Повышение эффективности процесса получения армирующих фиброэлементов методом вибрационного точения

При создании композиционных материалов особое внимание уделяется их дисперсному армированию, где в качестве армирующего элемента выступают отрезки относительно коротких волокон из различных материалов. Данное обстоятельство связано со стремлением существенно повысить прочность композитов на растяжение, ударную вязкость и трещиностойкость. Для этого используют различные металлические и неметаллические волокна, номенклатура которых чрезвычайно разнообразна: от весьма дефицитных — карбида и нитрида кремния, бора и углерода, до вполне доступных — полимерных, стеклянных и стальных.

Рассматривая металлические и неметаллические волокна, необходимо отметить, что методы дисперсного армирования предусматривают возможность получения направленной и свободной ориентации волокон в объеме упрочняемого материала. Причем направленная ориентация неметаллических волокон реализуется, главным образом, при использовании нитей, тканых и нетканых сеток, жгутов. Ориентация же стальных волокон осуществляется значительно проще — применением магнитного поля.

Развитие химической промышленности и появление новых высокопрочных полимеров обусловило перспективность их использования в качестве уп-рочнителя. Однако высокая стоимость полимеров, несмотря на возможность получения в ряде случаев уникальных результатов, не позволяет рекомендовать их для массового производства большинства изделий из композитов.

Кроме простоты ориентации в объеме упрочняемого материала, стальные волокна обладают и другими существенными преимуществами. К последним следует отнести относительную дешевизну, высокий модуль упругости, а также их прочную связь с матрицей. Все это определяет широкое применение стальных волокон при дисперсном армировании композиционных материалов.

В настоящее время существует ряд способов получения металлической фибры, в числе которых рубка проволоки с дальнейшим её профилированием, изготовление фибры из отработанных канатов, получение её с помощью фрезерования. Однако все указанные способы достаточно дорогостоящи, не обеспечивают высокой производительности, а в ряде случаев не позволяют получать фибру требуемой формы и размеров. В связи с этим весьма перспективным является новый метод изготовления стальной фибры достаточно малого поперечного сечения из массивной заготовки методом вибрационного точения [50]. Способ основан на точении материала в условиях интенсивных автоколебаний резца, при которых происходит периодический выход лезвия инструмента из контакта с заготовкой. Известно, что вибрации, сопровождающиеся появлением на поверхности резания вибрационного следа, всегда рассматривались как неблагоприятное явление, нарушающее нормальный ход процесса точения, ведущее к недопустимому ухудшению качества обработанной поверхности и интенсивному изнашиванию инструмента. Однако, как показали эксперименты, выполненные ранее при участии автора, выход резца из контакта с заготовкой и специфика профиля получаемого вибрационного следа, обеспечивают возможность использования данного метода для успешного получения армирующих фиброэлементов (АФЭ), что открывает перспективу его промышленной реализации.

Указанные выше недостатки существующих в настоящее время способов получения АФЭ, а также почти полное отсутствие каких-либо научных рекомендаций по изготовлению методом вибрационного точения дешевой металлической фибры требуемого качества при высокой производительности процесса, определяют актуальность данной диссертационной работы.

Научная новизна. В результате выполненных исследований: обоснованы пути интенсификации процесса точения с автоколебаниями, обеспечивающими получение армирующих фиброэлементов требуемых размеров и качества методом вибрационного точения с автоколебаниямивыявлены причины возникновения процесса пакетирования АФЭ;

— установлены особенности силового и теплового нагружения лезвия инструмента при получении АФЭ методом высокочастотного вибрационного точения;

— разработана математическая модель процесса высокочастотного вибрационного точения в условиях потери контакта инструмента с заготовкой, позволяющая выбирать конструктивные параметры державки резца, обеспечивающего максимальную производительность получения АФЭ;

Практическая ценность работы заключается в:

— создании методики и алгоритма выбора геометрических параметров державки инструмента, обеспечивающих максимальную производительность получения заданных по качеству стальных армирующих фиброэлементов методом вибрационного точения;

— разработке методики и рекомендаций по определению режимов вибрационного точения, обеспечивающих получение требуемого качества АФЭ при высокой производительности процесса.

Реализация работы: АФЭ малого поперечного сечения, полученные методом вибрационного точения, используются государственным унитарным предприятием JICK «Радон» при изготовлении контейнеров для хранения радиоактивных отходов.

Изделия из сталефибробетона со специальными АФЭ малого поперечного сечения испытаны и признаны перспективными для применения в горнодобывающей отрасли.

Публикации: По материалам исследований опубликовано 5 работ.

Структура и объем работы: Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, выводов и приложения, изложенных на lS*f страницах машинописного текста, содержит jv рисунка, H таблиц, список литературы, состоящий из 7 f наименований.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

И ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

В результате выполненных исследований решена задача повышения производительности процесса получения стальных фиброэлементов посредством использования метода вибрационного точения с интенсивными автоколебаниями.

Уточнен механизм образования фиброэлементов при точении с интенсивными автоколебаниями инструмента, сопровождающихся выходом его из контакта с заготовкой при каждом периоде колебаний.

Изготовлены пьезоэлектрические датчики оригинальной конструкции и отработана методика их тарирования крешерным методом. Выявлены особенности силового и теплового нагружений лезвия инструмента в процессе получения фиброэлементов вибрационным точением. Исследованы возникающие в лезвии напряжения, что позволило уточнить механизм изнашивания режущего клина и причины возникновения пакетирования фиброэлементов. Разработана методика проектирования инструмента с оптимальными геометрическими параметрами его державки.

Проведен анализ экономической целесообразности применения способа вибрационного точения при получении АФЭ требуемых для промышленности размеров.

Проведенные работы и организация опытного производства армирующих элементов вышеуказанным методом позволили изготовить ряд экспериментальных изделий из сталефибробетона для использования их в промышленном строительстве.

Проведенные исследования позволяют сделать следующие общие выводы:

1. Способ получения АФЭ методом вибрационного точения при интенсивных автоколебаниях инструмента, сопровождающихся выходом его из контакта с заготовкой, может успешно использоваться для получения указанных элементов в широком диапазоне их размеров от 0,01 до 0,3 мм²;

2. Условием предотвращения образования пакетов фиброэлементов при вибрационном точении с интенсивными автоколебаниями инструмента является низкий коэффициент трения между инструментальным и обрабатываемым материалами и малое значение радиуса округления лезвия. Постепенное увеличение указанного радиуса и рост шероховатости передней поверхности в процессе изнашивания приводят к пакетированию фиброэлементов, что определяет критерий стойкости инструмента. До начала пакетирования АФЭ лезвие совершает около 2*106 колебаний;

3. При получении АФЭ методом вибрационного точения отсутствует ударное воздействие на режущий клин инструмента, который врезается в заготовку при одновременном возрастании нагрузок на передней и задней его поверхностях, что позволяет применять относительно хрупкие инструментальные материалы и достаточно большие главные задние углы лезвия, равные 25°;

4. Отсутствие интенсивного перемещения стружки по передней поверхности лезвия при получении АФЭ существенно снижает температуру резания, которая при окружных скоростях заготовки до 200 м/мин не превышает 250 °C. При этом рациональные окружные скорости вращения заготовки составляют 160−170 м/мин;

5. Сила резания при формировании элемента стружки определяется площадью среза, а нагружение державки инструмента в большей степени обусловливается действующими инерционными динамическими нагрузками. При этом сама державка должна проектироваться с учетом, как сил резания, так и действующих инерционных нагрузок;

6. Производительность процесса получения АФЭ вибрационным точением определяется достижимой собственной частотой колебаний инструмента при ограничениях, связанных с износом инструмента и прочностью его державки при амплитуде колебаний, коррелируемой с заданными параметрами получаемых фиброэлементов;

7. Разработанная методика оптимизации конструкции державки инструмента и его материала, позволяет проектировать резцы, обеспечивающие повышение производительности получения конкретных фиброэлементов заданных параметров и требуемого качества до 2 раз;

8. Метод вибрационного точения является наиболее экономичным методом получения армирующих фиброэлементов малого поперечного сечения.