Influence of details diameter and sizes of abrasives disperses on surface layer quality

ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ РЕЗАНИЕМ

УДК 621.923+531.44:620.178

Влияние диаметра детали и дисперсии размеров абразивных зерен на качество поверхностного слоя

В. И. Бутенко, Д. С. Дуров, Л. В. Гусакова

Ключевые слова: диаметр детали, диаметр круга, дисперсия, зернистость, зона обработки, износостойкость, поверхностный слой, поправочный коэффициент, число прижогов, шлифовальный круг.

Введение

В современной металлообработке особое место занимает шлифование, в результате которого в поверхностном слое детали формируются эксплуатационные показатели качества. В настоящее время предъявляются существенно более высокие требования к качеству поверхностного слоя детали после шлифования, особенно на ответственных деталях для дви-гателестроения. В связи с этим необходимо строже соблюдать показания к назначению режимов резания и выбору конструкции и состава шлифовальных кругов. При этом в качестве основного параметра эффективности использования шлифовального круга может быть принято число прижогов на обработанной поверхности детали.

Методика проведения исследования

Исследование влияния некоторых конструктивно-технологических факторов на процесс шлифования деталей осуществлялось как в лабораторных условиях, так и на производственных участках ОАО «Ейский станкостроительный завод», оснащенных кругло-и плоскошлифовальными станками. Обработке подвергались детали типа валов, втулок и планок, изготавливаемые из хромоникелевых сталей и сплавов марок 45Х25Н20С2, 12Х2Н4А, ЖС26ВСНК и ЖС6У-ВИ. Для эксперимента были использованы шлифовальные круги, соответствующие ГОСТ 2424-83 (их поставляют на производство заводы-изготовители) и созданные в лабораторных условиях на основе эпоксидной диановой стали ЭД-5. Для определения качественных показателей обработанных поверхностей деталей применяли металлографический микроскоп МИМ-8М, микротвердомер ПМТ-3 и профилограф-профилометр мод. 201. Возникающие в материале поверхностного слоя детали технологические остаточные напряжения сост определяли по методике

Н. Н. Давиденкова, полученные результаты подвергали дальнейшей математической обработке с помощью программы <^а^ика» [1]. Оценка эффективности процесса шлифования осуществлялась двумя способами:

• подсчетом числа прижогов ^ на обработанных поверхностях 10 исследуемых образцов, изготовленных из одного материала и подвергнутых шлифованию при одинаковых условиях и режимах;

• подсчетом числа прижогов на определенной площади обработанной поверхности детали.

Для определения толщины упрочненного слоя АН, то есть материала поверхностного слоя с измененными физико-механическими свойствами после шлифования, с достоверностью 0,8 использовали четырехзондовый метод [2].

Результаты исследования и их анализ

Существующие методики выбора инструмента и назначения режимов обработки при круглом шлифовании практически никак не учитывают соотношение между диаметром круга Дк и диаметром обрабатываемой детали Дд. Обычно один и тот же круг используют для обработки деталей, диаметры которых могут отличаться друг от друга более чем в 10 раз. В результате контактное взаимодействие шлифовального круга с обрабатываемой поверхностью детали варьируется, что приводит к формированию в поверхностном слое существенно отличающихся между собой эксплуатационных показателей качества. Это особенно заметно при шлифовании поверхностей деталей из хромоникелевых жаропрочных и жаростойких сплавов, широко используемых в двигателестроении.

Были проведены сравнительные исследования изменения показателей качества поверхностного слоя и температуры в зоне контакта в зависимости от соотношения Дк/Дд

при обработке деталей из вышеуказанных хромоникелевых сталей и сплавов, выполненной на круглошлифовальном станке мод. ЗМ15. Использовались шлифовальные круги с Дк = 320 мм, изготовленные из абразивной массы, содержащей эпоксидную смолу ЭД-5 (100 масс. частей), электрокорунд с зернистостью 25 (250 масс. частей) и отверди-тель полиэтиленнолиамин (20 масс. частей). В качестве смазочно-охлаждающей жидкости применяли выпускаемый промышленно состав «Укринол-1» (ТУ 38-101197-76). Приведем постоянные параметры эксперимента:

• частота вращения круга пкр = 1400 об/мин;

• продольная подача йпр = 2 • 10-2 м/с;

• подача врезания йвр = 0,01 мм/дв. ход;

• скорость вращения детали = 0,85 ± ± 0,05 м/с.

Результаты исследований приведены в табл. 1. Их анализ позволяет сделать вывод о том, что изменения температуры в зоне контакта шлифовального круга с обрабатываемой деталью и показателей качества поверхностного слоя (установленного давления индентора на поверхность (0,49 Н) Н0,49, технологического остаточ-

ного напряжения аост, толщины упрочненного слоя АН), характеризующих физико-механическое состояние материала, неоднозначно зависят от соотношения Дк/Дд.

При увеличении соотношения Дк/Дд температура © и показатели -#0,49, сост, АН уменьшаются незначительно, что, по-видимому, связано с сокращением продолжительности контакта. При меньших значениях соотношения Дк/Дд увеличение температуры © и показателей —0 49, <гост> АН может быть объяснено расширением зоны контакта и повышением скорости скольжения контактирующих тел. В соответствии с изменениями Н0 49, <гост, АН колеблется число прижогов Nп на обработанной поверхности детали. При этом шероховатость поверхности детали Яа с увеличением соотношения Дк/Дд также повышается.

Для уменьшения зависимости температуры © в зоне контакта шлифовального круга с обрабатываемой деталью и эксплуатационных показателей качества поверхностного слоя

Н

0,49,

АН от соотношения Дк/Дд пред

лагается производить корректировку режимов резания (при назначении их по справоч-

Таблица 1

Изменения температуры в зоне контакта шлифовального круга с обрабатываемой деталью и показателей качества поверхностного слоя в зависимости от соотношения Дк/Дд

Обрабатываемый материал Соотношение диаметров круга и детали Дк/Дд Температура ©, °С Установл. давление индентора на поверхность Н0,49, МПа Технологич. остаточн. напряжение (Гост, МПа Шероховатость поверхности детали Да, мкм Толщина упрочненного слоя АН, мм Число прижогов Nп, шт.

Сталь

16,00 650 260 340 2,12 0,39 68

10,67 700 270 350 2,05 0,41 74

45Х25Н20С2 8,00 750 280 370 1,96 0,43 79

6,40 850 290 380 1,79 0,46 85

5,33 900 300 400 1,73 0,48 97

16,00 700 260 330 2,19 0,38 65

10,67 750 270 350 2,08 0,40 71

12Х2Н4А 8,00 800 290 370 2,01 0,42 76

6,40 900 300 380 1,87 0,45 83

5,33 950 310 390 1,69 0,47 89

Сплав

16,00 900 270 490 1,88 0,42 73

10,67 950 280 500 1,85 0,45 86

ЖС28ВСНК 8,00 1000 290 520 1,79 0,49 97

6,40 1100 300 530 1,76 0,52 113

5,33 1200 310 550 1,72 0,57 119

16,00 950 280 510 1,84 0,45 82

10,67 1000 290 520 1,75 0,48 88

ЖС6У-ВИ 8,00 1100 300 540 1,72 0,53 97

6,40 1150 310 580 1,66 0,60 110

5,33 1250 330 640 1,60 0,64 116

к*

1,2

1,0

0,8

0,6

1

2

к

1,5

1,0

0,5

9 10

15

Дк/Дд

Рис. 1. Номограммы для определения поправочных коэффициентов при круглом шлифовании высоколегированных хромоникелевых сталей и сплавов:

1 — коэффициент на продольную подачу КД; 2 — коэффициент встречной скорости вращения обрабатываемой

детали К

Д

никам [3]) в соответствии с величиной Дк/Дд. В работе [4] представлены номограммы определения оптимального угла подачи смазочно-охлаждающих технологических средств юопт в зависимости от физико-механических свойств обрабатываемого материала, требуемых показателей качества поверхностного слоя детали и соотношения Дк/Дд, данные расчеты показывают возможность такой корректировки с по-

мощью поправочных коэффициентов при назначении по справочным данным продольной подачи йпр и встречной скорости вращения обрабатываемой детали Уд-.

Предварительными исследованиями установлено, что наилучшие результаты по качеству поверхностного слоя деталей из хромоникелевых жаропрочных и жаростойких сталей и сплавов достигаются при отношении Дк/Дд = 10. Оно было принято в качестве основного при составлении номограммы для определения поправочных коэффициентов на продольную подачу К*д и встречную скорость вращения обрабатываемой детали КУд в полулогарифмических координатах (рис. 1).

Проведены сравнительные исследования изменения состояния поверхностного слоя деталей из хромоникелевых сталей и сплавов в зависимости от соотношения Дк/Дд при их шлифовании с применением режимов резания, указанных в справочнике [3], и режимов, учитывающих поправочные коэффициенты К*д и КУд.

Исследования проводились в промышленных условиях на круглошлифовальном станке мод. 3М151ВФ1, на котором был установлен круг ПП 600х305х8024А СМ27 К1А (ГОСТ 2424-83). Диапазон изменения диаметров обрабатываемых деталей составил 30-80 мм. Результаты исследований представлены в табл. 2. Их анализ позволяет сделать вывод о существенном улучшении состояния поверхностного слоя деталей по показателям -#0,49, гост, АН в случае назначения режимов шлифования с учетом поправочных коэффициентов К*д и КД, последнее приводит к снижению числа прижогов Nп на площади обработанной поверхности 103 мм2 почти в 2,5 раза. При этом отмечается существенное уменьшение разброса

Таблица 2

Результаты сравнительных исследований состояния поверхностного слоя детали после шлифования

6

7

8

Обрабатываемый материал Установл. давление индентора на поверхность —0,49, МПа Технологич. осточн. напряжение (Гост, МПа Толщина упрочненного слоя АН, мм Шероховатость поверхности детали Ra, мкм Число прижогов NП, шт.

Справочный режим шлифования

Сталь:

45Х25Н20С2 250-300 330-400 0,36-0,50 1,74-2,25 8-12

Х21Н35В5 240-300 330-390 0,38-0,48 1,80-2,32 8-14

Сплав:

ЖС28ВСНК 270-310 480-560 0,40-0,56 1,72-1,96 10-16

ЖС6У-ВИ 280-330 500-650 0,45-0,65 1,60-1,85 12-20

* V Режим шлифования, учитывающий К*д и КУд

Сталь:

45Х25Н20С2 250-280 320-350 0,35-0,42 1,72-1,85 3-5

12Х2Н4А 240-280 320-360 0,34-0,40 1,68-1,82 3-5

Сплав:

ЖС28ВСНК 260-290 450-500 0,38-0,48 1,65-1,74 4-7

ЖС6У-ВИ 270-300 480-520 0,42-0,47 1,60-1,70 4-9

Таблица 3

Содержание абразивных зерен электрокорунда зернистости 15, 25, 40 в шлифовальных кругах

Номер шлифовального круга Абразивные зерна зернистости, % масс. Содержание основной фракции, %

15 25 40

1 0 250 0 100

2 25 225 0 90

3 50 200 0 80

4 0 225 25 90

5 0 200 50 80

6 25 200 25 80

7 50 150 50 60

показателей качества поверхностного слоя деталей и числа прижогов на них в зависимости от отношения Дк/Дд.

В процессе исследований было установлено, что значения показателей качества поверхностного слоя деталей и их разброс при шлифовании во многом зависят от дисперсии размеров абразивных зерен круга. Были изготовлены шлифовальные круги семи видов, которые имели наружный диаметр 320 мм и содержали абразивные зерна электрокорунда зернистости 15, 25, 40, их данные указаны в табл. 3.

Шлифованию подвергались полые образцы из вышеуказанных сталей и сплавов, имеющие наружный диаметр 40 мм и длину 360 мм и прошедшие предварительное шлифование. Режимы обработки устанавливались с учетом поправочных коэффициен-

с* ЛТ

тов Хд и ХД, которые были приняты равными 0,92 и 1,18 соответственно (см. рис. 1). Подача врезания составляла 0,01 мм/дв. ход. Эффективность использования шлифовальных кругов с различным содержанием абразивных зерен зернистости 15, 25, 40 (табл. 3) оценивалась по следующим показателям:

• количество прижогов на обработанной поверхности детали за один проход шлифовального круга Nп;

• масса снятого металла Q, характеризующая режущую способность круга;

• шероховатость получаемой поверхности Я&.

Результаты исследований приведены в табл. 4. На их основе можно сделать вывод, что существует тесная связь между дисперсией размеров абразивных зерен шлифовального круга и эффективностью процесса шлифования. Уменьшение разброса размеров абразивных зерен в шлифовальных кругах позволяет получать стабильные показатели качества поверхностного слоя детали, это является важным фактором обеспечения ее эксплуатационных свойств.

В практике металлообработки, при шлифовании деталей из хромоникелевых жаропрочных и жаростойких сплавов можно найти применение шлифовальным кругам специальной конструкции (рис. 2), которые содержат крупнозернистые участки (сегменты) абразива и расположенные за ними участки мелкозернистого

Таблица4

Эффективность использования шлифовальных кругов с различным содержанием в них абразивных зерен зернистости 15, 25, 40

Показатель Номер шлифовального круга

1 2 3 4 5 6 7

Сталь 45Х25Н20С2

Число прижогов шт. 12 10 8 14 17 13 11

Масса снятого металла Q, г 4,937 4,691 4,386 5,286 5,343 5,085 5,074

Шероховатость поверхности детали Яа, мкм 1,82 1,68 1,55 1,97 2,46 1,81 1,89

Сталь 12Х2Н4А

Число прижогов Ы^, шт. 13 11 10 15 18 14 12

Масса снятого металла Q, г 5,012 4,811 4,390 5,326 5,472 5,135 5,147

Шероховатость поверхности детали Яа, мкм 1,75 1,64 1,51 2,03 2,64 1,79 1,83

Сплав ЖС28ВСНК

Число прижогов Ы-^, шт. 16 13 11 17 21 15 16

Масса снятого металла Q, г 5,217 5,092 4,871 5,416 5,574 5,247 5,256

Шероховатость поверхности детали Яа, мкм 1,69 1,58 1,51 1,88 2,35 2,19 2,16

Сплав ЖС6У-ВИ

Число прижогов Ы^, шт. 17 14 12 18 22 16 17

Масса снятого металла Q, г 5,195 4,986 4,834 5,276 5,497 5,208 5,219

Шероховатость поверхности детали Яа, мкм 1,65 1,53 1,49 1,91 2,38 2,21 2,15

А Яп,

шт

15-

Рис. 2. Схема шлифовального круга переменной зернистости:

1 — крупнозернистый участок; 2 — мелкозернистый участок; 3 — участок абразива меньшей твердости

абразива, и те и другие попарно разделены участками абразива с меньшей твердостью [5, 6]. При этом участки с мелкозернистым абразивом в 1,5-4,0 раза шире участков с крупнозернистым абразивом, а на участках с крупнозернистым абразивом и участках абразива с меньшей твердостью, соответственно зерно имеет величину в 1,2-1,5 раза больше, чем зерно на участках с мелкозернистым абразивом. Благодаря такой конструкции шлифовального круга во время работы участки абразива с меньшей твердостью изнашиваются несколько быстрее, перед крупнозернистыми участками по периферии круга образуются небольшие впадины, способствующие возникновению в зоне обработки субмикроударов и субмикровибраций. В результате происходит интенсивный процесс удаления налипшего на абразивные зерна металла и улучшается режущая способность шлифовального круга, что очень важно при обработке хромонике-левых жаропрочных и жаростойких сталей и сплавов. Одновременно уменьшается температура в зоне резания. При этом на участках мелкозернистого абразива осуществляется чистовая обработка поверхности детали.

Проведены сравнительные исследования шлифовальных кругов двух видов с наружным диаметром 320 мм:

• 1-й вид — постоянная зернистость абразивных зерен, состоящих из электрокорунда зернистости 25 и эпоксидной смолы ЭД-5;

• 2-й вид — переменная зернистость абразивных зерен, есть крупнозернистый участок

10 -

5-

12 3

Обрабатываемый материал

А Яп,

шт

25-

20-

15-

10-

5-

12 3 4

Обрабатываемый материал

Рис. 3. Гистограммы среднего числа прижогов (а) и разброса числа прижогов АЯп (б) на обработанных поверхностях деталей:

К — шлифовальный круг постоянной зернистости; 0 — шлифовальный круг переменной зернистости; 1 — сталь 45Х25Н20С2; 2 — сталь 12Х2Н4А; 3 — сплав ЖС25ВСНК; 4 — сплав ЖС6У-ВИ

из электрокорунда зернистости 40, мелкозернистый участок из электрокорунда зернистости 25, участок меньшей твердости из карбида кремния зернистости 40; связка — эпоксидная смола ЭД-5.

Оценка эффективности исследования шлифовальных кругов осуществлялась по среднему числу прижогов на обработанных поверхностях и их разбросу при шлифовании партии деталей

3

4

обработка материалов резанием

МЕТ^^БРД^к)!

из 10 штук (наружный диаметр — 40 мм, длина — 360 мм) при одних и тех же режимах, принятых с учетом коэффициентов К8д и ХД. Результаты исследований в виде гистограмм приведены на рис. 3. Следовательно, применение шлифовальных кругов переменной зернистости уменьшает количество прижогов почти в 2,0 раза, а их разброс на обработанных поверхностях деталей из хромоникелевых жаропрочных и жаростойких сталей и сплавов марок 45Х25Н20С2, 12Х2Н4А, ЖС26ВСНК, ЖС6У-ВИ снижается в 1,2-1,5 раза.

Выводы

Результаты исследования влияния диаметра обрабатываемой детали и дисперсии размеров абразивных зерен шлифовального круга на качество поверхностного слоя свидетельствуют о необходимости индивидуального подхода к конструктивно-технологическим факторам процесса шлифования. Это особенно важно при обработке хромоникелевых жаропрочных и жаростойких сталей и сплавов, используемых в двигателестроении. Как показывают предварительные эксплуатационные испытания, такой подход позволяет повысить

износостойкость деталей газотурбинных двигателей и установок в 2,0-2,5 раза.

Литература

1. Бутенко В. И. Структура и свойства материалов в экстремальных условиях эксплуатации. Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2007. 264 с.

2. Бутенко В. И. Формирование и изнашивание поверхностного слоя детали. Таганрог: Изд-во ТРТУ, 1999. 193 с.

3. Справочник технолога-машиностроителя: В 2 т. / Под ред. А. М. Дальского, А. Г. Косиловой, Р. М. Мещерякова и др. М.: Машиностроение, 2001. С. 112-263.

4. Бутенко В. И., Дуров Д. С., Гусакова Л. В. Совершенствование способов подачи, раздачи и очистки СОТС при шлифовании деталей // Металлообработка. 2009. № 2. С. 2-8.

5. Пат. 2201865 Российская Федерация, МКИ В24D5/14, 7/14. Шлифовальный инструмент / В. И. Бутенко, Д. И. Диденко, Д. С. Дуров. Заявитель и патентообладатель Таганрогск. радиотехн. ун-т; заявл. 30.11.2000; опубл. 10.04.2003. Бюл. № 10.

6. Бутенко В. И., Дуров Д. С. Совершенствование процессов обработки авиационных материалов. Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2004. 127 с.

УДК 621.787.4.001.573

Имитационное моделирование влияния параметров технологической системы на виброустойчивость выглаживания поверхностей деталей

В. П. Кузнецов

Ключевые слова: аттрактор, виброустойчивость, имитационное моделирование, критическое затухание, упругое выглаживание.

Одним из современных высокопроизводительных процессов финишной обработки поверхностей тел вращения на токарно-фрезерных центрах с ЧПУ является упругое выглаживание. Однако в настоящее время отсутствуют теоретически обоснованные подходы к созданию инструмента и назначению режимов упругого выглаживания, обеспечивающих виброустойчивость отделочной обработки деталей с достижением шероховатости поверхностей в сотые доли микрометра. Динамика упругого выглаживания поверхностей тел вращения на токарно-фрезерных центрах в достаточной степени идентифицируется с помощью

нелинейно-динамической модели технологической системы [1]. Схема технологической системы упругого выглаживания прецизионной поверхности детали на динамически жестком станке приведена на рис. 1, а. При выглаживании поверхности на динамически жестком станке приведенные к вершине инструмента жесткости пружины выглаживателя С1 и контакта «индентор — заготовка» С0 на 3-4 порядка меньше жесткости узлов станка, несущих инструмент и заготовку [1].

Схема цикла колебательного движения индентора при выглаживании представлена на рис. 1, б. На ней выделено четыре участка