Дослідження стану поверхні алюмінієвих сплавів при високошвидкісній обробці
Автор: Проданчук Олег Олександрович
Кваліфікаційний рівень: магістр
Спеціальність: Технології машинобудування
Інститут: Інститут механічної інженерії та транспорту
Форма навчання: денна
Навчальний рік: 2020-2021 н.р.
Мова захисту: українська
Анотація: Проданчук О.О., Ступницький В.В. (керівник). Дослідження стану поверхні алюмінієвих сплавів при високошвидкісній обробці. Магістерська кваліфікаційна робота. – Національний університет «Львівська політехніка», Львів, 2020. Розширена анотація. Високошвидкісна обробка – сучасний високотехнологічний метод оброблювання металів на швидкостях різання і подач в 5-10 разів вище, ніж при звичайній обробці [9]. Високошвидкісна обробка спрямована на отримання складних форм поверхонь (поверхнева обробка, наприклад, гравюр, штампів, деталей які мають поверхні відмінні від примітивних - площин, циліндрів). На практиці високошвидкісна обробка - це співпраця обладнання, інструментів, програмного забезпечення та технологій, які використовують машиністи та програмісти з ЧПК для постійного підвищення ефективності обробки в сучасних сучасному машинному цеху. Просунуті комп’ютерні програми, що працюють на порівняно недорогих і потужних комп’ютерах, зробили можливим багато з цих швидких зрушень у підвищенні ефективності. Те, що можна було вважати HSM лише кілька років тому, тепер можна вважати стандартною швидкісною обробкою[1]. Офіційне пояснення HSM було запропоновано німецьким дослідником Карлом Соломоном в 1931 році: «При певних швидкостях різання тепловиділення починає зменшуватися», що супроводжується зменшенням сили різання [6]. Особливість HSM обумовлюється структурними змінами матеріалу в зоні стружкоутворення. З літературних джерел [1][9], відомо, що при підвищенні швидкості деформаційних процесів сили різання спочатку зростають, а потім, з досягненням певної температури, починають суттєво знижуватися. Час контакту різального леза з заготовкою і стружкою дуже малий, а швидкість відриву стружки настільки висока, що велика частина тепла, що утворюється в зоні різання внаслідок фрикційних процесів «стружка-інструмент», поширюється лише на стружку, а заготовка і інструмент не встигають нагріватися [6]. Дослідженню цього явища присвячена дана робота. При лезовій обробці матеріалів, які утворюють зливну стружку, у ріжучої кромки відбувається пластична деформація і різання матеріалу, спостерігається процес тертя між стружкою і передньою поверхнею інструменту, а також між поверхнею деталі і задньою поверхнею інструмента. При високошвидкісній обробці зі зростанням швидкості різання коефіцієнт тертя зменшується. Це відбувається внаслідок розм’якшення оброблюваного матеріалу в зоні розрізу, в деяких випадках - до появи рідкого шару. У порівнянні з механообробкою на звичайних швидкостях, головний ефект HSM полягає не в зменшенні машинного часу за рахунок інтенсифікації режимів різання, а в підвищенні якості обробки і можливості ефективного використання сучасних верстатів з ЧПК [9]. Використовуваним для дослідження матеріалом є алюмінієві сплави. Алюміній - один з найлегших металів (? = 2,70 г/?см?^3): приблизно втричі легше міді або заліза. За теплопровідністю і електропровідностю він поступається лише сріблу, золоту і міді. Алюміній - хімічно активний метал. Однак на поверхні алюмінію легко утворюється щільна окісна плівка ?Al?_2 O_3, яка захищає його від подальшої взаємодії з навколишнім середовищем. Окісна плівка має дуже хороше зчепленням з металом і малопроникна для всіх газів. Він має гарну корозійну стійкість в морській воді[3]. Алюміній має малу щільність, хорошу теплопровідність і електропровідність, високу пластичність і корозійну стійкість. Домішки погіршують всі ці властивості. Серед інших властивостей алюмінію слід зазначити його високу відбивну здатність, в зв’язку, з чим він використовується для прожекторів, рефлекторів, екранів телевізорів. Алюміній має малий ефективний поперечний переріз захоплення нейтронів. Він добре обробляється тиском, зварюється газовим і контактним зварюванням, але погано обробляється різанням. Алюміній має велику усадку затвердіння (6%). Висока теплота плавлення і теплоємність сприяють повільному охолодженню алюмінію з рідкого стану, що дає можливість покращувати виливки з алюмінію і його сплавів шляхом модифікування, рафінування та інших технологічних операцій [3]. Алюмінієві сплави характеризують високою питомою міцністю, здатністю чинити опір інерційним і динамічним навантагам. Тимчасовий опір алюмінієвих сплавів досягає 500 - 700 МПа при щільності не більше 2850 кг / м3. За питомою міцності деякі алюмінієві сплави близькі або відповідні високоміцним сталям. Більшість алюмінієвих сплавів мають хорошу корозійну стійкість. Алюмінієві сплави більш пластичні за магнієві та навіть деякі види пластмас. Більшість з них перевершують магнієві сплави по корозійній стійкості, пластмаси - з стабільності властивостей [2]. Об’єкт дослідження - Процеси високошвидкісної обробки та залежність їх основних показників, таких як термодинамічний та напружено-деформований стан, при механічному оброблюванні, за різних швидкісних режимів та конструкції ріжучої кромки інструменту. Предмет дослідження - Вплив швидкісних режимів та конструкції інструменту на напружено-деформований та термодинамічний стан у зоні різання в програмному середовищі DEFORM 2D з подальшим створенням та аналізом графічних залежностей. Мета дослідження: Мета дослідження полягає у визначенні позитивних та негативних аспектів високошвидкісної обробки шляхом проведення моделювання процесів різання у програмному середовищі DEFORM 2D з застосуванням методу кінцевих елементів, шляхом утворення реологічної моделі, максимально наближеної до реальних умов металообробки. Аналіз, напрацьованих у симуляції даних, відповідно до показників швидкості та геометрії інструменту, з подальшим порівнянням для визначення впливу на обробку зазначених параметрів та залежної від них ефективності процесу. Результати дослідження: ? Створення імітаційних моделей різання з основними параметрами обробки за різних швидкостей у системі DEFORM 2D; ? Порівняння їх температурних показників у зоні різання; ? Порівняння їх сили різання; ? Створення імітаційних моделей з основними параметрами обробки за різної конструкції інструменту; ? Порівняння їх впливу на швидкість та величину зношування інструменту. Ключові слова – високошвидкісна обробка, алюмінієві сплави, різання на високих швидкостях, вплив швидкості на механообробку, обробка алюмінієвих сплавів. Перелік використаних літературних джерел: 1. Current Trends in High-Speed Machining. S.Smith, J. Tlusty. Dept. of Mech. Engr. Univ. of Florida, Gainsville, FL 32611. 2. Aluminum and Aluminum Alloys. Alloying: Understanding the Basics J.R. Davis, p351-416. DOI:10.1361/autb2001p351. 3. Aluminium Alloys – Recent Trends in Processing, Characterization, Mechanical behavior and Applications, Edited by Subbarayan Sivasankaran. First published December, 2017 Printed in Croatia Legal deposit, Croatia: National and University Library in Zagreb 4. Технологія машинобудування. Посібник-довідник для виконання кваліфікаційних робіт. Юрчишин І.І., Литвиняк Я.М., Грицай І.Є та інші. – Львів, видавництво НУ “Львівська політехніка”, 2009, 528 с. 6. High Speed Machining. 2020 Keller Technology Corp. https://kellertechs.wpengine.com/blog/high-speed-machining-101/ 7. Corrosion of Aluminum and Aluminum Alloys, J.R. Davis, Ed., ASM International, 1999. 8. Проданчук О. О., Ступницький В. В. Дослідження результатів імітаційного моделювання процесу високошвидкісного різання в системі Deform-2D // Машинобудування очима молодих: прогресивні ідеї – наука – виробництво: матеріали Дев’ятнадцятої міжнародної молодіжної науково-технічної конференції (Суми, 25–26 листопаду 2020 року). – 2020. – C. 115–118. (За іншою тематикою) [н.к. - Ступницький В.В.]. 9. Conditions of effective application of highspeed processing. Levchenko Y.K., Marshuba V.P. 25.12.2012 р.