Підвищення ефективності технології фінішної обробки циліндричних поверхонь твердосплавних виробів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний технічний університет

"Харківський політехнічний інститут"

УДК 621.923

Спеціальність 05.02.08 - технологія машинобудування

Автореферат дисертації

на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Підвищення ефективності технології фінішної обробки циліндричних поверхонь твердосплавних виробів

Дитиненко С.О.

Харків - 2005

Дисертація є рукопис.

Робота виконана на кафедрі "Техніки та технології" Харківського національного економічного університету Міністерства освіти і науки України, м. Харків.

Науковий керівник - доктор технічних наук Новіков Федір Васильович, Харківський національний економічний університет, професор кафедри "Техніки та технології", м. Харків.

- доктор технічних наук, професор Сизий Юрій Анатолійович, Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", професор кафедри "Технологія машинобудування і металорізальних верстатів", м. Харків;

- кандидат технічних наук, доцент Осіпов Валерій Анатолійович, Сумський державний університет, начальник науково-дослідного сектору Сумського державного університету, доцент кафедри "Металорізальні верстати та інструменти", м. Суми.

Ведуче підприємство - ДП Харківський науково-дослідний інститут технології машинобудування Міністерства промислової політики України, м. Харків.

Захист відбудеться 26.05.2005 р. о 14.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.050.12 у Національному технічному університеті "Харківський політехнічний інститут", за адресою: 61002, м. Харків, вул. Фрунзе, 21.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного технічного університету "Харківський політехнічний інститут"

Автореферат розісланий 22.04. 2005 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Пермяков А.А.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми

У машинобудуванні, особливо в авіаційному виробництві, широко застосовуються вироби з твердих сплавів циліндричної форми (вставки, інструменти для обробки матеріалів тиском і різанням і т.д.), до якості обробки яких ставляться високі вимоги. Наприклад, шорсткість обробки циліндричних поверхонь - на рівні = 0,1 мкм і менше. При цьому виникає необхідність знімання великих припусків - до 2-х мм на сторону і більше. Застосування традиційних технологій обробки зазначених виробів, що включають операції шліфування абразивними кругами і притирання алмазними пастами, характеризується високою трудомісткістю. В особливій мірі це відноситься до операцій притирання. Тому з метою зниження трудомісткості притирання, а в кращому випадку - виключення її з технологічних процесів обробки необхідно удосконалювати операції шліфування. При цьому необхідні показники якості обробки повинні забезпечуватись на операціях шліфування.

Перспективним напрямком рішення даних задач є застосування технологій шліфування алмазними кругами на металевих зв'язках, що дозволяють підвищити продуктивність і знизити технологічну собівартість обробки. Але, як відомо, дані технології не забезпечують високих показників шорсткості і точності обробки, особливо на операціях круглого зовнішнього шліфування у зв'язку з відносно низькою жорсткістю технологічної системи. Це вимагає розробки нових більш ефективних технологій шліфування алмазними кругами на металевих зв'язках, у тому числі із застосуванням електроерозійної правки, що дозволяють поряд з підвищенням продуктивності та зниженням технологічної собівартості обробки поліпшити шорсткість і точність оброблюваних поверхонь до рівня показників притирання вільним абразивом (алмазними пастами). У зв'язку з цим у роботі вирішується важлива й актуальна задача створення і впровадження ефективного технологічного процесу фінішної обробки циліндричних поверхонь твердосплавних виробів із застосуванням алмазних кругів на металевих зв'язках.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами

Робота виконана відповідно до наукового напрямку кафедри "Техніки та технології" Харківського національного економічного університету в рамках теми "Планування діяльності ВАТ "Світло шахтаря" в умовах реалізації іноваційної стратегії розвитку" (ДР №0103V008935) і науково-дослідних робіт, що виконуються відповідно до Постанови Міністерства промислової політики України №154 від 15.07.2002 р. на ДП ХМЗ "ФЕД" (м. Харків). Здобувач брав безпосередню участь у виконанні робіт як відповідальний виконавець.

Мета і задачі дослідження

Метою дисертаційної роботи є підвищення ефективності технологічного процесу фінішної обробки циліндричних поверхонь твердосплавних виробів на основі оптимізації структури і параметрів операції круглого зовнішнього поздовжнього шліфування алмазним кругом на металевій зв'язці з плосковершинними зернами.

Для досягнення зазначеної мети в роботі поставлені наступні задачі:

- розробити аналітичні моделі для визначення продуктивності операції круглого зовнішнього поздовжнього алмазного шліфування з урахуванням виникаючих пружних переміщень у технологічній системі на кожному переході операції, шорсткості поверхні, сили різання і технологічної собівартості обробки;

- на основі розроблених аналітичних моделей провести оптимізацію структури і параметрів операції круглого зовнішнього поздовжнього алмазного шліфування за критеріями найбільшої продуктивності і найменшої технологічної собівартості обробки з урахуванням обмежень по точності і шорсткості оброблюваних поверхонь;

- провести експериментальні дослідження технологічних показників круглого зовнішнього поздовжнього шліфування кругом на металевій зв'язці після його електроерозійної правки і створення площадок на вершинах зерен;

- на основі результатів експериментальних досліджень вибрати оптимальну структуру і параметри розглянутої операції шліфування;

- розробити і впровадити у виробництво новий ефективний технологічний процес алмазної фінішної обробки циліндричних поверхонь твердосплавних виробів.

Об'єкт дослідження - технологічний процес фінішної обробки циліндричних поверхонь твердосплавних виробів.

Предмет дослідження - визначення найбільш ефективного варіанта технологічного процесу фінішної обробки циліндричних поверхонь твердосплавних виробів на основі оптимізації структури і параметрів операції круглого зовнішнього поздовжнього шліфування алмазним кругом на металевій зв'язці з плосковершинними зернами.

Методи дослідження. Теоретичні методи, що базуються на фундаментальних положеннях технології машинобудування, теорії різання матеріалів, опору матеріалів, математичного аналізу і теорії ймовірностей; математичне моделювання; експериментальні методи з застосуванням профілографа-профілометра, електронного мікроскопа.

Наукова новизна одержаних результатів

1. Теоретично обґрунтована й експериментально доведена можливість високопродуктивного знімання великих припусків при одночасному значному зменшенні шорсткості поверхні за рахунок примусового формування площадок на вершинах алмазних зерен, що дозволяє об'єднати попереднє й остаточне шліфування і в ряді випадків виключити трудомістку операцію притирання вільним абразивом з технологічного процесу обробки.

2. Вперше розроблена аналітична модель для визначення продуктивності операції круглого зовнішнього поздовжнього алмазного шліфування з урахуванням виникаючих пружних переміщень у технологічній системі на кожному переході операції, яка дозволила визначити оптимальну за структурою операцію, забезпечуючу найбільшу продуктивність для заданої точності обробки та включаючу лише перехід виходжування.

3. Отримано аналітичну модель формування шорсткості при круглому зовнішньому поздовжньому алмазному шліфуванні твердосплавних виробів, що вперше дозволила врахувати і кількісно визначити вплив різновисотності зерен, їх імовірної участі у різанні і наявності площадок на вершинах зерен, а також провести класифікацію кінематичних схем шліфування по ознаці часу формування сталої шорсткості поверхні.

Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що на основі проведених теоретичних і експериментальних досліджень створено ефективний технологічний процес фінішної обробки циліндричних поверхонь твердосплавних виробів, який забезпечує підвищення продуктивності і зниження технологічної собівартості при виконанні високих вимог по якості оброблюваних поверхонь (параметр шорсткості = 0,1 мкм) на операції круглого зовнішнього поздовжнього шліфування алмазним кругом на металевій зв'язці.

Розроблений технологічний процес впроваджений на Харківському машинобудівному заводі "ФЕД" при фінішній обробці відповідальних твердосплавних виробів з економічним ефектом 77,388 тис. гривень на рік. Результати теоретичних і експериментальних досліджень роботи використовуються в навчальному процесі на кафедрі "Техніки та технології" Харківського національного економічного університету.

Особистий внесок здобувача полягає в тому, що ним розроблені нові аналітичні моделі продуктивності операції круглого зовнішнього поздовжнього алмазного шліфування і виникаючих при цьому пружних переміщень. На їх основі зроблена оптимізація структури і параметрів даної операції. Розроблено нові аналітичні моделі шорсткості поверхні, сили різання і технологічної собівартості обробки при круглому зовнішньому поздовжньому алмазному шліфуванні. Теоретично й експериментально встановлені умови істотного зменшення шорсткості циліндричних поверхонь твердосплавних виробів. Обґрунтовано вибір оптимального варіанта технологічного процесу фінішної обробки, що включає лише операцію круглого зовнішнього поздовжнього шліфування алмазним кругом на металевій зв'язці з плосковершинными зернами і вилучає трудомістку операцію притирання.

Апробація результатів дисертації

Основні положення дисертаційної роботи доповідалися й обговорювалися на X, XI і XII Міжнародних науково-практичних конференціях "Інформаційні технології: наука, техніка, технологія, освіта, здоров'я" (м. Харків, 2002-2004 рр.); V...X Міжнародних науково-технічних конференціях "Фізичні і комп'ютерні технології в народному господарстві" (м. Харків, 2001-2004 рр.); Міжнародній науково-технічній конференції "100 років виробничої і наукової праці центральної лабораторії ДП "Завод ім. В.А. Малишева" (м. Харків, 2003 р.).

Роботу в полному обсязі заслухано та схвалено на розширених наукових семінарах кафедри "Техніки та технології" Харківського національного економічного університету та кафедри "Технологія машинобудування і металорізальні верстати" Національного технічного університету "Харківський політехнічний інститут", м. Харків, 2004 р.

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи викладені в 11 наукових працях, у тому числі 9 наукових праць у виданнях, рекомендованих ВАК України.

Структура й обсяг дисертаційної роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, 4 розділів, висновків і 2 додатків. Повний обсяг дисертаційної роботи складає 195 сторінок, з них 65 ілюстрацій на 58 сторінках; 21 таблиця за текстом, 4 таблиці на 4 сторінках; 168 найменувань використаних літературних джерел на 17 сторінках; 2 додатки на 3 сторінках.

Основний зміст роботи

У вступі наведено загальну характеристику роботи, у якій обґрунтовані актуальність, новизна і практичне значення отриманих результатів, сформульовані мета і задачі досліджень. Показано особистий внесок здобувача у виконану роботу і результати апробації дисертації.

У першому розділі описані конструкції твердосплавних виробів циліндричної форми, а також вимоги, які ставляться до якості їхнього виготовлення, і типові технологічні процеси обробки циліндричних поверхонь, до яких входять операції круглого зовнішнього шліфування і притирання вільним абразивом на притиральних бабках. Виявлено основний недолік діючих технологічних процесів, які містять надзвичайно високу по трудомісткості операцію притирання в зв'язку з високими вимогами до шорсткості і точності обробки. Виходячи з цього зроблений висновок про можливості підвищення ефективності технологічного процесу шляхом удосконалення операції круглого зовнішнього шліфування - поліпшення шорсткості та точності обробки до необхідного рівня без зниження показників продуктивності і технологічної собівартості обробки. Але вирішити дану задачу, використовуючи відомі рекомендації з абразивного та алмазного шліфування, не вдалося. Це вимагає проведення комплексу теоретичних, а також експериментальних досліджень, оптимізації структури і параметрів операції круглого зовнішнього шліфування та вибору оптимального варіанта технологічного процесу фінішної обробки циліндричних поверхонь твердосплавних виробів. Як критерії оптимізації розглянуті продуктивність і технологічна собівартість обробки, як обмеження - точність та шорсткість оброблюваних поверхонь, а в якості вимірюваних факторів - параметри операції шліфування алмазним кругом на металевій зв'язці і параметри пружної системи круглошліфувального верстата.

В другому розділі запропоноване нове рішення задачі оптимізації структури і параметрів операції круглого зовнішнього шліфування за критерієм найбільшої продуктивності з урахуванням обмеження по точності обробки. Теоретично показано, що в зв'язку з виникненням у технологічній системі пружного переміщення , фактична продуктивність обробки завжди менша номінальної продуктивності на величину залежності:

, (1)

де , - припуск, що знімається, м; - приведена жорсткість технологічної системи в радіальному напрямку, Н/м; Кш=Pz/Py - коефіцієнт шліфування; Py, Pz - відповідно радіальна і тангенціальна складові сили різання при шліфуванні, Н; - умовне напруження різання при шліфуванні, Н/м²; Vкр- швидкість круга, м/с.

Зменшення пружного переміщення (визначаючого точність розміру обробки) вимагає зменшення номінальної продуктивності Qнор. Але це не ефективно, тому що при цьому зменшується фактична продуктивність обробки Qф. Як показує практика, ефективніше операцію круглого зовнішнього шліфування виконати в два переходи: чорнове шліфування і виходжування.

Тоді середня фактична продуктивність операції шліфування Qср. визначиться:

, (2)

де 1, 2- тривалість переходів чорнового шліфування і виходжування, с; 1=П/Sпоп; Sпоп;- поперечна подача, м/хід.

Для визначення тривалості переходу виходжування 2 отримане диференціальне рівняння інтенсивності знімання матеріалу з урахуванням пружних переміщень у технологічній системі:

, (3)

де ; ; - об'єм знятого матеріалу, м3; П1, П2 - припуски, що видаляються на переходах чорнового шліфування і виходжування, м; F - площа оброблюваної циліндричної поверхні, м².

З урахуванням початкової умови рішення рівняння (3) має вигляд:

, , . (4)

Основний час операції круглого зовнішнього шліфування:

= , (5)

де - безрозмірна функція; - безрозмірний коефіцієнт, 1; індекси 1 і 2 відповідають переходам чорнового шліфування і виходжування; k2=П2/П, k2=0/П, 0 - точність розміру обробки, м.

Випадок 1 (z= 1). Найменше значення безрозмірної функції (визначаючої основний час операції шліфування) досягається за умови 1= 0, тобто оптимальна за структурою операція шліфування включає лише перехід виходжування (і природно, нетривалий перехід створення початкового натягу в технологічній системі).

Випадок 2 (z>1). Для z>1 безрозмірна функція зі збільшенням коефіцієнта k2

Розроблено нові інженерні методики розрахунку оптимальних параметрів операції круглого зовнішнього поздовжнього алмазного шліфування: тривалості операції і її переходів; величин припусків, що видаляються на кожнім переході в залежності від вимог по точності обробки (обумовлені величиною пружного переміщення в технологічній системі) і ріжучою здатністю алмазного круга.

На схемі показані основні умови зменшення тривалості оптимальної за структурою операції шліфування, що включає лише перехід виходжування:

, (6)

де ; ; HV- твердість (по Викерсу) оброблюваного матеріалу, Н/м2; - половина кута при вершині зерна, що ріже, робоча частина якого представлена у формі усіченого конуса; - безрозмірний коефіцієнт, що враховує ступінь затуплення зерен, змінюється в межах 0-1; x - умовна величина лінійного зносу зерна, м; Hmax - максимальна товщина зрізу, м.

Розроблено аналітичну модель сили різання при круглому зовнішньому поздовжньому алмазному шліфуванні по жорсткій і пружній схемах з фіксованим радіальним або тангенціальним зусиллям. Теоретично обґрунтовані умови, при яких затуплення зерен, що ріжуть, у меншій мірі впливає на збільшення сили різання при заданій продуктивності обробки. Показано ефективність застосування пружної схеми круглого зовнішнього шліфування з фіксованим тангенціальним зусиллям.

У третьому розділі на основі розробленої аналітичної моделі формування шорсткості циліндричної поверхні при круглому зовнішньому поздовжньому шліфуванні обґрунтовані умови істотного зменшення параметра шорсткості Rmax:

, (7)

, (8)

де - зернистість круга, м; m - об'ємна концентрація зерен круга; Vдет - швидкість деталі, м/с, Dкр; Dдет - відповідно діаметри круга і деталі, м.

Рівняння (7) отримано з урахуванням, а рівняння (8) - без урахування утворення площадок зносу на вершинах зерен алмазного круга.

При х =0 рівняння (7) і (8) приймають вигляд залежності:

. (9)

Установлено, що з усіх параметрів, які входять у рівняння (7) і (8), найбільший вплив на Rmax має величина х, особливо у випадку утворення на зернах площадок зносу, тобто при різанні плосковершинними зернами. Зі збільшенням величини можна істотно зменшити параметр Rmax. Виконані експериментальні дослідження підтвердили теоретичні результати. Установлено, що при шліфуванні алмазним кругом на металевій зв'язці 1А1 300х20х5 АС6 125/100 М1-10 4 із плосковершинними зернами параметр шорсткості Ra( Ra0.2Rmax) зменшився з 2,2 до 0,1 мкм. При цьому зміна режимів шліфування, а також обробка кругом, який працював уже деякий час після електроерозійної правки, не привели до істотного зменшення шорсткості обробки.

Для створення плосковершинних зерен застосовувалися способи шліфування алмазним кругом полікристалічного синтетичного надтвердого матеріалу і алмазного правлячого олівця.

Експериментально встановлено, що при шліфуванні алмазним кругом на металевій зв'язці з плосковершинними зернами з часом спостерігається деяке збільшення параметра шорсткості Ra внаслідок підключення в різання нових більш гострих зерен. Особливо це виявляється при шліфуванні алмазним кругом на металевій зв'язці М1-01. Застосування більш зносостійкого алмазного круга на металевій зв'язці М1-10 дозволило усунути даний недолік - шорсткість обробки практично стабілізувалася в часі на рівні Ra = 0,1-0,2 мкм при зміні глибини шліфування в межах 0,01-0,025 мм.

Зроблено оцінку вірогідності розрахунку шорсткості циліндричних поверхонь при шліфуванні алмазним кругом з гостровершинними і плосковершинними зернами. Для цього спочатку була отримана спрощена аналітична залежність (9) для визначення параметра Rmax, що враховує умовне одновисотне виступання зерен, потім - уточнені залежності, що враховують різновисотне виступання зерен над рівнем зв'язки та імовірносний характер участі зерен у різанні. Установлено, що у всіх трьох випадках приходимо до однієї і тієї ж залежності (9), відмінність полягає лише в числових коефіцієнтах. Так, розраховане по залежності (9) значення Ra=0.2 Rmax для вихідних даних: tgy=1; m= 100; =0.1*10-3м; Vкр= 30 м/с; Vдет= 15 м/хв; Dкр= 0,3 м; Dдет = 0,014 м дорівнює Ra =0,86 мкм, розраховане з урахуванням різновисотного виступання зерен над рівнем зв'язки дорівнює Ra = 1,5 мкм і розраховане з урахуванням імовірносної участі зерен у різанні дорівнює Ra = 2,43 мкм. Як бачимо, розрахунок по уточнених залежностях веде до збільшення значень Ra. У порівнянні з експериментальним значенням Ra = 1,9 мкм (отриманим після електроерозійної правки алмазного круга), урахування різновисотного виступання зерен над рівнем зв'язки дає занижене (у межах 20%), а урахування імовірносного характеру участі зерен у різанні дає завищене (у межах 27%) значення Ra (стосовно експериментальним даних отриманим при шліфуванні алмазним кругом після його електроерозійної правки). Установлена також збіжність у межах 10 % розрахункових і експериментальних значень шорсткості при шліфуванні алмазним кругом із плосковершинними зернами. Дані результати дозволили вперше кількісно оцінити вплив зазначених вище трьох факторів на умови формування шорсткості циліндричних поверхонь при шліфуванні і наблизити розрахункову схему до реальної.

На основі установленої імовірносної функції (y), що описує відносну опорну довжину мікропрофілю обробленої поверхні (рис. 5), з умови рівності площ 1 і 2, обмежених виступами і впадинами і середньою лінієюa=y, зроблений уточнений розрахунок параметра шорсткості обробки Ra. Аналітично встановлено, що відношення Rmax / Ra змінюється в межах 4-5, що добре погоджується з практикою шліфування і свідчить про вірогідність розробленої аналітичної моделі формування шорсткості циліндричних поверхонь.

Зроблено класифікацію кінематичних схем шліфування периферією круга по ознаці часу формування сталої шорсткості поверхні. Теоретично показане існування трьох принципових схем, обумовлених кінематикою руху оброблюваної поверхні стосовно робочої поверхні круга (у радіальному, тангенціальному і поздовжньому, з боку торцевої поверхні круга, напрямках), які істотно відрізняються часом формування сталої шорсткості поверхні.

Установлено, що найбільшим часом формування шорсткості поверхні при шліфуванні характеризується третя схема, а найменшим - перша. Тому найменша шорсткість поверхні досягається при шліфуванні по третій схемі, а найбільша - при шліфуванні по першій. Друга схема (включає плоске, кругле зовнішнє і внутрішнє шліфування) займає проміжне положення.

У четвертому розділі обґрунтований вибір оптимального варіанта технологічного процесу фінішної обробки циліндричних поверхонь твердосплавних виробів за критеріями найбільшої продуктивності і найменшої технологічної собівартості обробки з урахуванням обмежень по точності та шорсткості оброблюваних поверхонь. Показано, що необхідні значення точності розміру (менше 10 мкм) і шорсткості обробки (Ra = 0,1 мкм) досягаються при значенні безрозмірного коефіцієнта = 0,91. Таке велике значення безрозмірного коефіцієнта , що наближається до граничного (=1), обумовлено утворенням на вершинах зерен значних площадок - довжиною 30 мкм і більше. Шліфування алмазним кругом після електроерозійної правки забезпечує невеликі значення коефіцієнта (0 ) у зв'язку з високою гостротою ріжучих зерен круга.

Установлено, що збільшення коефіцієнта від 0 до 0,91 у результаті утворення площадок на вершинах зерен відповідає зменшенню середньої продуктивності операції круглого зовнішнього шліфування тільки в 2 рази, рис. 7,а. При цьому потужність шліфування зросла незначно - усього в 2 рази, тобто алмазний круг на металевій зв'язці з плосковершинними зернами має досить високу ріжучу здатність, дозволяє одночасно забезпечити високопродуктивне знімання оброблюваного матеріалу і зменшити шорсткість Ra обробки з 2,0 мкм до значень 0,1-0,2 мкм.

Таблиця

Порівняння варіантів технологічного процесу фінішної обробки циліндричної поверхні спеціальної твердосплавної розвертки (діаметр - 20 мм, довжина - 30 мм, припуск що знімається - 1 мм)