Забезпечення циклічної довговічності деталей при фінішному токарному обробленні інструментом із кубічного нітриду бору
Представлено дослідження взаємозв’язку стану поверхневого шару деталі зі сталі 40Х, що сформований при фінішному токарному обробленні інструментом із щільних модифікацій нітриду бору, та його циклічної довговічності. Вперше отримано математичну модель, яка показує залежність циклічної довговічності...
Saved in:
| Published in: | Сверхтвердые материалы |
|---|---|
| Date: | 2018 |
| Main Authors: | , , |
| Format: | Article |
| Language: | Ukrainian |
| Published: |
Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України
2018
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/166993 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Забезпечення циклічної довговічності деталей при фінішному токарному обробленні інструментом із кубічного нітриду бору / К.С. Барандич, С.П. Вислоух, В.С. Антонюк // Сверхтвердые материалы. — 2018. — № 3. — С. 67-78. — Бібліогр.: 22 назв. — укр. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859802710955524096 |
|---|---|
| author | Барандич, К.С. Вислоух, С.П. Антонюк, В.С. |
| author_facet | Барандич, К.С. Вислоух, С.П. Антонюк, В.С. |
| citation_txt | Забезпечення циклічної довговічності деталей при фінішному токарному обробленні інструментом із кубічного нітриду бору / К.С. Барандич, С.П. Вислоух, В.С. Антонюк // Сверхтвердые материалы. — 2018. — № 3. — С. 67-78. — Бібліогр.: 22 назв. — укр. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Сверхтвердые материалы |
| description | Представлено дослідження взаємозв’язку стану поверхневого шару деталі зі сталі 40Х, що сформований при фінішному токарному обробленні інструментом із щільних модифікацій нітриду бору, та його циклічної довговічності. Вперше отримано математичну модель, яка показує залежність циклічної довговічності від режимів токарного оброблення деталей інструментом із кубічного нітриду бору. Обґрунтовано можливість фінішного токарного оброблення відповідальних деталей, що працюють під впливом навантажень, змінних за величиною і напрямком.
Представлено исследование взаимосвязи состояния поверхностного слоя детали из стали 40Х, который сформирован при финишной токарной обработке инструментом из плотных модификаций нитрида бора, и его циклической долговечности. Впервые получена математическая модель, показывающая зависимость циклической долговечности от режимов токарной обработки деталей инструментом из кубического нитрида бора. Обоснована возможность финишного токарной обработки ответственных деталей, работающих под воздействием нагрузок, переменных по величине и направлению.
The study of the relationship between the state of the surface layer of a 40X steel component, which is formed at the finishing turning by a tool from dense modifications of boron nitride, and its fatigue life is presented. For the first time, a mathematical model that presents the dependence of fatigue life on cutting conditions of components with cBN tool was got. This study shows that finish turning of critical components which work under variable on value and direction loads is applicable.
|
| first_indexed | 2025-12-07T15:13:53Z |
| format | Article |
| fulltext |
ISSN 0203-3119. Сверхтвердые материалы, 2018, № 3 67
УДК 621.7.015:539.43:621.941.025.7
К. С. Барандич, С. П. Вислоух, В. С. Антонюк*
Національний технічний університет України
“Київський політехнічний інститут ім. Ігоря Сікорського”,
м. Київ, Україна
*vp@kpi.ua
Забезпечення циклічної довговічності
деталей при фінішному токарному
обробленні інструментом із кубічного
нітриду бору
Представлено дослідження взаємозв’язку стану поверхневого
шару деталі зі сталі 40Х, що сформований при фінішному токарному обробленні
інструментом із щільних модифікацій нітриду бору, та його циклічної довговіч-
ності. Вперше отримано математичну модель, яка показує залежність цикліч-
ної довговічності від режимів токарного оброблення деталей інструментом із
кубічного нітриду бору. Обґрунтовано можливість фінішного токарного оброб-
лення відповідальних деталей, що працюють під впливом навантажень, змінних
за величиною і напрямком.
Ключові слова: циклічна довговічність, якість поверхневого ша-
ру, фінішне токарне оброблення, кубічний нітрид бору.
ВСТУП
В даний час при оброблюванні металів різанням спостеріга-
ється тенденція заміни шліфування фінішною обробкою деталей точінням
[1]. При цьому використовуються інструменти з різальною частиною з надтве-
рдих матеріалів, зокрема з полікристалічного кубічного нітриду бору [2–6], які
забезпечують прецизійне оброблення відповідальних деталей, до яких
пред’являються високі вимоги за експлуатаційними властивостями.
До таких деталей відносяться вали, осі, шатуни, пальці, шестерні, ротори
та їх кріпильні елементи, зубчаті колеса, підшипники, диски тощо, які пра-
цюють під дією навантажень змінних за величиною та напрямком. Зокрема, у
валах та осях під час роботи навіть при постійних зовнішніх навантаженнях
виникають знакозмінні напруження згину симетричного циклу, що можуть
призвести до їхнього втомного руйнування. При цьому опір втомі деталей
залежить від їхніх абсолютних розмірів (масштабного коефіцієнту), концент-
рації напружень, впливу зовнішнього середовища, схеми та частоти наванта-
ження, а також від стану їхнього поверхневого шару. Однією з основних ха-
рактеристик опору втомі є циклічна довговічність [7–9].
Оброблення точінням і шліфуванням супроводжується наклепом і форму-
ванням залишкових напружень стиску або розтягу різних інтенсивності та
глибини залягання. Швидкісне різання формує залишкові напруження стиску,
а силове – розтягу; шліфування абразивними кругами – розтягу, а алмазни-
ми – стиску. До того ж при точінні, як і при механо-ультразвуковому, електро-
ерозійному і лазерному оброблюванні деталей, можна отримати так звані
© К. С. БАРАНДИЧ, С. П. ВИСЛОУХ, В. С. АНТОНЮК, 2018
stmj.org.ua 68
“білі” поверхневі шари [10], які значно підвищують корозійно-механічну
міцність, зносостійкість та інші експлуатаційні характеристики виробів.
При таких видах оброблення відбувається імпульсне нагрівання при знач-
них швидкостях відведення тепла і дифузії вуглецю, хрому, нікелю та інших
елементів із внутрішніх шарів деталі до її поверхні, що призводить до зміни
механічних властивостей і підвищення опору втомі її матеріалу.
Аналіз робіт з використання надтвердих матеріалів при фінішному оброб-
ленні деталей показав, що більшість досліджень пов’язана з оцінкою їхніх
різальних властивостей і визначенням впливу режимів різання на шорсткість
оброблюваної поверхні [11–15].
В [5, 16, 17] представлено аналіз параметрів якості поверхневих шарів (мі-
кротвердості, поверхневого зміцнення і залишкових напружень) після оброб-
лення інструментами з надтвердих матеріалів.
В [16] наведено результати досліджень впливу виду механічної обробки і
матеріалу інструменту на структурний стан поверхневого шару деталі зі сталі
ХВСГ та її опір втомі. Ці дослідження показали, що втомне руйнування зраз-
ків, шліфованих абразивними кругами 1А1 250×16×76 63С 6 СМ1К, відбува-
ється швидше, ніж зразків, що отримано точінням інструментом із гексаніту-
Р, оскільки обмежена границя витривалості для шліфованих зразків була на
32 % нижча, ніж для зразків, які оброблювали точінням при швидкості різан-
ня 200 м/хв, подачі 0,07 мм/об і глибині різання 0,07 мм/об.
Таким чином, аналіз робіт показує, що токарне оброблення дозволяє от-
римувати деталі з високими якісними характеристиками поверхневого ша-
ру, а отже, і експлуатаційними характеристиками, в порівнянні зі шліфу-
ванням.
Метою цієї роботи було встановлення взаємозв’язку циклічної довговіч-
ності, стану поверхневого шару деталі та режимів різання при фінішному
оброблюванні інструментом із надтвердого матеріалу.
МЕТОДИКА ДОСЛІДЖЕНЬ
Експериментальні дослідження виконували на зразках зі сталі 40Х
ГОСТ 4543–71. При цьому використовували різці PVVNN 2525M-16Q з різа-
льною пластиною з кубічного нітриду бору VBGW 160404T00815SE фірми
“Kyocera” (Японія).
Дослідження впливу режимів токарного оброблення деталі та матеріалу
інструменту на циклічну довговічність виконували на гладких зразках круг-
лого перерізу типу І згідно ГОСТ 25.502–79 (рис. 1) при кімнатній темпе-
ратурі. Формування робочої частини зразків здійснювали в декілька етапів.
Спочатку виконували токарне оброблювання зразка з припуском на заключ-
ний чистовий токарний перехід. На наступному етапі з метою видалення ри-
сок на поверхні зразків від попереднього токарного оброблення та округлен-
ня гострих крайок здійснювали їх шліфування і механічне полірування. Після
цього для зняття наклепу зразки піддавали термічному обробленню. Термічне
оброблення виконували в середовищі захисного газу для недопущення окис-
нення поверхонь за такого режиму: нагрів – до температури 450 °С, витримка
– 2 год, охолодження – в печі. Чистове оброблення зразків виконували на
токарному оброблюваному центрі HAAS ST20 без охолодження в діапазоні
швидкостей різання v від 80 до 180 м/хв і подач S від 0,08 до 0,12 мм/об при
глибині різання t = 0,3 мм.
Для проведення експериментальних досліджень на втому відповідно
ГОСТ 25.502–79 обрано схему навантаження: чистий згин при обертанні зра-
ISSN 0203-3119. Сверхтвердые материалы, 2018, № 3 69
зка. Випробування виконували на базі N = 2·107 циклів при температурі
20 °С за частоти обертання зразка 2000 об/хв на випробувальній машині
МУИ-6000. Напруження циклу σ варіювали від 225 до 670 МПа. При цьому
кількість циклів до руйнування представлено у вигляді математичного очіку-
вання в результаті випробування п’яти зразків, виготовлених за відповідними
режимами різання при вказаному напруженні, за дисперсії, що не перевищу-
вала 7 %.
Рис. 1. Загальний вигляд зразка для випробувань на втому.
З метою визначення впливу режимів токарного оброблення на стан по-
верхневого шару зразків виконували дослідження параметрів, що мають
найбільший вплив на характеристики опору втомі. Такими параметрами,
відповідно до [18–20], є найбільша висота профілю Rmax, середній крок
нерівностей профілю Sm і деформаційне зміцнення поверхневого шару uH.
Воодночас збільшення Rmax зменшує циклічну довговічність деталей, а
зростання Sm і uH підвищує її значення. Вплив залишкових напружень мож-
на не враховувати, оскільки, відповідно дослідженням А. М. Сулими [8],
відносна значимість кожного з параметрів якості поверхневого шару в зни-
женні опору втомі зразків після оброблення складає: шорсткість поверхні –
до 50 %; зміцнення поверхневого шару – 40–45 %; технологічні залишкові
напруження – до 5–10 %.
Визначення параметрів шорсткості Rmax, Sm, а також Ra і Rz зразків, що
виготовлено за різними режимами токарного оброблення, виконували з вико-
ристанням приладу MarSurf PS1 (Німеччина).
Для оцінки мікротвердості, глибини і ступеня зміцнення зовнішньої цилін-
дричної поверхні використовували метод вимірювання мікротвердості на
косих шліфах під кутом 4°–6° до поверхні. Для недопущення завалу краю
зразків виконували їх запресовування на пресі для гарячого запресування
фірми “Buehler” (Німеччина) з використанням бакеліту при температурі
150 °С і тиску 150 Бар. Шліфування виконували на шліфувально-
полірувальному верстаті фірми “Buehler” папером для шліфування P350,
P600, P800, P1200, P2500 при швидкості обертання 300 об/хв і тиску 25 Н.
Полірування виконували з використанням фетру і суспензії Al2O3 при швид-
кості обертання 10 об/хв і тиску 20 Н.
Мікротвердість поверхневих шарів оброблених зразків вимірювали у відпо-
відності до ДСТУ ISO 6507-1:2007 за Віккерсом на мікротвердомірі ПМТ-3.
При цих дослідженнях навантаження на індентор складало 0,1 Н за тривалос-
ті прикладання зусилля 10 с. Вимірювання виконували в напрямку від місця
виходу мікрошліфа на поверхню до основного матеріалу.
Вивчення структури втомних зламів виконували на зразках після прове-
дення досліджень на втому з використанням скануючого електронного мікро-
скопу РЭМ 106И.
Обробку результатів експериментальних досліджень з метою отримання
адекватних математичних моделей здійснювали за методикою багатовимір-
ного регресійного аналізу даних [21].
stmj.org.ua 70
РЕЗУЛЬТАТИ ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНИХ ДОСЛІДЖЕНЬ
ТА ЇХ ОБГОВОРЕННЯ
Втомний злом зразка, який випробовували за напруження циклу σ = 300 МПа,
представлено на рис. 2, де можна виділити чотири зони, що є характерними
для втомного руйнування: зона осередку зародження втомного пошкодження,
зона поступового просування тріщин, зона прискореного розвитку тріщин,
зона долому. Місце зародження втомної тріщини в досліджуваному зразку
показано на рис. 3.
3 2 3
4 1 4
а б
Рис. 2. Загальний вигляд втомного злому зразка з лівої (а) і правої (б) сторони: 1 – зона
осередку зародження втомного пошкодження; 2 – зона поступового просування тріщин;
3 – зона прискореного розвитку тріщин; 4 – зона долому.
I
Рис. 3. Фрактографія втомного зламу зразка зі сталі 40Х при напруженні циклу 300 МПа; І
– місце зародження втомної тріщини.
На рис. 4 представлено криві втоми для зразків зі сталі 40 Х, що отримано за
різними режимами токарного оброблення. Їх аналіз дозволяє зробити висновок
про вплив режимів оброблення на довговічність зразків. Так, найменшу довгові-
чність мають зразки, що оброблено за режиму v = 80 м/хв, S = 0,08 мм/об,
t = 0,3 мм, а найбільшу – за режиму v = 120 м/хв, S = 0,12 мм/об, t = 0,3 мм.
При цьому розбіжність між отриманими експериментальними значеннями кі-
лькості циклів до руйнування збільшується при зменшенні напруження циклу.
ISSN 0203-3119. Сверхтвердые материалы, 2018, № 3 71
100
200
300
400
500
600
700
800
1,E+03 1,E+04 1,E+05 1,E+06 1,E+07 lgN
Н
ап
ру
ж
ен
н
я,
М
П
а
Рис. 4. Результати випробувань на втому зразків зі сталі 40Х за режимами оброблення: v =
80 м/хв, S = 0,08 мм/об, t = 0,3 мм (■), v = 180 м/хв, S = 0,08 мм/об, t = 0,3 мм (▲), v =
120 м/хв, S = 0,12 мм/об, t = 0,3 мм (♦).
Аналіз результатів випробувань на втому (рис. 5) показав, що за напру-
женням 500 МПа кількість циклів до руйнування для зразків, що оброблено
за режиму v = 80 м/хв, S = 0,08 мм/об, t = 0,3 мм склала 11300 циклів; за ре-
жиму v = 180 м/хв, S = 0,08 мм/об, t = 0,3 мм – 15000 циклів; за режиму
v = 120 м/хв, S = 0,12 мм/об, t = 0,3 мм – 20500 циклів.
1700
1800
1900
2000
2100
2200
2300
30 130 230 330 430 530 630 730
Глибина поверхневого шару, мкм
HV, МПа
а
1700
1800
1900
2000
2100
2200
2300
30 130 230 330 430 530 630 730
HV, МПа
Глибина поверхневого шару, мкм
б
Рис. 5. Результати визначення мікротвердості поверхневого шару зразків за Віккерсом за
режимами оброблення: а – v = 80 м/хв, S = 0,08 мм/об (•), v = 120 м/хв, S = 0,08 мм/об (▲),
v = 180 м/хв, S = 0,08 мм/об (■); б – v = 120 м/хв, S = 0,1 мм/об (▲), v = 180 м/хв,
S = 0,1 мм/об (■); в – v = 80 м/хв, S = 0,12 мм/об (•), v = 120 м/хв, S = 0,12 мм/об (▲),
v = 180 м/хв, S = 0,12 мм/об (■).
stmj.org.ua 72
1700
1800
1900
2000
2100
2200
2300
30 130 230 330 430 530 630 730
HV, МПа
Глибина поверхневого шару, мкм
Рис. 5. (Продовження).
За напруженням 400 МПа кількість циклів до руйнування для зразків, що
оброблено за режиму v = 80 м/хв, S = 0,08 мм/об, t = 0,3 мм склала 40600 цик-
лів; за режиму v = 180 м/хв, S = 0,08 мм/об, t = 0,3 мм – 59700 циклів; за ре-
жиму v = 120 м/хв, S = 0,12 мм/об, t = 0,3 мм – 95000 циклів.
За напруженням 300 МПа кількість циклів до руйнування для зразків, що
оброблено за режиму v = 80 м/хв, S = 0,08 мм/об, t = 0,3 мм склала 150000
циклів; за режиму v = 180 м/хв, S = 0,08 мм/об, t = 0,3 мм – 290000 циклів; за
режиму v = 120 м/хв, S = 0,12 мм/об, t = 0,3 мм – 430000 циклів.
Таким чином, максимальна розбіжність кількості циклів до руйнування за
напруженням 300 МПа для зразків, що оброблено за режиму v = 80 м/хв,
S = 0,08 мм/об, t = 0,3 мм і за режиму v = 120 м/хв, S = 0,12 мм/об, t = 0,3 мм
становила 2,9 рази. Отже, можна зробити висновок про суттєвий вплив ре-
жимів токарного оброблення на довговічність зразків.
Результати досліджень параметрів мікрогеометрії зразків за різними ре-
жимами різання, наведено в табл. 1.
Таблиця 1. Значення параметрів шорсткості оброблених зразків
v, м/хв S, мм/об Ra, мкм Rz, мкм Rmax, мкм Sm, мкм
80 0,12 2,68 12,727 15,630 112,960
120 0,08 1,45 7,15 10,989 84,24
120 0,12 1,68 7,47 11,259 110,15
120 0,10 1,57 7,14 9,467 98,46
80 0,08 2,66 13,11 15,546 103,06
180 0,08 1,13 5,76 12,972 80,23
180 0,10 1,52 6,21 10,116 110,28
180 0,12 1,35 6,01 9,630 93,80
180 0,16 1,94 8,58 11,307 145,632
Аналіз отриманих результатів показав, що найменші значення параметрів
Ra, Rz і Sm відповідають режиму оброблення v = 180 м/хв, S = 0,08 мм/об,
t = 0,3 мм, а найменші значення Rmax – режиму оброблення v = 120 м/хв, S =
0,1 мм/об, t = 0,3 мм.
Найбільші значення параметрів Ra, Rmax отримано за режиму оброблення
v = 80 м/хв, S = 0,12 мм/об, t = 0,3 мм, найбільші значення Rz – за режиму
ISSN 0203-3119. Сверхтвердые материалы, 2018, № 3 73
оброблення v = 80 м/хв, S = 0,08 мм/об, t = 0,3 мм і найбільші значення Sm –
за режиму оброблення v = 180 м/хв, S = 0,16 мм/об, t = 0,3 мм.
Результати вимірювання мікротвердості поверхневого шару зразків, що
отримано при їх токарному обробленні за різними режимами, наведено на
рис. 5. При цьому значення мікротвердості поверхневого шару зразків надані
як їхні математичні очікування з дисперсією відхилень, що не перевищувала
10 %.
Найбільші значення мікротвердості на наведених рисунках спостері-
гаються на глибині 30–130 мкм. Надалі поступово з глибини від 400 до
700 мкм значення мікротвердості для всіх зразків вирівнюються, що
відповідає мікротвердості основного матеріалу і становить 1900 МПа.
Результати розрахованих значень ступеня зміцнення пластично деформова-
ного поверхневого шару uH після токарного оброблення за різними режимами
різання представлено в табл. 2.
Аналіз отриманих результатів показав, що найбільші значення ступеня
зміцнення пластично деформованих поверхневих шарів відповідають режи-
мам оброблення v = 80 м/хв, S = 0,12 мм/об, t = 0,3 мм і v = 120 м/хв,
S = 0,08 мм/об, t = 0,3 мм, а найменші значення – режимам v = 80 м/хв,
S = 0,08 мм/об, t = 0,3 мм і v = 180 м/хв, S = 0,08 мм/об, t = 0,3 мм.
Таблиця 2. Значення ступеня зміцнення пластично деформованого
шару зразків, що оброблено за різними режимами різання
v, м/хв S, мм/об Нпов, МПа Носн, МПа uH, %
80 0,12 2291,70 1946,32 17,75
120 0,08 2271,61 1875,00 21,15
120 0,12 2223,08 1921,58 15,69
120 0,1 2229,26 1935,06 15,20
80 0,08 2135,49 1921,58 11,13
180 0,08 2119,49 1912,00 10,85
180 0,1 2197,42 1921,58 14,35
180 0,12 2240,91 1905,49 17,60
Визначення комплексного впливу параметрів стану поверхневого шару
зразків на їх втомну міцність виконували шляхом оброблення експеримента-
льних результатів досліджень з використанням багатофакторного регресійно-
го аналізу даних [21].
Це дозволило отримати математичні залежності параметрів поверхневого
шару від режимів процесу токарного оброблення:
( ) SvvSvSSvvSR 22 011,0769,5605,13,189114,01,15,max +−−+−= ; (1)
( ) SvvSvSSvvSSm 22 018,0887,21907,6878,472111,0834,94, ++−+−= ; (2)
( ) SvvSvSSvvSuH
22 09,0204,17683,0268,1119,0942,14, −+−−+= . (3)
На рис. 6–8 наведено графічні залежності отриманих математичних моде-
лей (1–3), що є дійсними в діапазоні швидкостей різання від 80 до 180 м/хв і
подач від 0,08 до 0,12 мм/об. Ці моделі є адекватними за F-критерієм Фішера
при довірчій ймовірності 0,95.
stmj.org.ua 74
5
9
13
15
R
m
ax
, м
к
м
v, мм/хв
S, мм/об
80
100
120
140
160
180
0,08
0,095
0,11
Рис. 6. Залежність найбільшої висоти профілю від подачі та швидкості різання.
70
90
110
S
m
, м
км
v, м/хв
S, мм/об
80
100
120
140
160
180
0,08
0,105
Рис. 7. Залежність середнього кроку нерівності профілю від подачі та швидкості різання.
10
14
18
u H
, м
к
м
v, м/хв S, мм/об
80
100
120
140
160
180 0,08
0,095
0,11
Рис. 8. Залежність ступеня зміцнення пластично деформованого поверхневого шару від
подачі та швидкості різання.
Таким чином, згідно з методикою використання кількох часткових кри-
теріїв вихідного показника математичної моделі, що надано в [21], комплекс-
ний показник стану поверхневого шару деталі від режимів різання у вказано-
му раніше діапазоні швидкостей і подач для трьох його часткових складових
з урахуванням наведених вагових коефіцієнтів можна представити у вигляді
наступної математичної моделі:
ISSN 0203-3119. Сверхтвердые материалы, 2018, № 3 75
( ) ( )
( ) ( )
( )
( ) ( )
( )
( ) ( ) .
,,
,)09,0204,17683,0268,1119,0942,14(
,,
,)018,0887,21907,6878,472111,0834,94(
,max,max
,max)011,0769,5605,13,189114,01,15(
,
minmax
min
22
3
minmax
min
22
2
minmax
min
22
1
−
−−+−−+
α+
+
−
−++−+−
α+
+
−
−+−−+−
α−=
vSuvSu
vSuSvvSvSSv
vSSmvSSm
vSSmSvvSvSSv
vSRvSR
vSRSvvSvSSv
vSP
HH
H
(4)
В моделі (4), відповідно до [18–20], складову Rmax(S, v) враховано зі знаком
“мінус”, оскільки збільшення Rmax знижує опір втомі, а складові моделі
Sm(S, v) і uH (S, v) – зі знаком “плюс”, тому що їх зростання підвищує опір втомі.
В результаті аналізу літературних даних [22] і за результатами експериме-
нтальних досліджень встановлено, що вагові коефіцієнти – складові комплек-
сного показника стану поверхневого шару деталі, можуть приймати наступні
значення: α1 = 1,6, α2 = 1,4, α3 = 1,1.
Залежність комплексного показника стану поверхневого шару деталі від
режимів різання представлено на рис. 9, де видно, що в інтервалах швидкос-
тей і подач, що досліджували, при збільшенні подачі і швидкості різання
комплексний показник стану поверхневого шару P(S, v) зростає. Це дозволяє
зробити припущення про відповідне зростання циклічної довговічності.
–0,5
0,5
P
v, м/хв
S, мм/об
0
100
120
140
160
180 0,08
0,105
1,0
1,5
80
Рис. 9. Залежність комплексного показника стану поверхневого шару деталі від подачі та
швидкості різання.
Отримані результати експериментальних досліджень на втому дозволили сфо-
рмувати математичну модель, що є залежністю циклічної довговічності від ре-
жимів токарного оброблення сталі 40Х інструментом із кубічного нітриду бору:
( ) ,,, kevSN =σ (5)
де
.013,3929,20000004,0
941,5002,0002,019,13006,130048,0437,14
222 σ+++
+σ−σ−+σ−++=
Sv
SvvSSvk
Залежність (5), відповідно до виконаних експериментальних досліджень,
дійсна в межах зміни параметрів: v = 80–180 м/хв, S = 0,08–0,12 мм/об,
σ = 225–670 МПа. Наведена модель є адекватною за F-критерієм Фішера
при довірчій ймовірності 0,95.
stmj.org.ua 76
Характер комплексного впливу режимів токарного оброблення і напру-
ження циклу на циклічну довговічність зразків представлено на рис. 10.
0,12
N, циклы
v, м/хв
S, мм/об
70
100 130
160
190
2⋅10
4
a
0,10 0,08 0,07
6⋅10
4
8⋅10
4
б
Рис. 10. Залежності циклічної довговічності від режимів оброблення і напруження циклу
при σ = 450 (а) і 500 (б) МПа.
Аналіз результатів досліджень зразків на втому показав, що циклічна дов-
говічність при фінішному токарному обробленні зразків зі сталі 40Х інстру-
ментом на основі кубічного нітриду бору для подач від 0,08 до 0,12 мм/об,
швидкостей різання від 80 до 180 м/хв і глибини різання 0,3 мм збільшується
при збільшенні як подачі, так і швидкості різання.
При цьому вплив подачі має більш вагоме значення. Це відповідає отри-
маній математичній моделі комплексного показника стану поверхневого ша-
ру деталі (4), дослідженням А. М. Суліми, А. Г. Суслова та інших вчених і
дозволяє підтвердити достовірність математичної моделі циклічної довговіч-
ності (5) для сталі 40Х.
ВИСНОВКИ
Результати наведених експериментальних досліджень параметрів якості
поверхневого шару зразків зі сталі 40Х показали доцільність виконання фі-
нішного токарного оброблення поверхонь деталей, які працюють в умовах
циклічного навантаження, інструментом із щільних модифікацій нітриду
бору.
Так, дослідження параметрів шорсткості показали можливість формуван-
ня мікрогеометрії профілю зразків зі значеннями Ra = 1,13–2,68 мкм, Rz =
5,76–12,73 мкм, Rmax = 9,47–16,27 мкм і Sm = 80,23–112,96 мкм, а дослід-
ження мікротвердості пластично деформованого поверхневого шару мате-
ріалу зразків – можливість отримати значення ступеня зміцнення в діапазоні
10,85–21,15 %.
Отримана математична модель комплексного показника стану поверхне-
вого шару деталі дає можливість встановити характер впливу режимів оброб-
лення на циклічну довговічність деталей.
Експериментальні дослідження на втому показали вплив режимів різання
на циклічну довговічність матеріалу зразків за різних напружень циклу і
дозволили представити його у вигляді математичної моделі.
ISSN 0203-3119. Сверхтвердые материалы, 2018, № 3 77
Отримана математична модель відповідає комплексному показнику стану
поверхневого шару деталі, що підтверджує її достовірність і дає можливість в
подальшому розв’язати задачу оптимізації режимів оброблення деталей, що
працюють в умовах змінних навантаженнь.
Представлено исследование взаимосвязи состояния поверхностного
слоя детали из стали 40Х, который сформирован при финишной токарной обработке
инструментом из плотных модификаций нитрида бора, и его циклической долговечности.
Впервые получена математическая модель, показывающая зависимость циклической
долговечности от режимов токарной обработки деталей инструментом из кубического
нитрида бора. Обоснована возможность финишного токарной обработки ответствен-
ных деталей, работающих под воздействием нагрузок, переменных по величине и направ-
лению.
Ключевые слова: циклическая долговечность, качество поверхностного
слоя, финишная токарная обработка, кубический нитрид бора.
The study of the relationship between the state of the surface layer of a 40X
steel component, which is formed at the finishing turning by a tool from dense modifications of
boron nitride, and its fatigue life is presented. For the first time, a mathematical model that
presents the dependence of fatigue life on cutting conditions of components with cBN tool was
got. This study shows that finish turning of critical components which work under variable on
value and direction loads is applicable.
Keywords: fatigue life, surface quality, finish turning, cBN.
1. M’Saoubi R., Outeiro J. C., Chandrasekaran H., Dillon Jr. O. W., Jawahir I. S. A review of
surface integrity in machining and its impact on functional performance and life of machined
products // Int. J. Sust. Manufact. – 2008. – 1. – P. 203–236.
2. Боровский Г. В., Пини Е., Хачикян Е. А. Высокопроизводительная прецизионная обра-
ботка закаленных сталей малоразмерным инструментом из кубического нитрида бора
(КНБ) // Известия МГТУ “МАМИ”. – 2012. – № 2(14), т. 2. – С. 30–38.
3. Volkogon V. M., Antonyuk V. S. The effect of grafite-like boron nitride to the formation of
residual stresses, strength, and performance of materials based on wurtzitic boron bitride //
J. Superhard Mater. – 2001. – 23, N 5. – P. 50–53.
4. Chou Y. K., Evans C. J., Barash M. M. Experimental investigation on cubic boron nitride
turning of hardened AISI 52100 steel // J. Mater. Proc. Technol. – 2003. – 134, N 1. – P. 1–9.
5. Antonyuk V. S. Formation of wear-resistant antifriction composite coatings reinforced with
ultradispersed diamond // J. Superhard Mater. – 1998. – 20, N 4. – P. 66–69.
6. Balan C.-I. Factors influencing surface integrity in hard machining of steels. A review // Int.
J. Sci. Eng. Res. – 2015. – 6, N 5. – P. 38–43.
7. Биргер И. А., Шорр Б. Ф., Иосилевич Г. Б. Расчет на прочность деталей машин. – М.:
М.: Машиностроение, 1993. – 640 с.
8. Сулима А. М., Шулов В. А., Ягодкин Ю. Д. Поверхностый слой и эксплуатационные
свойства деталей машин. – М.: Машиностроение, 1988. – 240 с.
9. Писаренко Г. С., Квітка О. Л., Уманський Е. С. Опір матеріалів: Підручник / За ред.
Г. С. Писаренка. – К.: Вища шк., 2004. – 655 с.
10. Карпенко Г. В. Влияние среды на прочность и долговечность металлов. – К.: Наук.
думка, 1976. – 127 с.
11. Das S. R., Dhupal D., Kumar A. Experimental investigation on cutting force and surface
roughness in machining of hardened AISI 52100 steel using CBN tool // 5th International &
26th All India Manufacturing Technology, Design and Research Conference (AIMTDR
2014), IIT Guwahati, Assam, India, 12–14 Decem., 2014.
12. Zawada-Tomkiewicz A. Analysis of surface roughness parameters achieved by hard turning
with the use of PCBN tools / Estonian J. Eng. – 2011. – 17, N 1. – P. 88–99.
13. Kaçal A., Yıldırım F. High speed hard turning of AISI S1 (60WCrV8) cold work tool steel //
Acta Polytechnica Hungarica. – 2013. – 10, N 8. – P. 169–186.
14. Мановицкий А. С. Взаимосвязь шероховатости обработанной поверхности, радиальной
составляющей силы резания и производительности при точении резцами из киборита
закаленной стали ШХ15 // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инстру-
stmj.org.ua 78
мент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. – К.: ІНМ
ім. В. М. Бакуля НАН України, 2009. – Вип. 12 – С. 451–455.
15. Yallese M. A., Chaoui K., Zeghibb N., Boulanouar L., Rigal J.-F. Hard machining of
hardened bearing steel using cubic boron nitride tool // J. Mater. Proc. Technol. – 2009. –
209, N 2. – P. 1092–1104.
16. Барандич Е. С. Федоран Ю. А., Волкогон В. М., Антонюк В. С., Выслоух С. П., Котляр Д. А.,
Кравчук А. В. Влияние технологических параметров механической обработки на стру-
ктурное состояние поверхностных слоев и сопротивление усталости стали ХВСГ // Ре-
зание и инструмент в технологических системах. – 2015. – № 85. – С. 8–16.
17. Zhou J., Bushlya V., Peng R. L., Chen Zh., Johansson S., Eric Ja. Stahl analysis of subsur-
face microstructure and residual stresses in machined Inconel 718 with PCBN and Al2O3–
SiCw tools // 2nd CIRP Conf. on Surface Integrity (CSI), Procedia CIRP 13, 2014. – P. 150–
155.
18. Инженерия поверхности деталей / Колл. авт.; под ред. А. Г. Суслова. – М.: Ма-
шиностроение. 2008. – 320 с.
19. Суслов А. Г. Качество поверхностного слоя деталей машин. – М.: Машиностроение,
2000. – 320 с.
20. Мазур Н. П., Внуков Ю. Н., Грабченко А. И., Доброскок В. Л., Залога В. А., Новоселов Ю. К.,
Якубов Ф. Я. Основы теории резания материалов: Учеб. / Под общ. ред. Н. П. Мазура,
А. И. Грабченко. – Харьков: НТУ “ХПИ”, 2013. – 534 с.
21. Вислоух С. П. Інформаційні технології в задачах технологічної підготовки приладо- та
машинобудівного виробництва: Моногр. – К.: НТУУ “КПІ”, 2011. – 488 с.
22. Маталин А. А. Технология машиностроения: Учеб. – СПб.: Лань, 2008. – 512 с.
Надійшла 20.04.17
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-166993 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0203-3119 |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2025-12-07T15:13:53Z |
| publishDate | 2018 |
| publisher | Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Барандич, К.С. Вислоух, С.П. Антонюк, В.С. 2020-03-11T21:22:16Z 2020-03-11T21:22:16Z 2018 Забезпечення циклічної довговічності деталей при фінішному токарному обробленні інструментом із кубічного нітриду бору / К.С. Барандич, С.П. Вислоух, В.С. Антонюк // Сверхтвердые материалы. — 2018. — № 3. — С. 67-78. — Бібліогр.: 22 назв. — укр. 0203-3119 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/166993 621.7.015:539.43:621.941.025.7 Представлено дослідження взаємозв’язку стану поверхневого шару деталі зі сталі 40Х, що сформований при фінішному токарному обробленні інструментом із щільних модифікацій нітриду бору, та його циклічної довговічності. Вперше отримано математичну модель, яка показує залежність циклічної довговічності від режимів токарного оброблення деталей інструментом із кубічного нітриду бору. Обґрунтовано можливість фінішного токарного оброблення відповідальних деталей, що працюють під впливом навантажень, змінних за величиною і напрямком. Представлено исследование взаимосвязи состояния поверхностного слоя детали из стали 40Х, который сформирован при финишной токарной обработке инструментом из плотных модификаций нитрида бора, и его циклической долговечности. Впервые получена математическая модель, показывающая зависимость циклической долговечности от режимов токарной обработки деталей инструментом из кубического нитрида бора. Обоснована возможность финишного токарной обработки ответственных деталей, работающих под воздействием нагрузок, переменных по величине и направлению. The study of the relationship between the state of the surface layer of a 40X steel component, which is formed at the finishing turning by a tool from dense modifications of boron nitride, and its fatigue life is presented. For the first time, a mathematical model that presents the dependence of fatigue life on cutting conditions of components with cBN tool was got. This study shows that finish turning of critical components which work under variable on value and direction loads is applicable. uk Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України Сверхтвердые материалы Исследование процессов обработки Забезпечення циклічної довговічності деталей при фінішному токарному обробленні інструментом із кубічного нітриду бору Article published earlier |
| spellingShingle | Забезпечення циклічної довговічності деталей при фінішному токарному обробленні інструментом із кубічного нітриду бору Барандич, К.С. Вислоух, С.П. Антонюк, В.С. Исследование процессов обработки |
| title | Забезпечення циклічної довговічності деталей при фінішному токарному обробленні інструментом із кубічного нітриду бору |
| title_full | Забезпечення циклічної довговічності деталей при фінішному токарному обробленні інструментом із кубічного нітриду бору |
| title_fullStr | Забезпечення циклічної довговічності деталей при фінішному токарному обробленні інструментом із кубічного нітриду бору |
| title_full_unstemmed | Забезпечення циклічної довговічності деталей при фінішному токарному обробленні інструментом із кубічного нітриду бору |
| title_short | Забезпечення циклічної довговічності деталей при фінішному токарному обробленні інструментом із кубічного нітриду бору |
| title_sort | забезпечення циклічної довговічності деталей при фінішному токарному обробленні інструментом із кубічного нітриду бору |
| topic | Исследование процессов обработки |
| topic_facet | Исследование процессов обработки |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/166993 |
| work_keys_str_mv | AT barandičks zabezpečennâciklíčnoídovgovíčnostídetaleiprifíníšnomutokarnomuobroblenníínstrumentomízkubíčnogonítriduboru AT vislouhsp zabezpečennâciklíčnoídovgovíčnostídetaleiprifíníšnomutokarnomuobroblenníínstrumentomízkubíčnogonítriduboru AT antonûkvs zabezpečennâciklíčnoídovgovíčnostídetaleiprifíníšnomutokarnomuobroblenníínstrumentomízkubíčnogonítriduboru |