Обрабатываемость материалов при глубинном шлифовании

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Актуальность темы. В настоящее время в машиностроении широкое распространение получают технологии абразивной обработки. Происходит развитие методов абразивной обработки, автоматизация технологического оборудования и совершенствования абразивного инструмента. Также расширяется сфера применение абразивной обработки в части обрабатываемых материалов.

Несмотря на то, что абразивная обработка используется в машиностроении достаточно давно, ее применение при обработке некоторых материалов затруднительно ввиду сложности обработки и высокой склонности материалов к образованию дефектов в виде прожогов и микротрещин.

Одним из перспективным методов абразивной обработки является глубинное шлифование. Данный метод позволяет удалять весь технологический припуск за ограниченное число рабочих ходов. Однако, значительное увеличение контактной зоны абразивного инструмента и заготовки, а также низкие скорости продольной подачи возникновению проблем с тепловым повреждением обрабатываемых поверхности, которое проявляется в различной степени для разных обрабатываемых материалов. Встречающая информация лишь обобщенно характеризует данный технологический метод обработки изделий. При этом практически отсутствует информация о технических параметрах и требованиях применяемого оборудования, используемом инструменте, режимах и особенностях обработки, характерных для различных обрабатываемых материалов. Существующие технологические решения являются малоисследованными и не позволяют в полной мере описать процесс обработки и эффективно использовать имеющие ресурсы ( оборудование, инструмент, материал и т.д.).

Нет четких рекомендаций по выбору режимов глубинного шлифования, а так же ответов на вопросы:

Как происходит срезание материала?

Какие силы и температуры возникают в зоне абразивной обработки?

Как меняется процесс обработки в результате износа инструмента?

Как изменяется шероховатость обработанной поверхности?

Как происходит образование дефектов зависимости от режимов обработки?

Как от свойств материала зависит его обрабатываемость?

Научная сторона вопроса обрабатываемости материалов при глубинном шлифовании развита слабо. Не имея отчетливого представления о возможностях, особенностях, преимуществах и недостатках метода обработки невозможно получить значительный технический и экономический эффект. Этот вопрос требует детального изучения. Решение, вышеперечисленных проблем, позволит с максимальной эффективностью использовать дорогостоящее оборудование, инструмент и материал, решить определенные технологические задачи и практически исключить возможность появления брака. Актуальность этой работы заключается в том, что ее результаты позволят наиболее эффективно применять данный метод обработки в условиях единичного, серийного и крупносерийного производства.

Цель работы: исследование обрабатываемости материалов при глубинном шлифовании.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

Анализ существующих исследований процессов абразивной обработки

Требования к оборудованию, инструменту и технологическим средствам

Постановка задач исследования

Моделирование строения рабочей поверхности абразивного инструмента

Математическая модель зоны контакта инструмента с заготовкой

Математическая модель определения силы резания

Определение температуры при глубинном шлифовании

Определение обрабатываемости группы материалов при глубинном шлифовании.

Методы исследования. При выполнении работы использовались научные основы теории шлифования, технологии машиностроения, сопротивления материалов, основы теплофизики и математической физики. Экспериментальные исследования проводились в производственных и лабораторных условиях, на специальных станках и установках, с использованием современной контрольной измерительной аппаратуры по стандартным и разработанным автором методикам. Математические расчеты осуществлялись на современных ПК с использованием стандартных и специально разработанных программ. При обработке экспериментальных данных использовались статистические методы. В работе при разработке методики расчетов и обработке результатов экспериментальных исследований использованы пакеты прикладных программ MathCAD, Мicrosoft Office 2010(Мicrosoft Excel).

Научная новизна полученных результатов

Практическое значение полученных результатов.

Личный вклад соискателя.

Апробация результатов работы.

Публикации.

Структура и объем работы.

абразивный шлифование заготовка

1. Анализ существующих процессов абразивной обработки

Решающий наиболее острый участок сегодня - внедрение научных открытий и изобретений. Научно-исследовательские и проектно-конструкторские работы следует теснее сомкнуть - экономически и организационно с производством.

Среди важнейших задач, стоящих в настоящие время перед авиационной промышленностью одно из первых мест занимает задача повышение производительности обработки деталей, повышение качества, надежности и долговечности выпускаемой продукции. Одним из наиболее перспективных направлений решения этой задачи является технологическое обеспечение качества рабочих поверхностей деталей летательных аппаратов в процессе механической обработки, отчего в значительной мере зависят их эксплуатационные свойства.

Под обрабатываемостью материалов (в широком смысле) понимают способность материалов подвергаться резанию по ряду технологических показателей. К ним относятся:

допустимая скорость резания VТ при заданной стойкости Т;

возникающие в процессе обработки силы резания;

шероховатость обработанной поверхности;

тип образующейся стружки и условия ее отвода из зоны резания.

В зависимости от характера операции те или иные показатели становятся определяющими.

Например, при черновой обработке помимо максимально возможной производительности большое значение имеют силы резания и потребляемая мощность. При чистовой обработке определяющее значение имеет шероховатость обработанной поверхности, температурные деформации и направление схода стружки. При работе автоматического оборудования на первый план выступает вопрос дробления стружки и удобство ее отвода от зоны резания.

Однако при любых условиях наиболее важным показателем обрабатываемости материала резанием является уровень допустимых скоростей резания, поскольку этот показатель в наибольшей степени влияет на производительность операции и себестоимость обработки. Поэтому (в узком понимании) под обрабатываемостью понимают именно допустимую скорость резания при заданной стойкости. Считают, что лучшую обрабатываемость имеет тот материал, который при прочих равных условиях допускает более высокую скорость резания.

Очевидно, что этот показатель зависит и от материала инструмента. Кроме того, особенности процесса резания при различных видах обработки также могут оказывать свое влияние на оценки обрабатываемости того или иного материала.

Для количественной оценки обрабатываемости используется коэффициент обрабатываемости . Коэффициент представляет собой отношение скорости резания, допускаемой при обработке данного материала, к скорости резания, допускаемой некоторым эталонным материалом. В качестве эталонного материала в России для сталей используется сталь 45, коэффициент обрабатываемости которой принят за единицу; для чугунов - серый чугун СЧ20. Если коэффициент обрабатываемости больше единицы, то данный материал обрабатываемости лучше, чем эталонный, а если меньше единицы - то хуже.

Обрабатываемость материалов шлифованием - комплексное технологическое свойство материала, характеризующее способность подвергаться обработке абразивным инструментом. Это свойство характеризуется следующими показателями: производительность обработки (съём металла в единицу времени); удельный расход ШИ; стойкость ШИ; силы шлифования и температура; шероховатость обработанной поверхности; качество ПС; размерная точность и др.

Для оценки обрабатываемости материала применяют обычно один-два наиболее важных в каждом конкретном случае показателя. В свою очередь, обрабатываемость материалов зависит от многих параметров, основные из которых - характеристики ШИ и СОТС: режимы шлифования. Изучение обрабатываемости материалов, как правило, сводится к выбору или созданию нового ШИ, подбору оптимальных режимов шлифования и состава СОТС.

Различие в обрабатываемости разных материалов определяется в основном их физико-механическими свойствами: химический состав, структура, прочность и т. п. В общем случае не существует чётких зависимостей обрабатываемости материала от его физико-механических свойств. Поэтому имеются лишь рекомендации общего плана.

Шлифование - это процесс резания материалов с помощью абразивного материала, режущими элементами которого являются абразивные зерна. Шлифование применяется как для черновой, так и для чистовой и отделочной обработки. При шлифовании главным движением является вращение режущего инструмента с очень большой скоростью. Чаще всего в качестве шлифовального инструмента пользуются шлифовальные круги. Абразивные зерна расположены в круге беспорядочно и удерживаются связующим материалом. Каждое абразивное зерно работает как зуб фрезы, снимая стружку.

Процесс резания при шлифовании имеет значительное отличие по сравнению с работай лезвийного инструмента. При вращательном движении круга, в зоне его контакта с заготовкой часть зерен срезает материал в виде очень большого числа тонких стружек (до 100 000 000 в минуту).

Шлифовальные круги срезают стружки на очень больших скоростях- от 30 м/c и выше (порядка 125 м/c). Процесс резания каждым зерном осуществляется почти мгновенно. Обработанная поверхность представляет собой совокупность микро следов абразивных зерен и имеет малую шероховатость. Часть зерен ориентирована так, что не может резать обрабатываемую поверхность.

Такие зерна производят работу трения по поверхности резания. Абразивные зерна могут также оказывать на заготовку существенное силовое воздействие. Происходит поверхностное пластическое деформирование материала, искажение его кристаллической решетки. Деформирующая сила вызывает сдвиг одного слоя атомов относительно другого. В следствии упругопластического деформирования материала обработанная поверхность упрочняется. Но этот эффект оказывается менее ощутимым, чем при обработке металлическим инструментом.

Шлифование применяют в основном для заготовок из закаленных сталей. С развитием малоотходных технологий доля обработки металлическим инструментом будет уменьшаться, а абразивным увеличиваться.

Рост требований к надежности и ресурсу авиационных двигателей способствует разработке и внедрению в производство новых прогрессивных технологий, обеспечивающих высокое качество и повышение эксплуатационных характеристик деталей авиационных двигателей.

Приоритетным направлением в развитии механической обработки деталей авиационных двигателей является глубинное шлифование, которое в большинстве случаев, эффективнее обработки лезвийным инструментом деталей из труднообрабатываемых материалов.

История развития процесса внедрения глубинного шлифования начался в начале 70-х годов, когда бурное наращивание объемов выпуска высоко ресурсных авиационных двигателей заставило мировых производителей в отрасли авиа двигателестроения искать пути решения проблемы повышения производительности и качества обработки особо ответственных высоконагруженных деталей турбины, где вопросы обрабатываемости обеспечения ресурса стояли особенно остро.

Эффективное решение, этих задач не обеспечивалось использованием традиционных методов механической обработки, поскольку форсирование режимов обработки при изготовлении деталей из жаропрочных сплавов ограничивается низкой стойкостью режущего инструмента и ухудшением качества поверхностного слоя деталей.

Идея производительного съема материала абразивными кругами всегда привлекала внимание специалистов, так как известно, что абразивные материалы превосходят по твердости все известные стали и сплавы. Имелись и отдельные примеры решения этой задачи. Такими примерами может служить вулканитовая резка, производительные схемы шлифования плоских поверхностей с большой глубиной резания (до 5 мм и более) боковой поверхностью круга с поперечной циклической подачей до нескольких миллиметров на ход.

Однако всегда считалось, что высокопроизводительные процессы абразивной обработки несовместимы с обеспечением высокой точности и качества поверхностного слоя ответственных деталей, так как велика вероятность потери размерной стойкости и появления прижогов. Одним из путей повышения эффективности механической обработки и явилось внедрение в производство глубинного шлифования. Оно потребовало решения комплекса вопросов с целью повышения технологической надежности процесса, включающих разработку и выбор технологических схем обработки; оборудования; режущего и правящего инструмента; рецептуры, способов подачи и очистки СОЖ, режимов правки и шлифования; теоретического и экспериментального подтверждения гарантии достижения требуемой точности и качества шлифуемой поверхности.

Особенность внедрения глубинного шлифования заключалась в том, что оно начала практически было использовано в производстве и показало отличные результаты. Так, при изготовлении турбинных лопаток производительность увеличилась в 4 раза, точность -- в 2 раза, шероховатость поверхности снизилась в 2 раза, значительно повысилась работоспособность замкового соединения. При опытной обработке условий и режимов шлифования были тщательно исследованы все контролируемые показатели качества обработанной поверхности: шероховатость, глубина и степень наклепа, остаточные напряжения, микроструктура, возможность появления шлифовочных трещин.

Все показатели при шлифовании были лучше или аналогичны ранее используемому фрезерованию. Ничем не отличался и уровень возникновения дефекта по возможному появлению несплошности поверхностного слоя, выявляемый по свечению люминофора и связанный с выходом на поверхность пор и расслоений материала по границам зерен, образующихся при литье. Однако через некоторое время этот дефект стал классифицироваться как шлифовочные трещины.

Глубинное шлифование применяют для профильного шлифования, в том числе широкими кругами, для шлифования стружечных канавок на сверлах, гребенок, пазов; при шлифовании резьб, зубьев и червяков и деталей топливной аппаратуры и при алмазной обработке твердосплавных режущих инструментов.

Так, в современном авиадвигателе строении развитие технологии производства лопаток ГТД на таких предприятиях отрасли как ОАО “Мотор-Сич”, ММПП “Салют”, НПО “Сатурн” идет путем отказа от фрезерных операций в пользу шлифовальных.

Внедрение на этих предприятиях такого прогрессивного метода абразивной обработки как глубинное шлифование стало основой для развития интегральных технологий.

Кинематика процесса резания, реализуемая при глубинном шлифовании (ГШ), предопределяет повышенную длину дуги контакта абразивного круга с деталью и способствует значительному увеличению числа абразивных зерен, одновременно участвующих в резании. Таким образом, обеспечивается высокая скорость съема материала, малая шероховатость обработанной поверхности и уменьшается толщина среза единичным зерном. Помимо этого термодинамические условия в зоне резания способствуют формированию в поверхностном слое обрабатываемых деталей остаточных напряжений сжатия и снижают вероятность протекания фазовых и структурных превращений.

Можно выделить следующие особенности ГШ:

большое время контакта абразивных зерен;

сложные условия для подвода СОТС;

большой объем снимаемого материала.

Глубинное шлифование обладает такими неоспоримыми преимуществами перед традиционным (маятниковым) плоским шлифованием как: высокая производительность обработки благодаря отсутствию холостых ходов стола; отсутствие вибраций, обусловленное существенным различием скоростей шлифования и скорости подачи (в 1000 раз и более); высокая точность обработки, достигаемая вследствие кинематики процесса, согласно которой режущие зерна образуют длинные и точные срезы, т.е. в процессе шлифования зерна испытывают длительные плавные нагружения (без ударов), под действием которых происходит преимущественное истирание режущих зерен. Длительность этого процесса позволяет абразивному кругу значительное время сохранять свою геометрию. Однако реализация данного процесса требует специального оборудования, инструмента и техники подачи охлаждающей жидкости. Данный процесс используется в тех случаях, где традиционное (маятниковое) шлифование не обеспечивает требуемых производительности и качества обрабатываемой поверхности.

Таким образом, глубинное шлифование применяется, в первую очередь, при обработке деталей из труднообрабатываемых, жаропрочных и коррозионно-стойких сплавов. При этом обрабатываемые поверхности имеют сложную пространственную форму, которая характеризуется жесткими требованиями, предъявляемыми к взаимному расположению поверхностей.

Специфика глубинного шлифования предъявляет высокие требования к оборудованию по виброустойчивости, статической и динамической жесткости, а также качеству подачи СОЖ в зону шлифования, в связи с чем станки для ГШ оснащают системами обильного подвода СОЖ, включающими холодильные установки, сепараторы, гидроциклоны, центрифуги и т.д. Основным требованием, которое предъявляется станкам для ГШ является повышенная мощность привода главного движения. На станках для ГШ предусматривают устройства для обеспечения постоянства температуры опор шпинделя, также могут быть установлены системы активного контроля и устройства для балансировки кругов во время работы (для скоростного ГШ).

Особым случаем применения глубинного шлифования является глубинное шлифование деталей из жаропрочных сплавов на никелевой основе, какой является лопатка турбины. Из производственной и исследовательской практики известно, что шлифование жаропрочных сплавов отличается от шлифования конструкционных сталей. Наличие в жаропрочных сплавах упрочняющей интерметаллидной '-фазы и карбидов, имеющих высокую микротвердость (HV 2030-2060), приводит к интенсивному изнашиванию круга и увеличению мощности шлифования. Это подтверждается данными по относительной мощности и удельной производительности шлифования различных материалов с широким изменением прочностных и теплофизических свойств.

В связи с широкой автоматизацией производственных процессов появляется необходимость в создании методов назначения режимов при шлифовании материалов с различными механическими, химическими, теплофизическими и др. свойствами.

Данная работа посвящена анализу высокоскоростного шлифования и установления количественных значений параметров, определяющих зону контакта кругов из СТМ с обрабатываемым материалом, силы резания, возникающие в процессе высокоскоростного шлифования.

1.1 Обрабатываемость материалов и силы шлифования. Температура шлифования. Сопротивление обрабатываемого материала пластическому сдвигу как характеристика обрабатываемости. Методы расчетного определения по характеристикам прочности

Основным методом определения характеристики обрабатываемости является экспериментальный метод, основанный на сравнении скоростей резания полученных из стойкостных опытов и отыскания формул степенного вида:

(1)

где Т-стойкость в мин, режимные параметры t и S в мм и мм/об.

Достоинство данного метода заключается в его достоверности, но в тоже время он трудоемок, не оперативен, и формулы имеют ограниченную область применения. Кроме того эти формулы не учитывают экспериментальных характер изменения стойкости инструмента, например, от скорости резания и т.д. В конечном счете это производственная характеристика обрабатываемости () пригодна при обработке одного конкретного материала или групп материалов со сходными характеристиками и не позволяет прогнозировать скорости резания при обработке новых материалов. Большая разница в обрабатываемости резанием современных сталей и сплавов и требует создании единой теории, которая позволила бы установить теоритическую зависимость скорости резания от различных технологических факторов и физико-механических свойств обрабатываемого материала и режущего инструмента. В настоящее время в области обработки деталей лезвийным инструментом опубликовано несколько работ по теоритическому определению скоростей резания исходя из свойств обрабатываемого материала и режущего инструмента (работы Силина С.С., Резникого А.Н. и др.). однако этот перспективный подход определения обрабатываемости требует дальнейших глубоких теоритических исследований и доработок.

Вопросом определения обрабатываемости материалов экспериментальным путем посвящены многочисленные исследования отечественных и зарубежных ученых. Важно отметить, сто основоположниками науки о резании материалов является Тиме И.А. , Зворыкин К.А., Усачев А.К. и др., которые в своих трудах отражали большую роль знаниям, связанных с обрабатываемостью металлов. Тиме И.А. в своих работах подчеркивает, что «знание пределов скоростей резания имеет большое практическое значение».

Зворыкин К.А. указывает на необходимость введение в его формулу коэффициентов, учитывающих мягкость и хрупкость металла. В литературе Можаев указывает, что следует различать полную и относительную обрабатываемость металла.

Знание полной обрабатываемости необходимо для разработки основных формул по силам резания, износа инструмента и др., для составления нормативов и назначения режимов резания. Однако до настоящего времени определения полной обрабатываемости связанно с большим объемом экспериментальных исследований, требующих больших затрат времени, труда.

Знание относительной обрабатываемости позволяет решать те же задачи, но при меньших объемах. В литературе описано большое количество относительных методов, но в основном они обладают существенными недостатками, в смысле использования их на практике.

В свое время (в 1944 г.) большое значение имел выпуск ГОСТ 2625-44, установившего условия для определения обрабатываемости сталей при использовании резцов и быстрорежущих сталей методом торцевой обточки, который оказался непригоден при использовании твердосплавного инструмента.

Введение в практику инструмента:

(2)

Позволило судить об обрабатываемости испытуемой стали по сравнению с известными данными для этой стали. В качестве эталонной стали по ГОСТ 2625-44 принята сталь А-12, которая вследствие малого распространения заменялась сталями марки 37ХН3А, 50ХН2, 40Х и др.

На первый взгляд казалось, что коэффициент обрабатываемости связан с механическими свойствами металлов и между этими характеристиками должно быть точное соответствие. Однако введение предела точности или твердости по Бринеллю в расчетные формулы коэффициент обрабатываемости не соответствовал проверке. А авторы этих работ были подвергнуты обоснованной критике.

К указаниям работ могут быть отнесены исследования Аницкого Е.И., предложившего формулы:

(3)

(4)

Аналогические работы Фельдштейна Э.И. и других не подтверждались практикой, или , как например, формула (3) согласуется лишь для сталей термически обработаны до НВ200-400. Многие исследователи пытались установить зависимость между обрабатываемостью металла и твердостью стружки. Оказалось, что твердость стружки почти одинакова у сталей, имеющих исходную твердость и различную обрабатываемость. Попытки связать обрабатываемость сталей с восприимственностью их к наклепу тоже оказалось неудачными [1].

Хенкин и Датско предлагают общее уравнение обрабатываемости, вывод которого был осуществлен с применением теории размерного анализа:

(5)

где - постоянная;

-величина, имеющая размерность длины;

НВ- твердость по Бринеллю;

- относительное сужение образца обрабатываемого материала при растяжении;

- скорость резания при 60-минутной стойкости инструмента.

Вызываются предложения, что показателем обрабатываемости может служить отношение поверхностной энергии к твердости обрабатываемого материала. Хрупкие материалы имеют небольшую величину поверхностной энергии и высокую твердость, поэтому их будет не велико. Наоборот, пластичные материалы имеют большие значения этого отношения. Предлагаются критерии, учитывающие лишь пластические свойства конкретного материала, считается, что критерий- предел прочности является весьма ориентировочным, так как, во-первых, определяется при кратковременных испытаниях, а во-вторых, эта характеристика не определяет действительного напряжения, возникающее в зоне резания. То есть при образовании и отделении стружки должно происходить в момент, когда истинное напряжение достигает определенной величины в направлении приложенной нагрузки. В ряде работ указывается, что это напряжение приблизительно оценивается [2]:

(6)

Аналогичные попытки определения относительной обрабатываемости проводятся при исследовании процессов шлифования. В частности Сагарда А.А. [3] установил, что обрабатываемость металлов можно характеризовать отношением твердости металла к значению к значению его временного сопротивления растяжению:

(7)

Костенко Н.А. [4] установил артериальную зависимость обрабатываемости материалов в виде:

(8)

Редозубов Ю.Б. При исследовании шлифования новых быстрорежущих сталей, при плоским шлифовании установил, что обрабатываемость быстрорежущих сталей, особенно ванадиевых и кобальтовых, отличается от шлифования стали Р18, главным образом определяется наличие в их структуре количеством карбида ванадия, обладающих высокой твердостью.

Волоский Н.И. При шлифовании конструкционных сталей установил. Что обрабатываемость находится в прямой зависимости от процентного содержания в этих сталях углевода.

Корчак С.Н. [5] определил. Что обрабатываемость ухудшается по мере легирования одним, двумя, тремя и т.д. элементами. Причем по порядку ухудшения обрабатываемости легированные элементы располагаются в следующем порядке: хром, никель, марганец вольфрам, кремний, титан.

Ящерицын П.И. При шлифовании деталей из твердых сплавов группы ТК и ВК-обрабатываемость (силы и износ круга) зависят от вязкости исследуемых сплавов. Более хрупкие сплавы, например, ТТ16К6 и Е15К6, разрушаются легче, чем более вязкие, например, ВК15М и др. Причем изменения сил шлифования, примерно, следует за изменением кобальта в твердом сплаве. Однако температура поверхностного слоя отличается от изменения сил шлифования. Такое несоответствие - различная теплопроводность.

Сильвестров В.Д. [6] С повышением компонентов, как ванадий, бор, вольфрам, титан, кобальт и др. приводит к образованию комплексных карбидов, увеличивая жаропрочность, но и ухудшая обрабатываемость. Наростообразование увеличивается на зернах, растет роль адгезионных, диффузионных и других процессов. Обрабатываемость уменьшается в 2-4 и более раза по сравнению со сталью 45. Кроме того наблюдается очевидность понижения обрабатываемости за счет уменьшения .

Лоладзе Т.Н., Бокучева Г.В. [7] За счет предварительного подогрева температура в условной плоскости сдвига может значительно превышать температуру кристаллизации обрабатываемого материала. Ввиду влияния температуры и скорости деформации будут существенно влиять на условие напряжения сдвига. Поэтому сопротивление обрабатываемого материала пластической деформации в зоне стружкообразования характеризуется средней величиной напряжения сдвига условной плоскости сдвига . Разработана методика и приведены температурные зависимости для различных материалов в условиях обработки твердосплавным инструментом.

Особая группа исследователей под руководством д.т.н. Макарова А.Д.[8] установила закономерность обрабатываемости труднообрабатываемых материалов от зависимости высокотемпературной прочности, пластичности и стружко-фазового состава никелевых сплавов. В частности ими установлено, что между значениями интенсивности износа и прочностных характеристик сплавов, определенными при температуре до 7000С, связи не наблюдаются. Это объясняется тем, что при этих сплавы имеют одинаковые характеристики сопротивление пластическим деформациям, в том числе , в то время как величина поверхностного износа изменяется более, чем в 30 раз. При температуре выше 7000С наблюдается между прочностью и износом инструмента.

Например:

	hоno, мкм/1000см2	V0, м/мин	уВ, при 8000С
ЭИ437А	5,5	35	54,1
ЭИ437БУ	6,1	30	60,0
ЭИ617	10,6	25	76.5
ЭИ826	17,1	25	77.5
ЭИ929	35,2	30	85,7
ЭИ220	168,0	35	94,0

В других источниках исследователи этой школы связывают высокотемпературную прочность, а следовательно и обрабатываемость, количеством уплотняющих эти сплавы интнрметаллидной j-фазы. Более строгая корреляционная связь наблюдается между скоростями резания и пределом прочности SВ. Ими же получены достоверные данные обрабатываемости и температуры, соответствующей пластичности исследуемого материала.

В работах Егорова И.С. Никифорова А.Н. подтверждается закономерность обрабатываемости легких сплавов, типа АЛ2, АЛ7, и рд., с показателем пластичности . Этому служат и подтверждения работы Макарова А.Д. и Вевкина Г.А.[9].

Исследования обрабатываемости жаропрочных сплавов провели Ипполитов Г.М., Кривоухов В.А., Даниелян А.М., Хрульков В.А., Шальнов В.А. и другие, в которых отмечались влияния на обрабатываемость коэффициента теплопроводности , и прочностных характеристик. Делаются выводы, что между теплопроводностью и обрабатываемостью, для группы жаропрочных сплавов, существует зависимость: чем ниже коэффициент теплопроводности. Тем хуже обрабатываемости. В тоже время при обработке титановых сплавов Кривоухов В.А. Чубарев А.Д. [10] отмечают закономерность обрабатываемости сплавов титана от их структуры. Наилучшей обрабатываемостью резанием отличают (б+в)- сплава, наихудшей в- сплава и не связывает это с их механическими свойствами, хотя не отрицают связи обрабатываемости этих сплавов с особенностью их теплофизических свойств.

Сагарта А.А. Работоспособность кругов при шлифовании различных металлов зависит от твердости и вязкости обрабатываемых материалов, определяющих величину пластической деформации в зоне контакта и образования стружки. В качестве критерия обрабатываемости принято отношение по Виккерсу (HV) к прочности ().

Саюгин Г.И. Богомолов Н.И. и другие исследователи. Оценивают обрабатываемость - (- характеризует долю энергетических затрат на разрушение металлов) и удельную работу шлифования:

(9)

где ; L - длина детали; V- объем снятого металла.

Обрабатываемость - это комплексное физико - технологическое свойство материала. Оно зависит от химического состава, структуры и физика - механических свойств материала, с одной стороны, вида режущего инструмента и условий резания, с другой.

Проведенный анализ показывает, что определение даже относительной обрабатываемости встречается с большими трудностями, нет единого мнения по этому вопросу.

Одной из важнейших характеристик процесса резания, определяющих производительность процесса обработки и сопротивлению являются касательные напряжения в условной плоскости сдвига. Для определения их величины предложены различные зависимости, в том числе Силин С.С. [1]:

(10)

где m- коэффициент, зависящий от рода обрабатываемого материала;

- временное сопротивление разрыву образца из обрабатываемого материала при стандартных условиях испытаний.

Сопротивление обрабатываемого материала пластическому сдвигу

может быть определена также непосредственно из опытов по резанию металлов, когда при условиях обработки с оптимальной температурой резания одновременно измеряется тангенциальная составляющая силы резания и усадка стружки , тогда:

(11)

Розенберг А.М. и Еремин А.Н. [12], исходя из гипотезы равенства удельных работ в условиях одинаковых деформаций при пластическом сжатии, пришли к следующему выражению:

(12)

где - условный предел текучести обрабатываемого материала, Н/м2;

Ем - модуль упругости, Н/м2;

n0 - показатель политропы напряжений, который должен иметь постоянное значение для данных температурно-скоростных условий деформации;

- относительный сдвиг.

Лоладзе Т.Н. [13] предложил принимать равным действительному пределу прочности при растяжении Sk, т.е. считать его постоянной механической характеристикой:

(13)

где Sк-действительный предел прочности при растяжений образца из обрабатываемого материала при стандартных условиях испытаний.

(14)

где - относительное сужение образца из обрабатываемого материала при стандартных условиях испытаний ( формула справедлива );

- предел прочности при растяжении, Н/м2.

Для определения при резании углеродистых, малолегированных и среднелегированных сталей рекомендуется применять формулу Клушина М.И. [15]:

(15)

где - предел прочности при растяжении, Н/м2.

Для определения сопротивления обрабатываемого материала пластическому сдвигу [16] Кононовым Ю.Е. Якушевым Я.С. предложена следующая формула:

(16)

где - относительное сужение образца при разрыве; - из справочников.

Сравнение экспериментальных данных и полученных расчетом по формулам. Сто удовлетворительна при обработке малолегированных сталей, при обработке сложнолегированных сталей и сплавов различия существенны. Причиной этого является то, что при составлении математической модели не учитывается в достаточной мере такие показатели температурной деформационной обстановки в зоне стружкообразования, как степень и скорость деформации и температура в условной плоскости сдвига.

1.2 Экспериментальное и теоритическое определение сил шлифования и резания

Кроме скорости резания, характеризующих понятия «обрабатываемость», используют для этих целей и силы резания.

Рис. 1

Петруха П.Г. [17] Процесс шлифования состоит из трех периодов: врезания, установившейся обработки и выхаживания - обработки при отсутствии поперечной подачи. Резание при выхаживании происходит в результате упругого натяга в системе круг -деталь. При врезании происходит постепенное увеличение сил резания. Связанное с увеличением глубины резания. Интенсивность роста сил резания зависит в основном от режима шлифования и жесткости системы.

При установившемся съеме металла величина сил резания стабилизируется. При выхаживании силы резания постепенно уменьшаются. Большое влияние на силы резания оказывает рельеф рабочей поверхности круга, микрогеометрия абразивных зерен и ширина круга В: при затоплении зерен, засаливании круга и при увеличении В силы резания возрастают.

Равнодействующая R всех нормальных и касательных сил, действующих на рабочей поверхности круга, так же как и при точении, является суммой трех сил Pz, Py, и Px (см. рис. 1).

Тангенциальная сила Pz определяет мощность резания и мощность, потребную для вращения круга и детали. Радиальная сила Py, вызывая упругие деформации системы СПИД, оказывает значительное влияние на точность обработки и ветроустойчивость процесса. Осевая сила Px, определяет мощность привода подачи. Наличие на абразивных зернах значительных радиусов округления, большие отрицательные передние углы и малые толщины среза при абразивной обработке является причиной того, что сила Py в 1,5-3 раза больше силы Pz . Отношение Py /Pz повышается доля полезных затрат и снижается работа трения и стружкообразования.

Лурье Г.Б. [18] Особенностями процесса шлифования является высокие скорости деформации, малые толщины среза и отрицательные передние углы на режущих кромках, что оказывает влияние на величину сил при шлифовании. Исследования силовых зависимостей при шлифовании выявили влияние следующих факторов.

Подачи , и t. Большинство исследователей получили равное или близкое (с учетом рассеивания опытных точек) влияние всех подач на силу и мощность шлифования. Pz возрастает с увеличением , и t, показатель степени равен в функциональной зависимости 0,6-0,7. При глубинном шлифовании силы Py и Pz снижается в 1,95-2,12 раза, а сила Px увеличивается. Эксперименты показали, что при шлифовании с продольной и радиальной подачами при одинаковом съеме металла в единицу времени тангенциальная сила, примерно, одинакова. Соотношение между радиальной и тангенциальной силами шлифования при работе с продольной подачей выше, чем при врезном шлифовании. Исследования Коновалова Е.Н. и Чагина В.Н. показали, что при вибрационном шлифовании силы резания снижаются по сравнению с обычным шлифованием, снижается также соотношения Py /Pz.

Скорость вращения круга С увеличением скорости круга тангенциальная сила снижается:

. (17)

Значения для показателя степени у отдельных исследователей колеблются в пределах 0,5-1,0.

Петруха П.Г. [17] Силу Pz определяет по экспериментальным формулам степенного вида. При наружном круглом шлифовании кругом Э40СМ1К5 (Дк=500м; В=40 мм; ):

(18)

где Ср - коэффициент, зависящий от вида обрабатываемого материала (при шлифовании закаленной стали Ср=2,2; незакаленной стали Ср= 2,1;чугуна Ср=2).

При увеличении круга уменьшается средняя толщина среза и силы резания снижаются. При шлифовании жаропрочных сплавов силы резания в 2-3 раза выше, чем при шлифовании сталей.

Для измерения сил резания при шлифовании применяются динамометрические центры и трехкомпонентные динамометры.

Теоритическую формулу для силы Pz в своей работе Силин С.С.[1]:

(19)

где М=b/b1 - отношение периметра рабочих участков режущих кромок к ширине среза.

Уравнение для расчета сил Py и Pх имеет вид:

(20)

(21)

Выводы по пункту 1

Попытка исследователей связать обрабатываемость материалов шлифованием с механическими, теплофизическими, химическими и другими характеристиками, пока не дают положительных результатов. Так, как чаще всего, характеристики и др. берутся в статистическом состоянии материалов. При шлифовании же выделяющаяся теплота не успевает рассеивается и вызывает локальное нагревание образца, что может привести к его разупрочнению, к повышению пластичности.

В работах Маталина А.А. и др. исследованиях установлено, что при больших скоростях деформация. Присущих шлифованию. Возрастает предел текучести при сравнительно медленном росте и даже постоянстве предела прочности. При повышенных скоростях деформирования можно ожидать перехода металла в хрупкое состояние, при котором разрушение может протекать без предварительного пластического деформирования. То есть, в определенных условиях деформации значения предела текучести и предела прочности настолько сближается, что разрушение может произойти без признаков пластического деформирования.

Вышеизложенное собрание диктует, что характеристика обрабатываемости материала должна определятся в условиях, соответствующих процессу шлифования: высоких температурах и скоростях деформации, т.е. в условиях, характеризующиеся режимами шлифования.

В связи с отсутствием оборудования для таких испытаний, использован теоретика - экспериментальный метод и исследования. Когда рассматривается теоритическая математическая модель процесса в совокупности с данными эксперимента.

В качестве критерия обрабатываемости мною взята характеристика - сопротивляемость материала резанию, как нам думается, наиболее полно отражающая физическую сущность понятия обрабатываемость.

Задачи исследования

На основе анализа вопроса обрабатываемости обосновать:

Приемлемость применения характеристики сопротивляемости материалов резанию для оценки обрабатываемости.

С учетом совокупности математической модели резания единичным зерном и экспериментальных исследований получить числовые значения .

Разработать методику расчета тангенциальной составляющей силы резания .

2. Требование к оборудованию, инструменту и технологическим средствам

Специфика глубинного шлифования предъявляет особое требования к оборудованию. Станки для глубинного шлифования должны быть виброустойчивыми, иметь повышенную мощность главного привода, высокую статическую и динамическую жесткость; особое значение придается охлаждению опор шпинделя для обеспечения постоянной температуры при вспомогательном (холостом) его вращение и под нагрузкой.

Для рабочих перемещений часто используют шаговые двигатели. Применение таких двигателей позволяет увеличить диапазон подач от 1 до 2500. В качестве приводов продольного перемещения как в отечественных, так и зарубежных станках применяют гидросистемы. Для продольно-профильных станков часто используют электромеханические приводы, обеспечивающие медленное перемещение стола ( 20 мм/мин - 10 м/мин).

Станки для глубинного шлифования оснащают системами обильного подвода СОЖ в зону шлифования, включающими холодильные установки, сепараторы, гидроциклоны, центрифуги и т. д.

На станках для глубинного шлифования часто предусматривают устройства для компенсации изнашивания круга, а на станках для скоростного глубинного шлифования - устройства для балансировки кругов в процессе работы. Наибольшее распространение получили станки для плоского и круглого глубинного шлифования.

Глубинное шлифование имеет такие особенности, обусловленные кинематикой и термодинамикой процесса, которые накладывают специфические требования к конструкции станков для глубинного шлифования. Опыт эксплуатации зарубежных станков, модернизация под условия глубинного шлифования ряда отечественных станков и создание собственного оборудования позволили ОАО «Рыбинские моторы» совместно с НИИД (г. Москва) разработать технические задания на разработку гаммы отечественных станков, обеспечивающих потребности отечественного авиационного двигателестроения.

Первыми были модернизированы плоскошлифовальные станки моделей ЗБ722 и ЗД722 производства Липецкого станкоинструментального завода. На них успешно внедрены в производство операции глубинного шлифования, контактных площадок турбинных лопаток с использованием прогрессивной схемы обработки сдвоенными кругами (рис. 2, ) со стороны «спинки» и «корыта» одновременно.

Рис. 2 Схема обработки контактных площадок турбинных лопаток сдвоенными кругами: 1 - абразивный круг, 2 - обрабатываемая деталь, 3 - приспособление

В условиях ограниченных производственных мощностей на этих станках одно время обрабатывались и елочные замки турбинных лопаток газоперекачивающих агрегатов. Были также модернизированы для глубинного шлифования елочных замков морально устаревшие станки фирмы «Матрикс» (Англия). На них была внедрена непрерывная правка кругов алмазными роликами с автоматической компенсацией размера, увеличена мощность главных приводов, переоборудована система подачи СОЖ.

Опыт модернизации станков дал возможность глубже исследовать ряд технических решений и заложить более обоснованные требования к ним во вновь разрабатываемых станках.

При создании промышленных моделей станков для глубинного шлифования на Липецком станкостроительном заводе большинство требований было выполнено.

Первым был создан одношпиндеольный станок модели ЛШ-220 (рис. 1.7), который представляет собой полуавтомат с прямоугольным столом, горизонтальным шпинделем и четырех координатным устройством ЧПУ. Компоновка станка в сочетании с конструкцией шпинделя на подшипниках качения обеспечивает высокую жесткость шлифовальной бабки. Применение в направляющих стола и салазок фторопластовой ленты, а также винтовых пар качения в механизмах вертикального и поперечного движения подач шлифовальной бабки и перемещения стола позволили достичь плавности рабочих перемещений и высокой точности изготовления деталей. Станок нашел широкое применение на заводах отрасли. Данный станок используется в технологическом процессе производства лопатки турбины ТНА.

Рис. 2.1 Станок ЛШ-220: 1 - станина; 2 - стол; 3 - колонна; 4 - шлифовальная головка; 5 - система подачи и очистки СОЖ; 6 - пульт управления калибруются одним роликом, что гарантирует симметричность расположения профилей и высокую точность обработки

Станок ЛШ-233 отвечает основным требованиям высокопроизводительного глубинного шлифования.

Некоторым конструктивным недостатком этих станков является весовая несбалансированность консольно расположенных электродвигателей привода шлифовальных кругов.

Существенным шагом в дальнейшем усовершенствовании одношпиндеольных плоскошлифовальных станков является создание станка модели ЛШ-236.

Станок значительно превосходит своих предшественников по технологическим возможностям. Он обладает повышенной жесткостью, быстроходностью на холостых ходах, имеет большую по высоте зону обработки.

Наличие круглого рабочего тактового стола позволяет производить предустановку деталей во время рабочего цикла, что повышает производительность и дает возможность полностью автоматизировать цикл обработки.

Для расширения области применения методов профильного шлифования с непрерывной правкой кругов при обработке поверхностей сопловых лопаток турбин предназначен карусельно-шлифовальный станок ЛШ-278.

Станок может работать в широком диапазоне режимов, в том числе и в режиме глубинного шлифования, имеет дополнительный высокоскоростной шпиндель для формирования канавок и резцедержатель для их подправки резцом в режиме точения.

2.1 Абразивный инструмент

Реализация преимуществ глубинного шлифования возможна при условии создания шлифовальных кругов, обеспечивающих не только необходимую прочность, но и другие условия эффективной обработки деталей: уменьшение износа и увеличение стойкости круга, обеспечение заданной точности и качества обработки и др.

При работе шлифовального круга на него действуют центробежные силы, сила закрепления фланцами на шпинделе станка, силы резания и силы, возникающие от неуравновешенных масс. Шлифовальный круг должен иметь достаточную прочность, чтобы с гарантией выдерживать эти нагрузки.

С увеличением скорости резания энергия круга увеличивается пропорционально квадрату скорости, поэтому при создании высокоскоростных шлифовальных кругов необходимо в первую очередь увеличить их прочность на разрыв, учитывая при этом действие усталостных нагрузок от сил резания и неуравновешенных масс. Кроме того, увеличение скорости и глубины резания изменяют условия работы каждого из абразивных зерен на рабочей поверхности круга и связки, удерживающей эти зерна: увеличиваются скорости и число циклов нагружения режущих кромок и связки, увеличивается число режущих зерен по дуге контакта, растут скорости нагрева и охлаждения вершины каждой режущей кромки, а также максимальные контактные температуры, уменьшается длительность теплового и силового воздействия на режущие кромки. Перечисленные факторы требуют обоснованного выбора материалов абразивных зерен и связки, зернистости и твердости круга, его структуры, способа и режимов правки.

Повышение производительности глубинного шлифования и качества поверхностного слоя могут быть обеспечены применением высоко- структурных кругов. Структура круга определяется содержанием зерна, связки и пор. Структура круга, используемого при глубинном шлифовании, должна быть такой, чтобы достигалось размещение в порах круга стружки, снимаемой за один цикл резания, и до разрушения системы “зерно - связка” обеспечивалось заполнение пор частицами стружки за счет адгезионного схватывания без засаливания круга. Кроме того, должно обеспечиваться хорошее вымывание стружки из пор режущей поверхности круга и перенос порами части жидкости в зону контакта круга с заготовкой. Такими свойствами обладают круги открытой структуры, поэтому круг для глубинного шлифования должен иметь 9…12-ю структуру. Пористость абразивного инструмента образуется в результате сцепления абразивных зерен в местах их контакта со связующим веществом. Связка, располагаясь вокруг зерен в виде пленки, образует между зернами открытые поры. Размер пор и открытая пористость (отношение суммарного объема пор и капилляров, сообщающихся между собой и с поверхностью инструмента к его объему) являются основной характеристикой, определяющей проницаемость пористого материала и механическую прочность. Внедрение новейшей технологии изготовления высокопористых кругов стало возможным в связи с изобретением технологии образования в абразивной массе корундовых микросфер, имеющих геометрически правильную форму шара со стенкой толщиной 1…5 мкм в зависимости от состава массы.

Микросферы хорошо выдерживают нагрузку при прессовании инструмента, участвуя в создании прочного каркаса “зерно - микросферы - связка - воздух”. Высокопористые шлифовальные круги, изготовленные по новой технологии, позволяют существенно расширить эксплуатационные возможности аналогичных кругов при обработке различных материалов, что доказано в ходе проведения ряда испытаний и длительного промышленного применения. Поры способствуют дополнительному охлаждению, лучшему пропитыванию круга и проникновению СОЖ в зону резания. Применение пористых кругов уменьшает плотность зерен и силу резания, приходящуюся на одно зерно, облегчает правку и обеспечивает эффективное использование СОЖ. Высокая пористость кругов достигается путем применения различных парообразующих веществ, выгорающих или выплавляемых в процессе изготовления кругов.

Обработка глубинным шлифованием, характеризующаяся значительными тепло напряжённостью, мощностью шлифования и силами, деформирующими систему “станок - приспособление - инструмент - заготовка”, подачей СОЖ под давлением с большим расходом, требует от круга высокой теплостойкости, жесткости, химической стойкости и водо- стойкости. Все эти свойства придают кругу керамические связки К3, К5.

Наряду с этими связками при изготовлении инструментов для глубинного шлифования можно применять керамические боросодержащие, огне- упорные, химические и водостойкие связки, легированные оксидами лития, бария, меди.

Круги на вулканитовой связке имеют более высокую плотность структуры, большую упругость и эластичность, и меньшую хрупкость. При высокой температуре в зоне шлифования абразивные зерна вдавливаются в связку. Условия резания при этом ухудшаются, увеличивается работа трения, возрастают сила резания и температура. Это приводит к появлению вибраций и прижогов шлифованной поверхности на первых же проходах. Поэтому для шлифования титановых и жаропрочных сплавов следует применять пульвербакелитовую связку. Реализация оптимальных условий правки при глубинном шлифовании не должна вызывать серьезных затруднений в производстве. Большинство станков для глубинного шлифования, как в СНГ, так и за рубежом выпускают с программным управлением. Все параметры, управляющие шлифованием, в том числе и режимы правки, заносятся в программу и реализуются автоматически по мере осуществления цикла обработки.

2.2 Смазочно-охлаждающие технологические среды при глубинном шлифовании

При глубинном шлифовании применяются различные смазочно-охлаждающие технологические среды (СОТС) в твёрдом, жидком и газообразном состоянии, имеющие различный состав и физико-механические свойства. Выбор эффективного СОТС для глубинного шлифования определяется, методом и точностью обработки детали, качеством поверхностного слоя, режимами шлифования, характеристикой шлифовального инструмента, оборудованием, способом подачи СОТС в зону резания.

При глубинном шлифовании металлов обычно используют водные и масляные (угле-водородные) технологические среды (смазочно-охлаждающие жидкости - СОЖ).

...