Высокоскоростное шлифование жаропрочных и жаростойких сплавов

ОБЩЕТЕХНИЧЕСКИЕ ЗАДАЧИ И ПУТИ ИХ РЕШЕНИЯ

УДК 621.952.8

К. В. Аверков, Е. В. Веселкова

Омский государственный университет путей сообщения

ВЫСОКОСКОРОСТНОЕ ШЛИФОВАНИЕ ЖАРОПРОЧНЫХ И ЖАРОСТОЙКИХ СПЛАВОВ

Приведены результаты экспериментальных исследований по высокоскоростному шлифованию жаропрочных и жаростойких сплавов. В ходе исследования были проведены эксперименты на разработанной авторами установке для высокоскоростного шлифования, в ходе которых образцы из жаропрочных и жаростойких сплавов подвергались шлифованию в различных режимах и оценивались характеристики получаемой поверхности. По результатам исследований показано влияние скорости шлифования на наличие дефектов на обработанной поверхности и ее шероховатость.

высокоскоростное шлифование, жаропрочные и жаростойкие сплавы, качество поверхности.

Введение

Жаропрочные материалы и сплавы играют большую роль в современном машиностроении. Они являются сложнолегированными сплавами, сохраняющими свои механические свойства при температурах 900-1200 °C. Жаропрочные и жаростойкие материалы являются одними из самых труднообрабатываемых, по классификации Гуревича они занимают шестое место из девяти.

Детали, изготовленные из жаропрочных сплавов на никелевой основе, активно применяются во многих областях, в том числе в конструкции двигателя газотурбовоза, причем именно эти детали являются наиболее ответственными и определяют ресурс двигателя. Из этих материалов изготавливают лопатки турбин и корпуса камер сгорания. Кроме того, материалы данной

190

группы активно применяются в паротурбостроении, атомной энергетике, печном оборудовании и химической промышленности.

1 Результаты экспериментальных исследований

Разрушение деталей в большинстве случаев начинается с поверхности. Этому способствуют впадины между микронеровностями, остаточные напряжения и поверхностные дефекты, оставшиеся после механической обработки. Традиционно на производстве высокого качества поверхности деталей добиваются с помощью операций полирования и притирки, часто вручную. Процесс полирования характеризуется низкой производительностью, высокой трудоемкостью, а качество поверхности напрямую зависит от квалификации рабочего. При этом не всегда гарантируется отсутствие прижогов.

Одним из перспективных методов абразивной обработки жаропрочных и жаростойких материалов является высокоскоростное шлифование. Специалисты, занимавшиеся данным вопросом, - Л. Н. Филимонов, Л. В. Худобин, В. Н. Подураев, В. Ф. Казаков, К. Гюринг - отмечают, что при сверхскоростном шлифовании изменяются физические процессы, происходящие в зоне резания. Это касается как инструмента, так и поверхности обрабатываемого материала, причем износ абразивных зерен инструмента приобретает характер самозатачивания, изменяются температурные условия в зоне резания, повышается производительность.

В процессе исследования проводился эксперимент на установке для высокоскоростного шлифования (рис. 1).

Абразивные сегменты 1 с помощью инструментального клея 6 крепятся к державке 5, которая устанавливается в специальное гнездо корпуса

2 и фиксируются прижимным элементом 4 с помощью винтов 3. Выступы корпуса 7 надежно фиксируют абразивную головку от возможного отрыва под действием центробежных сил.

Фотографии шлифованной поверхности, полученные с помощью электронного микроскопа JCM-5700, показывают, что при традиционных скоростях шлифования (20-30 м/с) обработанная поверхность характеризуется различными дефектами - задирами, прижогами (рис. 2, а).

При шлифовании со скоростями 140-170 м/с этих дефектов не наблюдается (рис. 2, б). На поверхности значительно меньше следов пластической деформации, чем на поверхности, обработанной при традиционных режимах.

Также на поверхности, обработанной при традиционных режимах, отчетливо видны окислившиеся участки, на многих из которых выявлены трещины (одна из них показана стрелкой на рис. 3, а).

Элементное картирование позволило установить, что данные зоны являются сегрегациями титана. Очевидно, что эти зоны обладают иными меха-

191

б)

Рис. 1. Установка для высокоскоростного шлифования

192

а)

б)

Рис. 2. Поверхность, обработанная при скорости шлифования 30 м/с

а) б)

Рис. 3. Элементное картирование V = 30 м/с:

г г рез

а - окисленные участки на обработанной поверхности; б - сегрегации титана на обработанной поверхности

ническими свойствами и могут являться источниками формирования трещин усталости (рис. 3, б).

На поверхности, обработанной при повышенных режимах, подобных участков не наблюдается (рис. 4, а), хотя элементное картирование выявляет наличие сегрегаций (рис. 4, б).

Известно, что титан и его соединения начинают интенсивно окисляться при температуре свыше 500 °C. Эти данные свидетельствуют о том, что при высокоскоростном шлифовании температуры не превышают 500 °C.

В результате проведенных экспериментов построен график зависимости шероховатости от скорости шлифования (рис. 5). Выявлено, что шерохо-

193

а) б)

Рис. 4. Элементное картирование при Vpe3 = 160 м/с: а - обработанная поверхность; б - сегрегации титана

2

1,8

1,6

1,4

1,2

го

с£. 0,8

0,6

0,4

0,2

о

1,837

ft\,*7

50

100 150

V , м/с

200

250

Рис. 5. График зависимости шероховатости от скорости шлифования

ватость минимальна при скоростях 110-140 м/с. Увеличение шероховатости при более высокой скорости резания, по-видимому, объясняется колебаниями системы СПИД.

Топографический анализ шлифованной поверхности (рис. 6) показал, что на скоростях 160-200 м/с наблюдается некоторое увеличение параметра шероховатости, однако рельеф поверхности характеризуется большей равномерностью и большим количеством шлифовочных рисок на единицу площади.

Очевидно, что если добиться большей виброустойчивости системы СПИД, то произойдет дальнейшее снижение шероховатости.

194

а) б)

Рис. 6. Топографический анализ параметра шероховатости: а - при скорости 80 м/с; б - при скорости шлифования 230 м/с

Рабочая поверхность круга при шлифовании на скоростях 20-30 м/с характеризуется сильным засаливанием рабочей поверхности и полной потерей режущей способности круга (рис. 7, а). При обработке на скорости свыше 200 м/с поры на рабочей поверхности шлифовального круга остаются практически чистыми (рис. 7, б).

а)

б)

Рис. 7. Рабочая поверхность абразивного круга: а - V = 30 м/с; б - V = 220 м/с

Заключение

Метод высокоскоростного шлифования позволяет обеспечить высокие качество и производительность обработки и является наиболее прогрессивным при обработке жаропрочных сталей и сплавов.

195

Библиографический список

1. Высокоскоростное шлифование / Л. Н. Филимонов. - Ленинград : Машиностроение, 1979. - 246 с.

2. Адгезионное взаимодействие режущего инструмента с обрабатываемым материалом / Л. Ш. Шустер. - Москва : Машиностроение, 1988. - 96 с.

© Аверков К. В., Веселкова Е. В., 2014

196