Усовершенствование технологии сверления отверстий в медных сплавах методами математического планирования

Дата публикации: 2020-06-19 20:18:37
Статью разместил(а):
Власов Алексей Владимирович

Усовершенствование технологии сверления отверстий в медных сплавах методами математического планирования

Improving the technology of drilling holes in copper alloys using mathematical planning methods

 

Авторы: Ткаченко Юрий Сергеевич

ФБГОУ ВО «Воронежский государственный технический университет», г. Воронеж, Россия.

Tkachenko Yuri Sergeevich

Voronezh State Technical University,Voronezh, Russia.

Власов Алексей Владимирович

ФБГОУ ВО «Воронежский государственный технический университет», г. Воронеж, Россия.

E-mail: diego.armanstong@gmail.com

Aleksey Vladimirovich Vlasov

Voronezh State Technical University,Voronezh, Russia.

E-mail: diego.armanstong@gmail.com

 

Аннотация: В статье приведена физическая модель процесса сверления отверстия в медном сплаве.

The article presents a physical model of the process of drilling a hole in a copper alloy.

Ключевые слова: физическая модель, технологии сверления отверстий, медные сплавы, методы математического планирования.

Keywords: physical model, hole drilling technology, copper alloys, mathematical planning methods.

Тематическая рубрика: Технические науки и технологии. 

 

Медные сплавы имеют различную обрабатываемость, зависящую от их свойств, обусловленную составом сплава. Одним из наиболее сложно обрабатываемых сплавов является электролитическая медь. В работе [1] описаны основные трудности сверления данного материала. Одной из них является большая площадь контакта по передней поверхности инструмента и малый угол сдвига, что вызывает высокое значение силы резания. Помимо большой нагрузки дополнительные трудности вызывает образование высокопрочной сливной стружки, трудно поддающейся выходу из отверстия, из-за чего часто происходят поломки сверл при их закусывании в данном материале. Плохое удаление стружки мешает обеспечивать низкую шероховатость обработанной поверхности и качественному охлаждению сверла. По этим причинам техническая медь типа м1 с высокой электропроводностью считается одним из наиболее труднообрабатываемых материалов.

Помимо описания проблемы обработки чистой меди в данном источнике приведены возможные решения по улучшению обрабатываемости: холодное пластическое деформирование и легирование. При холодном пластическом деформировании повышаются прочностные характеристики и уменьшается вязкость, что не всегда соответствует требованиям, предъявляемым к изготавливаемой детали. Помимо пластической деформации, для улучшения обрабатываемости, медный сплав легируют, что также приводит к изменению свойств полученного материала.

Помимо изменения свойств обрабатываемого материала для уменьшения нагрузки на сверло, существуют такие способы как изменение геометрических параметров сверла и подбор режимов резания. В справочнике [2] приводятся значения главного угла в плане φ, при котором происходит наиболее качественная обработка медных сплавов. Основываясь на экспериментальных данных и производственном опыте, угол 2φ при вершине сверла для сверления медных сплавов рекомендуется использовать равный 125 градусам. Наиболее подходящими режимами резания для сверления являются: скорость резания равная от 28 до 30 м/мин и подача равная 0,12-0,18 мм/об.

При обработке медных сплавов также важно хорошее охлаждение инструмента. В статье [3] приведены рекомендации по выбору смазочно-охлаждающей жидкости. Однако при сверлении отверстий сливная стружка препятствует ее попаданию в зону резания, что уменьшает эффект охлаждения. Сверла относительно малого диаметра с внутренней подачей СОЖ также не являются решением, так как из-за высокой пластичности и вязкости меди, сопла сверла забиваются, и эмульсия не попадает в зону резания, что приводит к резкому снижению периода сверла.

При изготовлении отверстий сверлом со смещенной вершиной, схема которого приведена на рисунке 1, есть возможность снизить трение сверла о стенки отверстия и уменьшить ухудшения поверхности из-за плохого выхода стружки, а так же вызывает разбиение отверстия.

Рассмотрим процесс сверления методом математического планирования на примере обработки детали втулка, изображенной на рис. 2, которая представляет собой изделие изготавливаемое из меди марки М1. Контролируемым размером является отверстие диаметром 7,3 мм, выполненного по и чистотой обработки не хуже Ra8.

Проведенные предварительные эксперименты не выявили существенного влияние главного угла в плане и скорости резания на получаемою шероховатость.

Для выявления влияния величины смещения вершины сверла (h) на получаемый диаметр отверстия и его шероховатость был проведен ряд предварительных экспериментов. Опыты проходили с рекомендуемыми режимами резания и геометрическими параметрами сверла диаметром 7,2 мм для обработки медных сплавов, что позволит наиболее точно выявить влияние h. Влияние смещения вершины сверла определялось с шагом 0,1 мм. Результаты данного эксперимента приведены в таблице 1.

 

Таблица 1. Влияния величины смещения вершины сверла на получаемый диаметр отверстия и его шероховатость.

n

h, мм

Ra

1

0

12,4

2

0,1

8,4

3

0.2

8,4

4

0,3

6,2

5

0,4

6,2

6

0,5

6,4

7

0,6

6,1

8

0,7

6,4

На основе полученных результатов проведем линейную аппроксимацию и получим зависимость получаемого отверстия от величины смещения вершины сверла(1).

Необходимая шероховатость отверстия получается при смещении вершины сверла на 0,3мм и больше. Однако при увеличении h свыше 0,7 мм происходит увеличение нагрузки на сверло и уменьшается его стойкость. Следовательно, h будет варьироваться в интервале от 0,3 до 0,7мм.

Данный опыт позволяет использовать в качестве зависимой переменной только диаметр получаемого отверстия.

Методом математического планирования определим требуемые параметры получаемого отверстия.

Зависимыми переменными, в данной модели, является диаметр получаемого отверстия.

Данная физическая модель будет включать в себя три независимых переменных. Первой переменной является величина смещения вершины сверла относительно его оси. Данный параметр позволяет улучшить выход стружки из отверстия, а также уменьшить температуру за счет уменьшения трения сверла о стенки отверстия. Вторым рассматриваемым параметром является главный угол в плане 2φ. Несмотря на то, что известно наиболее подходящее значение угла φ, смещение вершины сверла изменит условия обработки, что может изменить и влияние угла на процесс сверления. Аналогично главному углу в плане, оптимальная скорость резания, которая является третьим параметром, также может измениться.

Выделим факторы, включаемые в эксперимент таблица 2.

Таблица 2. Факторы в проводимом эксперименте.

Номер фактора

Наименование фактора

Обозначение

Размерность

Уровни варьирования факторов

Верхний

Нулевой

Нижний

1

Главный угол в плане

φ

Гр.

130

110

90

2

Смещение вершины сверла

h

мм

0,7

0,5

0,3

3

Скорость

резания

v

м/мин

25

30

35

 

Для двухуровневого эксперимента используем верхний и нижний пределы факторов и составим матрицу планирования эксперимента [4] Таблица 3.

Таблица 3. Матрица планирования трехфакторного двухуровневого эксперимента

№ опыта

Z1

Z2

Z3

1

+1

+1

+1

2

-1

+1

+1

3

+1

-1

+1

4

-1

-1

+1

5

+1

+1

-1

6

-1

+1

-1

7

+1

-1

-1

8

-1

-1

-1

 

После определения зависимости между исследуемыми переменными параметрами и определения числа опытов и составления матрицы планирования проводим ряд экспериментов.

Эксперимент проводили на токарном станке ctx-310. Данный станок предназначен для выполнения комплексной 3-х осевой обработки деталей малых и средних размеров в автоматическом или полуавтоматическом режиме.

Результаты измерений эксперимента представлены в таблице 4.

Таблица 4. Результаты измерений эксперимента.

№ 

Результаты наблюдений 

1

2

3

1

7,34

7,35

7,35

2

7,35

7,36

7,35

3

7,34

7,36

7,36

4

7,42

7,42

7,41

5

7,28

7,27

7,27

6

7,32

7,32

7,32

7

7,44

7,45

7,44

8

7,39

7,38

7,39

 

После получения результатов вычисление коэффициентов регрессии и проверки их значимости составим модель эксперимента (2):

Адекватность полученной модели проверяется с помощью критерия Фишера путем сравнения опытного значения с табличным. Экспериментальное значение критерия Фишера равно 3. Табличное значение критерия Фишера равно 10,1. Так как табличное значение больше экспериментального, то с доверительной вероятностью принятая модель считается адекватной.

Из полученной модели видно, что наиболее сильно диаметр получаемого отверстия зависит от величины смещения вершины сверла относительно его оси. Заметно влияют соотношения между смещением вершины и скоростью резания и тройное взаимодействие между всеми факторами.

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Резание металлов./ Трент Е.М. - М.: Машиностроение, 1980.- 263с. 

2. Резание металлов и режущие инструменты. /Солоненко В.Г.,Рыжкин А.А./ - ИНФРА-М, 2019.- 415с. 

3. Смазочно-охлаждающие технологические средства и их применение при обработке резаниемм: Справочник/ Л.В. Худобин, А.П. Бабичев, Е.М. Булыжев и др./ Под общ. Ред. Л.В. Худобина. – М.: Машиностроение, 2006. – 544с.

4. Оптимизация процессов технологии металлов методами планирования экспериментов. /Ф.С. Новик Я.Б. Арсов. – М.:Машиностроение; София; Техника, 1980. – 304с.