полной гарантии отсутствия шаржирования обработанной поверхности абразивом.

Фрезерование узоров в полу драгоценном камне из Яшмы  твердостью 10 единиц по Шору твердосплавной фрезой оригинальной конструкции, диаметром Ø2(mm) с покрытием  Ti –Al –N позволили иметь стойкость фрезы  18(км)  длины удаленной стружки каждым режущим зубом фрезы до истирания режущих граней на глубину около 3(mkm). Скорость подачи фрезы составила S_m = 15(mm/c).

Высокоскоростное резание титанового сплава марки ВТ-8

Реализована опытная высокоскоростная механическая обработка титановых сплавов (ВТ-6,ВТ-8).На операциях фрезерования за проход удалялся припуск 4-7 мм. Скорость резания в зависимости от диаметра фрезы составляла 28 м/с. и 45м./с. Шероховатость обработанной поверхности R_a=0,1мкм. При резании без охлаждения нагрев поверхности от температуры окружающей среды составил 1 гр.Ц. При использовании водной эмульсии поверхность охлаждается до 0 гр. Ц. и ниже в зависимости от времени резания.

Сверление алюминиевого сплава АК6М2

В настоящее время в промышленных условиях сверление глухих отверстий сверлами диаметром D=6.35 мм., изготовленными из быстрорежущей стали, в изделиях из алюминиевых сплавов типа силумин проводится с применением охлаждающей жидкости на режимах резания: S₀ =0.13 мм/об.; n = 3075 об/мин, (V=62 м/мин; Sm =400 мм/мин). На некоторых предприятиях, где используются высокоточные современные, высокоскоростные станки и твердосплавные сверла, скорости резания существенно выше, а подачи достигают S_m =1800 – 3600 mm/min.

Пользуясь соотношениями импульсной теории резания, были определены оптимальные режимы сверления  алюминиевого сплава АК6М2 сверлами из быстрорежущей стали и твердого сплава.  Для используемого нами станка фирмы XASS   и высокоточных инструментов (сверл)  высокая скорость резания  и подача Sm =9200 –12000 (mm/min).  Стойкость сверл, определяемая падением  мощности сверления в два раза, составила 60000 – 120000 отверстий глубиной 19mm. (Эксперименты проводились без применения смазывающих охлаждающих жидкостей).     

Предлагается NOU HAU , раскрывающее методику использования основных положений импульсной теории резания:

• для расчета наиболее производительных режимов резания  любых материалов, включая полудрагоценные камни: малахит, колинхор, яшма, сапфир и т.д., любыми инструментами, включая абразивный, при любом виде механической обработки;
• для расчета параметров конструкции оригинального инструмента и выбора покрытия как однослойного, так и многослойного.

Автор импульсной теории резания
профессор, д.т.н. Комаров В.А.