Повышение эффективности процесса шлифования труднообрабатываемых материалов путем применения специальных крупнопористых кругов из эльбора - Автореферат

В настоящее время в машиностроении при изготовлении деталей машин все большее применение находят различные сложнолегированные, высокопластичные стали и сплавы, например, нержавеющие стали, жаропрочные сплавы, обработка которых шлифованием традиционным абразивным инструментом представляет большие сложности и не позволяет получить требуемые качество и производительность процесса обработки. Таким образом, разработка методов и средств повышения эффективности процесса шлифования кругами из эльбора представляет собой актуальную проблему, имеющую большое народно-хозяйственное значение. Исследовать влияние новых структур эльборовых кругов на засаливание рабочей поверхности круга, а также на основные показатели процесса шлифования труднообрабатываемых материалов. Научная новизна работы заключается в комплексном теоретико-экспериментальном исследовании влияния размеров пор на повышение работоспособности и эффективности применения кругов из эльбора. Разработка кругов из эльбора с крупнопористыми структурами выполнена по двум направлениям: первое направление - создание кругов высоких номеров структур путем изменения содержания абразивного наполнителя, содержание эльбора при этом не изменялось; вместо стандартных кругов 8 структуры разработаны круги 10 и 12 структур.Экспериментальные исследования составляющих силы резания и средней контактной температуры при шлифовании быстрорежущей стали Р6М5 эльборовыми кругами различных структур были выполнены с использованием оборудования (плоскошлифовальный станок модели 3Е711ВФ2), аппаратуры и методики кафедры «Технология машиностроения» Ульяновского государственного технического университета. Исследования по определению износа кругов проводились на установке абразивного завода «Ильич», созданной на базе универсально-заточного станка модели 3Е642Е, шлифование плазменных покрытий выполнено также на круглошлифовальном станке «Джон Шипман». Исследование размеров пор выполнено на стереоскопическом микроскопе МБС-10 при увеличении ?56, на каждом круге измерялось не менее 100 пор. Определение площади единичных налипов металла на рабочей поверхности круга выполнено на металлографическом микроскопе МИМ-7 при увеличении ?100; на каждом круге измеряли не менее 100 налипов. Средняя величина SH составляет: для круга С8 - 0,046 мм2, для круга С12 - 0,032 мм2, для круга А25 - 0,021 мм2.Определены направления изменения структуры шлифовальных кругов из эльбора, основанные, во-первых, на значительном уменьшении содержания абразивного наполнителя и, во-вторых, на введении специального порообразующего наполнителя, размеры частиц которого мы можем регулировать. Разработаны и исследованы эльборовые круги нового поколения, отличающиеся значительным, от 1,35 до 4,15 раз, увеличением размеров пор, что способствует уменьшению засаливания кругов и увеличению их проницаемости при сохранении высокой твердости и режущей способности. Разработана математическая вероятностная модель размещения снимаемой при шлифовании стружки в порах круга, позволяющая получить количественную оценку закрепления стружки в порах. Выполнено исследование распределения размеров пор в новых структурах эльборовых кругов, доказано соответствие распределений нормальному закону, определены числовые характеристики распределений. Предложена методика аналитической оценки коэффициента относительной проницаемости эльборовых кругов новых структур, показано увеличение их проницаемости по сравнению с серийными кругами от 1,5 до 4 раз, что способствует полному отсутствию шлифовальных прижогов, в том числе при профильном и «сухом» шлифовании.

Актуальность темы. Развитие машиностроения требует постоянного совершенствования операций окончательной обработки заготовок деталей машин, на которых формируются выходные качественные и эксплуатационные характеристики деталей. В большинстве случаев именно операции шлифования завершают длительный и трудоемкий процесс производства ответственных деталей. Результаты шлифовальных операций во многом определяют надежность и долговечность деталей машин и всего механизма в целом.

В настоящее время в машиностроении при изготовлении деталей машин все большее применение находят различные сложнолегированные, высокопластичные стали и сплавы, например, нержавеющие стали, жаропрочные сплавы, обработка которых шлифованием традиционным абразивным инструментом представляет большие сложности и не позволяет получить требуемые качество и производительность процесса обработки. Применение стандартных кругов из сверхтвердого материала эльбор также не дает желаемых результатов.

Таким образом, разработка методов и средств повышения эффективности процесса шлифования кругами из эльбора представляет собой актуальную проблему, имеющую большое народно-хозяйственное значение.

Цель работы. Повышение эффективности процесса шлифования труднообрабатываемых материалов путем применения специальных крупнопористых кругов из эльбора, обеспечивающих уменьшение засаливания рабочей поверхности круга и более интенсивное охлаждение зоны контакта круга с обрабатываемой заготовкой.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: 1. Разработать и исследовать новые структуры шлифовальных кругов из эльбора, содержащие крупноразмерные поры.

2. Предложить критерий оценки размещения шлифовальной стружки в порах круга; разработать математическую модель для количественной оценки данного критерия. Выполнить расчеты для различных условий шлифования и характеристик кругов.

3. Разработать методику аналитического определения относительной проницаемости эльборовых кругов. Выполнить расчеты коэффициента относительной проницаемости для кругов новых структур.

4. Исследовать влияние новых структур эльборовых кругов на засаливание рабочей поверхности круга, а также на основные показатели процесса шлифования труднообрабатываемых материалов.

5. Выполнить испытания новых кругов в производственных условиях с внедрением в технологию шлифования высокоточных деталей.

Методы исследования. Теоретические исследования выполнены на основе научных положений технологии машиностроения, теории резания и шлифования материалов, теории вероятностей и математической статистики, а также с использованием численно-аналитических методов математического анализа. Экспериментальные исследования проводились в лабораторных и производственных условиях с использованием аттестованной контрольно-измерительной аппаратуры, с применением метода планирования экспериментов, множественного регрессионного анализа и статистической обработки результатов исследований. Обработка экспериментальных данных и построение графиков производились на современных ПК с помощью стандартных и специально разработанных программ.

Научная новизна работы заключается в комплексном теоретико-экспериментальном исследовании влияния размеров пор на повышение работоспособности и эффективности применения кругов из эльбора. Для решения этих задач: 1. Разработана математическая модель, позволяющая рассчитать вероятность закрепления стружки в порах шлифовального круга.

2. Выполнено исследование размеров пор в эльборовых кругах новых структур. Обоснован нормальный закон распределения пор, определены числовые характеристики распределений для различных структур.

3. Разработана математическая модель для определения размера стружки при шлифовании. Аналитически и экспериментально определены размеры стружек при шлифовании труднообрабатываемых материалов.

4. Выполнено аналитическое исследование коэффициента относительной проницаемости для различных структур эльборовых кругов. Определены направления увеличения проницаемости с целью интенсификации подвода СОЖ в зону шлифования.

5. Выполнено экспериментальное исследование процесса шлифования труднообрабатываемых материалов эльборовыми кругами новых структур; результаты экспериментов подтвердили обоснованность аналитических исследований.

Практическая ценность и реализация результатов работы.

1. Разработаны и внедрены в производство на Петербургском абразивном заводе «Ильич» эльборовые шлифовальные круги новых структур.

2. Результаты диссертационной работы внедрены на РУПП «Борисовский завод «Автогидроусилитель» (Белоруссия), ОАО «АВТОВАЗ» (Россия), апробированы с положительным результатом в отделении фирмы «Pratt and Whitney» (Великобритания) и в компании «Serma» (Италия). Они позволили существенно расширить область эффективного применения шлифовальных кругов из эльбора на керамической связке при изготовлении таких деталей, как винты пар качения, распределительные валы, червячные фрезы, долбяки и др.

3. Результаты работы используются в учебном процессе при изучении дисциплины «Технология машиностроения» в Санкт-Петербургском институте машиностроения.

Апробация работы. Основные результаты доложены и обсуждены на Всероссийской научно-технической конференции «Повышение эффективности механообработки на основе моделирования физических явлений» (г. Рыбинск, 2009), конференции «Современные технологические направления в механообрабатывающем производстве» (г. Санкт-Петербург, 2008), научно-техническом семинаре «Новые применения инструмента из эльбора» (г. Санкт-Петербург, 2008), международном молодежном форуме «Будущее авиации за молодой Россией» (г. Жуковский, 2009), научно-технических семинарах кафедры «Технологии машиностроения» Санкт-Петербургского института машиностроения в 2007…2010 гг.

1. Основные проблемы процесса шлифования труднообрабатываемых сталей и сплавов, отличающихся высокой пластичностью эльборовый шлифовальный стружка

К данным материалам относятся жаропрочные сплавы, нержавеющие стали, а также стали пониженной твердости (HRC 40...50) и другие. Такие материалы широко применяются в таких отраслях, как производство авиационных двигателей, турбин и газоперекачивающих агрегатов, химическое машиностроение. Еще одним материалом, сочетающим высокую пластичность матрицы и твердость структурных компонентов, являются износостойкие покрытия, полученные методами плазменного и детонационного напыления.

Основной сложностью шлифования указанных материалов является быстрое засаливание поверхности шлифовального круга, приводящее к потере его режущей способности, интенсивному трению в паре круг - заготовка и тепловыделению. Это в полной мере относится к стандартным кругам из эльбора, отличающимся плотной мелкозернистой структурой и высокой твердостью, что не создает условий для размещения и удаления шлифовальной стружки, значительно более крупной по сравнению со стружкой термообработанной стали. Результатом этого является достаточно быстрое засаливание кругов из эльбора, не позволяющее использовать уникальные свойства эльбора. Применительно к кругам из традиционных абразивов, как показано в работах Ананьяна Р.В., Ипполитова Г.М., Королева А.В., Новоселова Ю.К., Попова С.А., Семиколенных В.В., Старкова В.К., Noichl H., Soo S. и других решение проблемы состояло в создании весьма мягких высокопористых кругов и их непрерывной правке при шлифовании. Однако, для эльборовых кругов такое решение экономически нецелесообразно вследствие их высокой стоимости.

Еще одним недостатком стандартных эльборовых кругов является, вследствие их плотной структуры, малая проницаемость, препятствующая подводу СОЖ через поры круга непосредственно в зону контакта круга с заготовкой. Это обстоятельство приводит к образованию шлифовальных прижогов и микротрещин (структурных дефектов в поверхностном слое металла), в особенности при профильном шлифовании. Анализ работ Караима И.П., Киселева Е.С., Худобина Л.В., Ящерицына П.И., Pahlitsch G. и других в области аэродинамики процесса шлифования показал необходимость создания кругов из эльбора с крупноразмерными порами.

Поэтому важной проблемой в технологии шлифования является разработка и исследование эльборовых кругов новых структур, позволяющих свести к минимуму процесс засаливания и интенсифицировать подвод СОЖ. Решение этой проблемы позволяет значительно расширить область применения эльборовых кругов, повысить производительность шлифовальных операций, полностью исключить структурные дефекты шлифованной поверхности.

2. Аналитическое и экспериментальное исследование влияния размеров пор в эльборовых кругах новых структур на их работоспособность

Разработка кругов из эльбора с крупнопористыми структурами выполнена по двум направлениям: первое направление - создание кругов высоких номеров структур путем изменения содержания абразивного наполнителя, содержание эльбора при этом не изменялось; вместо стандартных кругов 8 структуры разработаны круги 10 и 12 структур. Второе направление - введение в массу для формования круга специального выгорающего наполнителя, размеры частиц которого можно регулировать. Размеры частиц такого наполнителя изменялись в пределах от 100 до 500 мкм. Такие круги получили название АЭРОБОР.

Для количественной оценки размещения стружки в порах круга разработана математическая вероятностная модель. Такой подход основан на предположении, что размещение стружки в порах является случайным процессом, поскольку размеры пор dп и стружки dc являются случайными величинами, а «встречи» пор и стружек происходят в случайные моменты времени. Предложен критерий - вероятность закрепления стружки в порах РЗ, которая представляет отношение количества закрепившихся в порах стружек к их общему числу. Вероятность РЗ = Р (0< Z? b), где Z = - , b - допустимый зазор, при котором возможно закрепление.

Случайные величины и являются независимыми, если их распределения подчиняются нормальному закону с числовыми характеристиками мп, ?п, mс, ?с то их разность Z также является случайной величиной и распределена по нормальному закону: , (1) где Wz (Z) - плотность распределения величины Z, , .

На основании (1) определим РЗ

.

Обозначив: ,

получим: .

После преобразований: , (2) где использовано обозначение интеграла вероятности: .

Преобразуем формулу (2), использовав разложение в известный ряд:

Ограничиваясь двумя первыми членами ряда, что допустимо (погрешность 10…12 %) для наших условий, получим: . (3)

Очевидно, что для использования разработанной модели необходимо было определить характеристики распределений, для чего выполнены исследования размеров пор и стружки. Распределение этих величин отвечает нормальному закону. Это подтверждено выполненными расчетами критерия Колмогорова, содержащимися в тексте диссертации и в приложениях.

Исследование размеров пор выполнено с использованием оптического и электронного микроскопов. Пример микрофотографий рабочих поверхностей эльборовых кругов различных структур приведен на рис. 1. Использованы следующие обозначения кругов: структуры 8, 10, 12 - С8, С10, С12; структуры АЭРОБОР с порообразующими наполнителями КФ16, КФ25, КФ40 - А16, А25, А40.

Кривые распределения размеров пор приведены на рис. 2, в таблице 1 приведены числовые характеристики распределений. Установлено, что размеры пор в новых кругах увеличились в 1,4…4,2 раза по сравнению со стандартным кругом.

Рис. 1. Рабочие поверхности кругов из эльбора (электронный микроскоп, увеличение ?50): а - структура С8; б - структура С12

Таблица 1. Данные о размерах пор в кругах различных структур

Структура круга Размеры пор, мкм min - max , мкм , мкм

С8 С10 С12 28…126 56…154 70…196 77 105 133 16 16 21

А16 А25 А40 140…250 140…400 140…500 177 270 320 18 43 60

Исследование размеров стружки выполнено аналитическим и экспериментальным методами. Аналитическое исследование основано на использовании критерия микрорезания а = h/?, где ? - радиус скругления вершины или кромки зерна, h - глубина внедрения. Этот критерий предложен и исследован в работах советских ученых Богомолова Н. И., Бокучавы Г.В., Крагельского И.В., Маслова Е.Н. и др. Установлено, что для материалов твердостью HRC 55…65 а = 0,2…0,5, а для материалов из пластичных сталей и сплавов а = 0,7…1,0.

Рис. 2. Кривые распределения размеров пор в кругах из эльбора разных структур: 1 - С8, 2 - С12, 3 - А25

Используя критерий а, а также установленные в работах Бокучавы Г. В., Корчака С. Н. отношения KL пути микрорезания к длине дуги контакта получено выражение для определения размера (длины) стружки lc: , где D - диаметр круга; hp - глубина микрорезания абразивным зерном; m?, ?? - числовые характеристики (математическое ожидание и среднее квадратическое отклонение) распределения величины ?.

Экспериментальное исследование размеров стружки выполнено микроскопическим методом; на рис. 3 хорошо видна разница в размерах стружки из стали Р6М5 и жаропрочного сплава ХН77ТЮ. В табл. 2 приведены величины экспериментальных размеров стружки lc э, которые, с определенными допущениями, согласуются с расчетными значениями lc р.

Рис. 3. Микрофотографии шлифовальных стружек (оптический микроскоп, увеличение ?200): а - сталь Р6М5, б - жаропрочный сплав ХН77ТЮ

Таблица 2. Сравнительные данные по величине lc

Сталь Р6М5, HRC 62…64 Сплав ХН77ТЮ, HB 255…321 lc р, мкм lc э, мкм lc р, мкм lc э, мкм max min max min max min max min

490 35 595 105

В числителе - значения без учета усадки стружки; в знаменателе - значения с учетом усадки стружки.

Полученные данные по размерам пор и стружки позволили на основе разработанной модели рассчитать вероятность РЗ закрепления стружки в порах. Для расчетов разработана специальная компьютерная программа. Установлено, что величина РЗ зависит от отношения мп/мс. Эта зависимость является экстремальной (рис. 4) и позволяет выделить следующие зоны: наиболее вероятного закрепления стружки (зона 2), свободного размещения стружки в порах (зона 3), адгезионного налипания стружки на зерна (зона 1). На рис. 5 приведены примеры зависимости мп/мс от глубины шлифования t для различных условий шлифования. На основе полученных результатов разработаны рекомендации по наиболее рациональным размерам крупных пор в зависимости от условий шлифования.

Рис. 4. Зависимость вероятности закрепления стружки в порах РЗ от отношения

Рис. 5. Влияние глубины t на жаропрочного сплава ХН77ТЮ

Для аналитического исследования влияния размеров крупных пор на проницаемость кругов из эльбора использовано полученное на основе работ Пуазейля и Дарси выражение, связывающее проницаемость К с пористостью Па и размером пор: : .

При этом нами учитывались характеристики распределений размеров пор, причем для расчета использовали макропоры размером 100 мкм и более, которые, по данным работ Белова С.В., Коллинза Р., Маскета М., Морозова С.Б., вносят наиболее значительный вклад в проницаемость.

Поскольку проницаемость пропорциональна квадрату среднестатистического размера пор, были рассчитаны коэффициенты относительной проницаемости эльборовых кругов новых структур по отношению к серийному кругу 8 структуры. При этом содержание крупных пор принималось различным: 5 и 10 % от общего содержания пор.

Результаты расчетов, выполненные по специально разработанной компьютерной программе, показывают, что увеличение размеров пор, полученное в кругах из эльбора новых структур, приводит к увеличению проницаемости в 1,5…4,4 раза (рис. 6). Это должно благоприятным образом повлиять на тепловую обстановку в зоне шлифования, обеспечить снижение температуры и, как следствие, отсутствие прижогов и микротрещин.

Рис. 6. Сравнение коэффициента относительной проницаемости эльборовых кругов стандартной структуры С8 с кругами АЭРОБОР

3. Методика проведения экспериментальных исследований

Образцы для основных исследований были изготовлены из закаленной быстрорежущей стали Р6М5 твердостью HRC 62…64, нержавеющей стали 08Х18Н10Т твердостью HB 143…179 и жаропрочного сплава на никелевой основе ХН77ТЮ (HB 255…321).

В качестве плазменных покрытий для экспериментальных исследований выбраны хромоникелевые покрытия твердостью HRC 44…47.

Для проведения экспериментальных исследований на Петербургском абразивном заводе «Ильич» была изготовлена гамма эльборовых кругов различных характеристик (табл. 3).

Таблица 3. Данные о шлифовальных эльборовых кругах новых структур

1. Определены направления изменения структуры шлифовальных кругов из эльбора, основанные, во-первых, на значительном уменьшении содержания абразивного наполнителя и, во-вторых, на введении специального порообразующего наполнителя, размеры частиц которого мы можем регулировать.

2. Разработаны и исследованы эльборовые круги нового поколения, отличающиеся значительным, от 1,35 до 4,15 раз, увеличением размеров пор, что способствует уменьшению засаливания кругов и увеличению их проницаемости при сохранении высокой твердости и режущей способности. Производство таких кругов освоено на Петербургском абразивном заводе «Ильич».

3. Разработана математическая вероятностная модель размещения снимаемой при шлифовании стружки в порах круга, позволяющая получить количественную оценку закрепления стружки в порах. На основе разработанной модели выполнены расчеты вероятности закрепления стружки в порах при различных режимах шлифования и структурах кругов.

4. Выполнено исследование распределения размеров пор в новых структурах эльборовых кругов, доказано соответствие распределений нормальному закону, определены числовые характеристики распределений.

5. Разработана математическая модель для расчета размера (длины) шлифовальной стружки с учетом свойств обрабатываемого материала. Выполнено теоретическое и экспериментальное исследование распределений размеров стружки быстрорежущей стали и жаропрочного сплава, доказано соответствие распределений нормальному закону.

6. Предложена методика аналитической оценки коэффициента относительной проницаемости эльборовых кругов новых структур, показано увеличение их проницаемости по сравнению с серийными кругами от 1,5 до 4 раз, что способствует полному отсутствию шлифовальных прижогов, в том числе при профильном и «сухом» шлифовании.

7. Разработано специальное программное обеспечение для расчетов по предложенным математическим моделям.

8. Выполнены экспериментальные исследования, результаты которых подтверждают теоретические положения и являются основой для расширения области эффективного применения кругов из эльбора на материалы с повышенной пластичностью, плазменные покрытия, операции «сухого» шлифования.

9. Результаты исследований реализованы при шлифовании ряда ответственных деталей из труднообрабатываемых материалов на АВТОВАЗЕ, Брянском машиностроительном заводе, Самарском подшипниковом заводе, а также на Уфимском моторостроительном производственном объединении. Следует отметить положительные результаты, полученные на фирме «Pratt & Whitney» (Великобритания) и на фирме «Serma» (Италия) при шлифовании заготовок из жаропрочного сплава и незакаленной стали.

10. Достигнутые за счет применения эльборовых кругов новых структур повышение производительности на 25…30 %, увеличение ресурса кругов в 15…20 раз, полная ликвидация прижогов, сокращение затрат на режущий и правящий инструмент обеспечивают значительный экономический эффект. Так, на АВТОВАЗЕ экономический эффект от совершенствования технологии шлифования распределительных валов составляет 127923 руб./год в расчете на один станок, а для всего участка, состоящего из четырех станков, 511692 руб./год.

Лебедев, А.И. Контактная температура при шлифовании быстрорежущей стали кругами АЭРОБОР [Текст] / А.И. Лебедев // Металлообработка. - 2007. - № 6 (42). - С. 12 - 13.

Лебедев, А.И. Круги из эльбора как средство повышения эффективности шлифования кулачков распределительных валов [Текст] / З.И. Кремень, А.И. Лебедев, Д.В. Вострокнутов // Автомобильная промышленность. - М., 2009. - № 1. - С. 34.

Лебедев, А.И. Высокопористые круги из эльбора и их применение при шлифовании высокопластичных сплавов [Текст] / З.И. Кремень, Ю.М. Зубарев, А. И. Лебедев // Металлообработка. - 2009. - № 3 (51). - С. 2 - 5.

Лебедев, А.И. Силы и температура при шлифовании быстрорежущей стали кругами АЭРОБОР [Текст] / З.И. Кремень, А.Н. Унянин, А.И. Лебедев // Новые технологии, автоматизация оборудования и оснастки машиностроительного производства: Сб. науч. тр. - СПБ.: Инструмент и технологии, 2007. - № 26 - 27. - С. 105 - 108.

Лебедев, А.И. Анализ возможностей управления пористостью шлифовальных кругов из эльбора с целью расширения областей их применения [Текст] / З.И. Кремень, А.И. Лебедев // Технология, оборудование и автоматизация машиностроительного производства: Сб. науч. тр. - СПБ.: Инструмент и технологии, 2008. - № 30 - 31. - С. 126 - 129.

Лебедев, А.И. Исследование, на основе вероятностного моделирования, влияния пористой структуры шлифовальных кругов из эльбора на процесс засаливания круга [Текст] / З.И. Кремень, Ю.М. Зубарев, А.И. Лебедев // Повышение эффективности механообработки на основе моделирования физических явлений: Материалы Всероссийской научно-технической конференции. - Рыбинск: РГАТА, 2009. - Ч. 1. - С. 158 - 161.

Лебедев, А.И. Влияние размеров шлифовальной стружки на засаливание рабочей поверхности кругов из эльбора [Текст] / А.И. Лебедев // Актуальные проблемы науки и техники: Сборник трудов пятой Всероссийской зимней школы-семинара аспирантов и молодых ученых.- Уфа: УГАТУ, 2010. - Т.2. - С. 241-245.

Lebedev, A.I. Improving the efficiency in grinding of heat-resistant alloy with high-porous CBN vitrified wheels [Text] / A.I. Lebedev // First Forum of Young Researchers. In the frameworks of International Forum "Education Quality - 2008": proceedings (April 23, 2008, Izhevsk, Russia). - Izhevsk: Publishing House of ISTU, 2008. - P. 163 - 164.

Размещено на .ru