автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Повышение эффективности операций шлифования заготовок тонкостенных деталей путем снижения теплонапряженности процесса обработки

Па правах рукописи

ХУСАИНОВ АЛЬБЕРТ ШАМИЛЕВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОПЕРАЦИЙ ШЛИФОВАНИЯ ЗАГОТОВОК ТОНКОСТЕННЫХ ДЕТАЛЕЙ ПУТЕМ СНИЖЕНИЯ ТЕПЛОНАПРЯЖЕННОСТИ ПРОЦЕССА ОБРАБОТКИ

Специальность 05.02.08 - Технология машиностроения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ульяновск, 1996

Работа выполнена на кафедре "Технология машиностроения" Ульяновского государственного технического университета (УлГТУ)

Научный руководитель: Заслуженный деятель науки и техники РФ

доктор технических наук, профессор Л.В. ХУДОБИН

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Ю.В.ПОЛЯНСКОВ

кандидат технических наук, доцент Г.Д.ФЕДОТОВ

Ведущее предприятие: ПО " Утес ", г. Ульяновск

Защита диссертации состоится 9 декабря 1996 г. в 1200 на заседании дис ссргациопного совета К.064.21.02 в Ульяновском государственном техни песком университете по адресу: 432700, ГСП, г. Ульяновск, уд. Северный ве нец, 32.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке УлГТУ. Автореферат разослан ." ноября 1996 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, профессор

В.Ф.Гурьянихин

ОБЩАЯ ХА РА КТЕРПС'ГИК А РАБОТЫ

Актуальность темы. Одной из основных тенденций развитая машияо-и приборостроения является снижение массы, миниатюризация, увеличение числа выполняемых машинами и приборами функций. В связи с этим неуклонно расширяется использование сложных и высокоточных деталей, в том числе имеющих тонкостенные элементы, часто выполняющие основные функции деталей.

Большинство показателей качества любых деталей формируется на заключительных этапах технологического процесса их изготовления. В качестве такого этапа часто выступает операция шлифования. Процесс шлифования всегда сопровождается интенсивным теплообразованием, оказывающим существенное влияние на качество поверхностных слоев заготовок. При шлифовании тонкостенных заготовок (ТЗ) роль тепловых процессов еще более усиливается. При этом теплофизическая тонкостенность детали (заготовки) зависит не только от ее геометрических размеров и прежде всего от ее толщины, но и от условий протекания тепловых процессов, интенсивности истоков и стоков тепла. С этой точки зрения достаточно жесткая деталь может оказаться тонкостенной в термическом отношении, и наоборот, нежесткую деталь следует считать "массивной". Эта недетершшированность тонкостенной детали иногда приводит к неординарным тепловым явлениям, усиливающим теплосиловую напряженность процесса шлифования.

ТЗ обрабатывают, как правило, с применением технологического армирования, роль которого чаще всего выполняет приспособление в виде оправки или упора. В связи с этим система, в которой происходит тепловой процесс при шлифовании, представляет собой композицию из различных материалов. Тепловой поток, проходя через заготовку, зону контакта заготовки и упора, а также через упор, формирует в них температурные поля, которые зачастую приводят к образованию в обработанных деталях дефектов типа прижогов или трещин и короблению, ухудшая их эксплуатационные характеристики. Изменение контактной термической проводимости (КТП) стыка оказывает существенное влияние на распределение тепла между заготовкой и упором: в случае снижения теплофизических свойств стыка заготовка-упор на пути теплового потока возникает барьер, вызывающий концентрацию тепла в заготовке и приводящий к возникновению брака.

Рациональное применение смазочно-охлаждающих технологических средств позволяет несколько снизить теплонапряженность процесса шлифования ТЗ. Однако кардинального решения проблемы можно добиться лишь путем интенсификации теплоотвода от шлифуемой заготовки в упор .

В настоящее время не существует какого-либо теилофизического критерия, определяющего грань между "массивной" и "тонкой" заготовками и учи-

тывающего условия шлифования. Не изучены вопросы, связанные с влиянием КТО стыка заготовка-упор и теплофизических свойств самого упора на теплонапряженность шлифования и качество деталей. Для технологическо-гоуиравления качеством поверхности и обеспечения требуемых эксплуатационных свойств деталей необходимо установить зависимости, отображающие влияние доминирующих факторов, действующих в процессе шлифования ТЗ. на качественные характеристики обработанных деталей.

В связи с вышеизложенным в диссертационной работе выполнен комплекс теоретико-экспериментальных исследований влияния теплонапряжен-ности процесса шлифования тонкостенных заготовок на качество деталей с учетом КТП стыка между заготовкой и упором.

Автор защищает: 1. Результаты теоретико-экспериментальных исследований - математическую модель теплового процесса шлифования ТЗ с учетом КТП стыка заготовка-упор.

2. Результаты математического моделирования на ЭВМ процесса шлифования ТЗ - закономерности формирования температурных полей в ТЗ при изменении режимов обработки и условий охлаждения заготовки "в упор".

3. Результаты исследования влияния толщины заготовки на теплонапряженность шлифования и качество детали.

4. Новую технику охлаждения ТЗ при шлифовании через их технологические базы ("в упор").

5. Результаты исследований технологической эффективности предлагаемых рекомендаций.

Цель работы: Разработка технологии бездефектного шлифования заготовок тонкостенных деталей на основе снижения тетонапряжениости процесса обработки.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решены следующие задачи: •

1. Разработана математическая модель температурных полей в заготовке с учетом КТП в сопряжении заготовки и упора.

2. Исследовано влияние теплообмена на базовой поверхности заготовки на температурное поле в ней.

3. Исследованы возможности интенсификации теплоотвода от заготовки при шлифовании.

4. Разработаны и экспериментально обоснованы технологические регламенты по шлифованию ТЗ, обеспечивающие возможность повышения производительности обработки.

5. Апробированы основные результаты научных исследований путем опытно-промышленных испытаний и внедрения результатов работы в производство.

Научная новизна. Выявлено аналитически и экспериментально доказано, что на теплоиапряженпость шлифования ТЗ доминирующее слияние оказывают толщина заготовки и КТП её стыка с упором.

Получена теоретически и экспериментально подтверждена математическая модель теплового процесса при шлифовании ТЗ на упоре с учётом КТП их стыка.

Разработана математическая модель зоны КТП в сопряжении ТЗ-упор, учитывающая неоднородность физических свойств контактирующих тел.

Разработан алгоритм расчета полей температур и их градиентов при шлифовании ТЗ, который реализован на ЭВМ.

Исследовано влияние технологических факторов на геплонапряжеи-ность шлифования ТЗ.

Предложен критерий Нт для оценки влияния толщины ТЗ на теплона-пряженность обработки и качество изделий.

Разработаны рекомендации по выбору новой техники, обеспечивающей достаточно эффективное охлаждение базовой поверхности ТЗ.

Практическая ценность и реализация работы. Доказана возможность повышения производительности бездефектной обработки ТЗ путем снижения теплонапряженности процесса шлифования..

Показала высокая технологическая эффективность новых способов и устройств для шлифования ТЗ на упоре.

Разработаны и внедрены на ПО "Утес" (г. Ульяновск) и АО "КИЗ" (г. Киржач Владимирской области) технологические рекомендации по шлифованию ТЗ, от внедрения которых на АО "КИЗ" расчётный годовой экономический эффект составил (в ценах 1995 г.) 34,715 млн. руб. на один станок.

Апробация работы. Основные результаты доложены и представлены на всесоюзной научно-технической конференций (НТК) "Микроэлектроника в машиностроении", Ульяновск, 1992 г.; НТК "Прогрессивная технология в машиностроении", Тольятти, 1992 г.; международной НТК "Смазочно-охлаждающие технологические средства при механической обработке заготовок из различных материалов", Ульяновск, 1993 г.; международной НТК "Технология механообработки: Физика процессов и оптимальное управление", Уфа, 1994 г.; НТК УлГТУ и УлПИ в 1990-96 г.г.; научно-технических семинарах кафедр "Технология машиностроения" и "Металлорежущие станки и инструменты" УлГТУ в 1992-96 г.г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 работ, в том числе 3 авторских свидетельства и 3 положительных решения по заявкам на изобретения.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы (179 наименований) и приложений, включает 90 страниц машинописного текста, 21 таблицу и 43 рисунка.

МА ТЕМА ТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ТЕПЛОВОГО ПРОЦЕССА ПРИ ШЛИФОВАНИИ ТОНКОСТЕННЫХ ЗАГОТОВОК

На изменение контактных температур из-за ограниченности размеро заготовки влияет не только ее толщина, но и теплофизические параметры ш териалов шлифуемой заготовки и упора, условия их сопряжения, режим! шлифования, условия охлаждения и другие факторы.

Анализ циклов шлифования показывает, что чаще всего ширина загс товки больше высоты рабочей части круга и, следовательно, в цикле присуз ствует продольная подача на каждый рабочий ход. Коэффициент перекрыти обеспечивает от пяти до одно- или двукратного прохода шлифовальноп круга по каждому элементарному участку (точке) обрабатываемой поверх ности заготовки за 1 рабочий ход продольной подачи. Таким образом, н; поверхности заготовки тепловые потоки в направлении продольной подач] распределяются неравномерно. Это обстоятельство значительно усложняв' математическую модель, делая ее трехмерной.

Однако основная часть припуска в каждой конкретной точке снимаете: при первом рабочем ходе (проходе) шлифовального круга, а оставшиес; проходы выполняют роль калибрующих. Можно допустить, что тепловьк процессы в каждой плоскости, параллельной вектору скорости заготовки I перпендикулярной направлению продольной подачи, идентичны. Разниц; заключается лишь в отрезках времени, в которые упомянутый процесс проте кает. Исходя из этого, наиболее рациональной для решения тепловых зада1 при плоском шлифовании является плоская схема (рис. 1). При этом систем: координат жестко связана с заготовкой 1 и упором 2.

ф) Зону шлифования можнс

представить в виде полосы шириноГ 2Ь и длиной, равной высоте круга Х -Ширину полосы контакта 2Ь принимают равной длине дуги контакте шлифовального круга с заготовкой Начальное условие

Рис. 1. Схема к тепловой модели процесса шлифования: 1 - заготовка; 2 - упор; X: -координата середины теплового источника Я (х); хо, уо, у! - размеры заготовки и упора

Т(х, у, о) = То,

о:

что означает равенство температур

любой точки заготовки и упора температуре окружающей среды.

Условия взаимодействия поверхностей обрабатываемой заготовки и упора с инструментом и окружающей средой описываются следующими граничными условиями (см. рис. 1): в пределах зоны контакта инструмент-заготовка

, Щ>и (XI - Ь) < х < (х, + Ь), у = - уо; (2)

ду 1\

вне пределов зоны контакта инструмент заготовка дЪ

-А.1-—- + а1-Т1=0, при 0<х<(х1 - Ь); (х! + Ь)<х<х0; у = - уо, (3)

су

где Х.1- коэффициеп! теплопроводности материала заготовки, Вт/(мтрад); а] - коэффициент теплоотдачи с поверхности АВ (см. рис. 1) в окружающую среду, Вт/(м2 • град); Т1 - температура заготовки, град;

Я(х) = до-е-к-х\ (4)

где яо - интенсивность теплового источника в начале зоны резания, Вт/м2; к-коэффшдаент, характеризующий снижение интенсивности источника к концу зоны резания, 1/м2.

Теплообмен на границах с окружающей средой ВС и АБ, СД и ЕБ (см. рис. 1) зададим в форме закона Ньютона-Рихмана:

ЗТ12

—^- = 0 2,3,4,5'(Ти-То), ' (5)

ОХ

где ЭТ1 д/ох - градиент температур у поверхностей ВС и АР, СД и ЕР в направлении нормали к ним, град/м; Т1, Тг- . соответственно температура поверхностей ВС, АБ и СД, ЕБ заготовки 1 и упора 2, град; а 2,3,4,5 - соответственно коэффициенты теплообмена поверхностей ВС, АР и СД, ЕР с окружающей средой, Вт/(м2- град); \г- коэффициент теплопроводности упора 2, Вт/(м • град).

Теплообмен на границе ЕД (см. рис. 1) зададим аналогично (5):

~А2--^- = аб-(Т2-То), (6)

ду

где а 6 - коэффициент теплообмена на поверхности ЕД, Вт/(м2 • град).

Сопряжение заготовки 1 и упора 2 по поверхности РС (см. рис. 1) в нашем случае является неидеальным. Это означает, что температуры сопряженных поверхностей неодинаковы: _

-^•^=а7-(Т1(х,(ГД)-Т2(х,0+Д)), (7)

ду

где а 7- КТП стыка, Вт/(м2 • град); Т1 (х, о-, I) - температура поверхности РС заготовки 1 в точках (х, 0) в момент времени I ; Т2(х,о+д) - температура поверхности Г;С упора 2 в точках (х, о) в момент времени ^

Уравнение (7) содержит два неизвестных (Т1 и Тг), поэтому для его решения необходимо еще одно уравнение, которое постулирует равенстве удельных тепловых потоков, проходящих через обе контактирующие поверхности:

сПт дТг

Я.1 ■—Г = Я2-—(8) ду ду

"Внутри" заготовки 1 "действует" уравнение теплопроводности Фурье:

5Ti

—— = 31 от

д1 Ti : дгЪ v ах2 эу2

,при 0<х<хо; -уо<у<0, (9)

где ai - коэффициент температуропроводности материала заготовки, м2/с.

"Внутри" упора 2 (аналогично (9)):

сТ 2 (д2 Т2 52Т2^1 . ,

= а2- —;- +--Г ,приО<х<хо, 0<у <уь

-ОТ V дх ду2 J

где а?- коэффициент температуропроводности материала упора, м2/с.

Для отыскания решения математической модели (1) - (10) использовали метод конечных разностей, как наиболее эффективный и точный для данной, сравнительно простой, конфигурации нагреваемых заготовки и упора. Применили явную разностную схему второго порядка точности по координатам и первого порядка точности по времени. Программа составлена на языке "RMFORTE - 87" и реализована на компьютере IBM PC/XT - 486.

Разработаная математическая модель (1) - (10) распределения температур и градиентов температур в заготовке учитывает КТП стыка между шлифуемой заготовкой и упором, охлаждение в окружающую среду, реальные размеры заготовки и упора, режим обработки заготовок шлифованием. Это позволяет проектировать технологические операции шлифования ТЗ на упоре, обеспечивающие бездефектную обработку заготовок.

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ЗОНЫ КОНТАКТНОЙ ТЕРМИЧЕСКОЙ ПРОВОДИМОСТИ СТЫКА ЗАГОТОВКА - УПОР

В ходе создания математической модели теплового процесса при шлифовании ТЗ на упоре выявилась необходимость разработки модели процесса теплопередачи в зоне КТП между ТЗ и упором. Использование этой модели позволило бы снизить теплонапряженность процесса шлифования ТЗ путем

направленного формирования зоны КТП, интенсификации теплоотвода от ТЗ в упор. Вместе с тем, появилась бы возможность повысить производительность обработки заготовок шлифованием.

При плоском шлифовании скорость заготовки, как правило, составляет более 0,1 м/с п по критерию Пекле такой тепловой источник является бы-стродвижущимся. При этом считается, что теплота, выделяемая источником в элементарный промежуток времени, распространяется перпендикулярно направлению движения источника. Последнее обстоятельство позволяет использовать схему, принятую в исследованиях Л.С.Флетчера, Ю.П.Шлыкова и др.: при более или менее равномерном распределении пятен контакта соприкасающиеся тела можно рассматривать как плотную упаковку одинаковых тепловых каналов, каждый из которых имеет одно пятно касания. Так как течение тепла во всех каналах происходит идентично, то теплообмен на боковых поверхностях отсутствует, а тепловые процессы, происходящие в отдельном канале, в достаточной степени отражают особенности контактного теплообмена для всей поверхности.

И.В.Крагельский, Н.Б.Демкин, Ю.П.Шлыков и другие исследователи одной из основных предпосылок для расчета площади фактического контакта принимали условие равенства или близости величин твердости обеих контактирующих поверхностей. Это приводило к значительному усложнению модели и снижению ее точности. В нашем случае это условие не является необходимым. Напротив, для повышения КТП следует в качестве упора применять материал со значительно более низкой твердостью и микротвер-достыо. В этом случае вершины микронеровностей более твердой поверхности заготовки будут внедряться в сопрягаемую поверхность упора не деформируясь. При этом процесс внедрения более твердой вершины микронеровности в менее твердую подобен процессу определения микротвердости металла алмазным индентором.

Если НЙ1 » Л а2 , где Нц], HU2 - соответственно микротвердость поверхности заготовки и упора, МПа, то, исходя из определения микротвердости, можно записать

Fi = Pj/H, , (11)

где Fi - площадь боковой поверхности индентора (площадь контакта), м2; Pi -сила, действующая на индентор в направлении нормали к поверхности, Н.

Число пятен контакта на единицу площади с учётом шероховатости и волнистости поверхностей можно найти:

где Бш -шаг микронеровностсй поперёк следов обработки, м; - шаг волнистости поверхности вдоль следов обработки, м.

Учитывая (11), для среднего радиуса пятна контакта получим:

r = J—7Г-' (13)

ул-Нц-п

п

где Ру = - удельная сила сжатия поверхностей, Н/м2. i=l

За исходную зависимость для расчета контактной термической проводимости стыка примем формулу Ю.П.Шлыкова

(14)

Vt-yk п-г

где л. м - приведённая теплопроводность материалов контактирующих тел,

п

Вт/(м • град); S<j, = X Fi - фактическая удельная площадь контакта тел, м2/м2; ¡=1

v/t, v|/k - коэффициенты стягивания линий тока тепла и угла наклона боковой поверхности вершин микронеровностей. Подставив (12) и (13) в (14) получим:

I-£у-. (15)

"■4/1-Ч/к \п-Н„-8Я,-8у,

С учётом термической проводимости газожидкостного зазора зависимость проводимости стыка заготовки и упора примет вид:

а7 =

2-U Ру , \

Vt -Vk Н„ • Sm•Sw 5

+ Об)

где Хс - теплопроводность среды, заполняющей стык, Вт/(м- град); 5Э - эквивалентная толщина зазора, м.

Полученная математическая модель (16) КТП сопряжения заготовки с упором позволяет рассчитывать КТП с учетом не только высотных параметров шероховатости, но и с учетом волнистости. Кроме того, модель (16) позволяет рассчитывать КТП в контакте тел, твердости материалов которых существенно различаются.

МОДЕЛИРОВАНИЕ НА ЭВМ ТЕПЛОВОГО ПРОЦЕССА ПРИ ШЛИФОВАНИИ ТОНКОСТЕННЫХ ЗАГОТОВОК

Для исследования использовали стали и чугуны из различных групп обрабатываемости шлифованием, имеющие различные теплофизические параметры.

В результате экспериментов установлено, что зависимость критической толщины ТЗ кк от скорости заготовки У3 во всем диапазоне ее варьирования носит монотонно убывающий характер (рис. 2). Эта закономерность отме-

_____&

0,15 0,2 0,25 0,3 ^ Сырость заготовки V, ,м/с ^

2. Влияние теплофизических свойств материалов шлифуемых заготовок и скорости подачи V3 на критическую толщину ТЗ: 1 - сталь 12Х18Н9Т, IiRC3 28 ... 33; 2 - сталь Р18, HRC3 65 ... 70; 3 - сталь 40Х, HRC, 41 ... 44; 4 - сталь 45, HRC, 38 ... 43; 5 - чугун СЧЗО, НВ 225-265.

Рис.

чена при моделировании теплового процесса при шлифовании заготовок из материалов различных групп обрабатываемости.

Как показали исследования, изменения теплофизических параметров материала заготовок не приводят к качественным изменениям зависимости температуры от этих параметров, происходят лишь количественные изменения. Поэтому для дальнейших исследований в качестве материала ТЗ выбрали сталь Р18, имеющую средние параметры среди других легированных сталей, используемых для изготовления тонкостенных заготовок.

При толщине заготовки h, меньшей критической, ширина теплового источника 2Ь превышает h в 5 - 10 раз. Этот фактор оказывает существенное влияние на температурное поле в ТЗ. Однако при толщине ТЗ, близкой к критической, это влияние существенно лишь на базовой поверхности ТЗ. Так, например, при шлифовании заготовок из быстрорежущей стали Р18 при V, = 0,25 м/с критическая толщина = 0,3 мм. При h - 0,25 мм максимальная контактная температура практически не изменялась (прирост (4 - 6)%). Между тем, на базовой поверхности (на расстоянии 0,25 мм от обрабатываемой поверхности) температура возрастает в 1,5 - 2 раза по сравнению с температурой на той же глубине у более "толстых" заготовок. При этом температуры внутренних объемов заготовки приближаются к критическим, при достижении которых происходят структурные изменения в материале заготовки, порой нежелательные.

Таким образом, при плоском шлифовании заготовок из стали Р18 со скоростью стола 14 м/мин наиболее существенные изменения в температурном поле ТЗ происходят при ее толщине менее 0,3 мм. Именно эта толщина и будет критической в данных условиях.

Следующим этапом моделирования было исследование влияния толщины ТЗ на температурное поле в заготовке и упоре.

При минимальной врезной подаче температура опорной поверхности с уменьшением толщины ТЗ от 0,4 до 0,1 мм возрастает с 83 до 872 °С, т.е. более чем на порядок .

Красностойкость материала обрабатываемой заготовки - быстрорежущей стали Р18 - 620 °С. Исходя из этого заготовки толщиной 0,1 мм шлифовать при а7- 16 кВт/(м2- град) недопустимо даже на самой малой подаче S, =

Рис. 3. Температурное поле в продольном сечения заготовки h-0,2 мм из стали PI 8,

ННСэ 65...70 при КТГ1а7 = 1 кВт/(м2 • град)(а) и а7= 2 МВт/(м2- град) (б) при плоском шлифовании: S, = 0,006 мм/ход; AjCF - заготовка, CDEF - упор, CF - стык заготовок - упор; ij - тепловой источник (зона шлифования), iA - участок охлаждения после обработки

0,006 мм/ход. Заготовки толщиной 0,2 мм можно шлифовать при St = 0,006 мм/ход. Заготовки толщиной (0,25 - 0,3) мм можно шлифовать еще с большей подачей - S, = 0,008 мм/ход, а заготовки толщиной 0,4 мм - с подачей S, = 0,011 мм/ход.

На рис. 3 представлены графики распределения температурного поля в заготовке AjCF и упоре CDEF. На участке обрабатываемой поверхности Aj заготовки действует тепловой источник (шлифовальный круг). График наглядно показывает влияние КТП u? = 1 кВт/(м2 • град) (см. рис. 3,а) на распределение тепла: оно все сконцентрировано в заготовке, а в упор тепловой поток ничтожен. Увеличение КТП на порядок существеных изменений не вносит. С увеличением КТП до <Х7 = 200 кВт/(м2 ■ град) температура в стыке снижается на 110 °С, т.е. на 30%. С увеличением КТП до а~ = 2 МВт/(м2- град) (см. рис. 3, б) градиент температур в стыке ТЗ-упор приближается к нулю. Таким образом, КТП щ = 2 МВт/(м2- град) и более соответствует идеальному сопряжению ТЗ-упор.

Как видно из графиков, представленных на рис. 4, критическая толщина заготовки практически не зависит от термической проводимости стыка. Установлено, что изменение температуры начинается уже при толщине заготовки 0,4 мм. Однако это изменение незначительно. Существенный рост температуры начинается npxt толщине заготовки 0,3 мм и менее. С увеличением КТП эта грань становится менее выраженной , но все же имеет место.

Таким образом, моделированием на ЭВМ в диссертационной работе исследовано влияние теплообмена на поверхности, противоположной обра-

батываемой, на температурное поле в заготовке и упоре. Моделирование показало монотонно убывающий характер зависимости критической толщины hk заготовок из различных материалов от скорости ТЗ при шлифовании. Кроме того, отмечена инвариантность hk от величины врезной подачи в исследованном диапазоне (0,0060,015) мм/ход. С увеличением КТП стыка заготовка-упор до 2 МВт/(м2 • град) влияние толщины заготовки на температурное поле в ней нивелируется.

ВЛИЯНИЕ ТЕПЛОНАИРЯЖЕННОСТИ ПРОЦЕССА ШЛИФОВАНИЯ ТОНКОСТЕННЫХ ЗАГОТОВОК НА ИХ КА ЧЕСТВО

Для проведения экспериментальных исследований теплонапряженности процесса шлифования использовали ТЗ (образцы) из стали 40Х, IIRCj 41 ... 44. В силу достаточно хороших магнитных свойств этой стали отпадает необходимость в "посредниках" между ТЗ и магнитной плитой готоскошлифо-вального станка (при шлифовании ТЗ из стали Р18 такие посредники были бы необходимы).

Варьирование КТП стыка ТЗ-упор в диапазоне от 103 до 2-106 Вт/(м2' град) показало, что шероховатость обработанной поверхности от КТГ1 практически не зависит : изменения Ra находились в пределах 10% и носили случайных характер. В то же время, КТП совместно с толщиной ТЗ оказывает определяющее влияние на микротвердость поверхности и поверхностного слоя обработанных заготовок.

Установлено (рис. 5,6), что критическая толщина заготовки, спрогнозированная при моделировании на ЭВМ теплового процесса, сопровождающего шлифование ТЗ, является переломной в зависимости микротвердости поверхности от КТП стыка и толщины ТЗ. При этом, при низких КТП (устройства 1 и 2 по рис. 5) уменьшение толщины заготовки в 3 раза по сравнению с критической (например, с 0,3 до 0,1 мм) привело к снижению микротвердости Нц на 33% (с 1260 до 840 МПа) (до обработки Но составляла 1000 МПа). Столь резкое снижение микротвердости, на наш взгляд, объясняется доминирующим влиянием температурного фактора: ТЗ прогревалась

ТЗ-упор )1ж, им

Рис. 4. Зависимость температуры в нормальном к обрабатываемой поверхности заготовки сечении от ее толщины /г и КТП стыка заготовка - упор: = 0,006 мм/ход; 1, 2, 3, 4, 5, - соответственно сс7 = 1; 10; 16; 200; 2000 кВт/(м2 • град)

0,8 0,6 0,4 0,2 1 Толщина ТЗ Ь, ми Рис.5 Зависимость микротвердости поверхности заготовок из стали 40Х, Н11Сэ 41 ... 44 от толщины ТЗ при шлифовании с помощью различных устройств: 5, = 0,11 мм/ход, У3 - 14 м/мин. 1 - упор из стали 40Х, НВ280 ... 320, Яа = 0,2 мкм, наполнитель стыка - пластмасса Про-такрил - М; 2- упор из меди ММ1, Яа = 0,2 мкм, наполнитель тот же; 3 - тот же упор с прокачкой СОЖ через стык ТЗ-упор; 4 - упор из стали 40Х, НВ280 ... 320, наполнитель - припой ПОС -40; 5 - упор из меди ММ1, наполнитель стыка тот же

га 40 6а во юо

Глубияа эалегщгая

120 150

Рис. б. Микротвердость поверхности и поверхностного слоя ТЗ из стали 40Х, НКО, 41 ... 44, шлифованных с помощью различных устройств: /¡=0,2 мм; Я, - 0,011 мм/ход; У3 = 14 м/мин; 1-5 см. в надписи к рис. 5; 6 - массивная заготовка (/г —10 мм)

на полную глубину и затем сравнительно медленно остывала, что привело к отпуску материала поверхности заготовки.

Увеличение КТП за счёт прокачки водной СОЖ через стык ТЗ-упор из меди ММ 1 (см. рис. 5, устройство 3) благоприятно сказалось на состоянии поверхностного слоя ТЗ, микротвердость поверхности повысилась до 1040 МПа. При этом наклеп составил 104%. Однако, по сравнению с микротвердостью поверхности обработанной массивной заготовки разупрочнение поверхности ТЗ (Ь = 0,1 мм) составило 20 %.

Увеличение КТП до 2 МВт/(м2- град) (устройство 5 по рис. 5), а также применение упора из высокотеплопроводного материала (медь ММ)) привело к росту микротвердо-стк до 1320 МПа при й = 0,1 мм. При этом наклеп составил 147 %, что на 7 % больше, чем при аналогичных режимах шлифования массивной заготовки. Применение стального упора (устройство 4, рис. 5) привело к снижению микротвердости поверхности заготовки толщиной 0,1 мм на 14% (до Нц - ИЗО МПа), по сравнению с массивной заготовкой.

Таким образом, применение медного упора с покрытием из мягкого металла позволяет существенно поднять произво-

дительность обработки 'ГЗ и полностью снять ограничения, связанные с малой толщиной заготовки, обеспечив тем самым возможность достижения производительности шлифования массивных заготовок в аналогичных условиях.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе выполнен комплекс тсоретико-экспериментальных исследований влияния КТП стыка упора (приспособления) и ТЗ на теплонапряженность процесса ее шлифования. Поставленная в работе цель достигнута. В результате исследований получены новые научные выводы и практические результаты.

1. Разработана математическая модель теплового процесса при шлифовании ТЗ (зависимости (1)-(10)). Модель учитывает размеры и теплофизиче-ские свойства материалов заготовки и упора, коэффициенты теплоотдачи со свободных поверхностей ТЗ и упора, условия их сопряжения, а также вид, схему и режим шлифования.

2.Разработана математическая модель зоны КТП в сопряжении ТЗ-упор, учитывающая неоднородность физических свойств контактирущих тел (зависимость (16)).

Установлено, что для обеспечения высокой КТП микротвердость поверхностного слоя упора необходимо поддерживать на возможно низком уровне.

3. Найдено решение математических моделей методом численного моделирования на ЭВМ.

Адекватность моделей по пп. 1 и 2 доказана экспериментально с привлечением аппарата регрессионного анализа. Результатом счета по разработанной программе являются поля температур и градиентов температур в ТЗ и упоре.

4. Выявлен монотонно убывающий характер зависимости критической толщины кк заготовок из различных материалов от скорости ТЗ (продольной подачи) при плоском шлифовании. Отмечена инвариантность Ик от величины врезной подачи в исследованном диапазоне (0,006-0,015) мм/ход.

С увеличением КТП стыка заготовка-упор до 2 МВт/(м2 ■ град) влияние толщины заготовки на температурное поле в ней постепенно уменьшается и сводится к нулю.

Доказано, что критическая толщина ТЗ оказывает существенное влияние на состояние поверхносного слоя ТЗ при недостаточной (меньше 2 МВт/(м2 ■ град)) КТП сопряжения ТЗ - упор.

Установлено, что повышение КТП стыка заготовка-упор является эффективным путем снижения теплонапряженности шлифования ТЗ.

5. Предложен критерий Нт для оценки влияния толщины ТЗ на тепло-напряженность обработки и качество изделий.

Установлено, что заготовки, толщина которых больше критической {Нт > 1), можно "шлифовать без учета интенсивности теплообмена на их базовых поверхностях.

6. Разработаны рекомендации по выбору новой техники, обеспечивающей достаточно эффективное охлаждение базовой поверхности тонкостенной заготовки.

При плоском шлифовании заготовок толщиной на (20-30)% меньшей критической (Нт = 0,7-0,8) достаточно интенсивности охлаждения, обеспечиваемой устройством, в котором СОЖ прокачивают через стык ТЗ-упор (авторское свидетельство 1796426).

При плоском шлифовании более тонких заготовок (Нт = 0,6-0,7) эффективны устройства с прижимом тонкой стенки заготовки к упору - за счет разрежения во внутренней полости упора, создаваемого при прокачивании СОЖ через стык ТЗ-упор (положительное решение Роспатента по заявке № 5058081/08 от 27.07.94), и путем воздействия на ТЗ одной или нескольких струй СОЖ (положительной решение Роспатента но заявке № 93031405/08 от 28.05.94).

Для шлифования ТЗ в наиболее неблагоприятных условиях (при Нт < 0,5) предназначено устройство, в котором используется наполнитель стыка ТЗ-упор из мягкого теплопроводного материала (положительное решение Роспатента по заявке № 94014994/08 от 4.12.95).

Разработанные устройства позволяют снизить теплонапряженность процесса плоского шлифования ТЗ на упоре до уровня теплонапряженности шлифования "массивных" заготовок (при прочих равных условиях). При этом качество обработанной поверхности и поверхностного слоя материала детали обеспечивается на том же уровне, что и при шлифовании "массивных" заготовок.

Показано, что эффективность охлаждения заготовок при Нт< 0,3 существенно возрастает благодаря эффекту "теплового насоса" в случае применения упора, выполненного из материала, обладающего более высокими теплофизическими свойствами, чем свойства материала ТЗ. При этом появляется возможность повышения производительности обработки без ущерба для качества обработанных деталей.

7. Разработаны устройства (а.с. 1704929 и а.с. 1710191), позволяющие снизить теплонапряженность при подрезании торцев тонкостенных заготовок.

8. Разработана оригинальная установка, позволяющая регистрировать контактные температуры в зоне шлифования тонкостенных заготовок.

9. Разработаны технологические рекомендации по плоскому шлифованию ТЗ, которые позволяют исключить негативное влияние толщины ТЗ на теплонапряженность обработки и качество деталей. Указанные рекомендации внедрены на АО "КИЗ" (г. Киржач) и ПО "Утес", (г. Ульяновск). Ожидаемый экономический эффект при шлифовании дисковых отрезных фрез в производстве "КИЗ" составляет 34,715 млн. руб. на 1 станок (в ценах апреля 1995 г.).

По теме диссертации опубликованы следующие работы;

1. А. с. 1704929, СССР, МКИ В23В 1/00. Устройство для токарной обработки торцовых поверхностей нежестких пустотелых деталей / Л.В.Худобин, Ю.М.Правиков, М.А.Белов, А.Ш.Хусаинов. 4780683/08; заявл. 09.01.90; опубл. 15.01.92. - Бюл. № 2. - 2 с.

2. А. с. 1710191, СССР, МКИ В23В 1/00. Устройство для токарной обработки торцовых нежестких поверхностей пустотелых деталей / Л.В.Худобин, Ю.М.Правиков, М.А.Белов, А.Ш.Хусаинов. 4769511/08; заявл. 18.12.89; опубл. 07.02.92. - Бюл. №5.-4 с,

3. А. с. 1796426, СССР, МКИ В23В 31/40. Оправка для крепления тонкостенных заготовок при шлифовании / Л.В.Худобин, Ю.М.Правиков, А.Ш.Хусаинов. 4922427/08; заявл. 28.03.91; опубл. 23.02.93. - Бюл. №7.-3 с.

4. Способ закрепления тонкостенной заготовки при механической обработке. Положительное решение Роспатента по заявке № 93031405/08 от 28.05.94 г.

5. Устройство для закрепления заготовок типа стакан. Положительное решение Роспатента по заявке № 5058081/08 от 27.07.94 г.

6. Способ установки тонкостенной заготовки при шлифовании и устройство для его осуществления. Положительное решение Роспатента по заявке № 94014994/08 от 04.12.95 г.

7. Хусаинов А.Ш. Определение критической толщины тонкостенной заготовки путем численного моделирования на ЭВМ процесса шлифования. В кн.: Смазочно-охлаждающие технологические средства в процессах обработки заготовок резанием. Сб. научных трудов. Ульяновск: УлГТУ, 1996. С. 114119.

8. Правнков Ю.М., Хусаинов А.Ш. Повышение качества тонкостенных деталей при шлифовании путем совершенствования конструкции устройств для установки заготовок. В кн.: Смазочно-охдаждающие технологические средства в процессах обработки заготовок резанием. Сб. научных трудов. Ульяновск: УлГТУ, 1996. С. 119-125.

9. Хусаинов А.Ш., Правнков Ю.М. Методы и средства охлаждения тонкостенных поверхностей при шлифовании. Тезисы докладов 26-ой НТК УлПИ. Ульяновск: УлПИ, 1992. С. 21-23.

10. Правиков Ю.М., Хусаинов А.Ш. Технологическое обеспечение эксплуатационных характеристик чувствительных элементов датчиков. Тезисы докладов НТК "Микроэлектроника в машиностроении". Ульяновск: НПО УЦМ, 1992. С. 44.

11. Правиков Ю.М., Хусаинов А.Ш. Исследование влияния термического сопротивления в контакте "заготовка - упор" на теплонапряженность шлифования тонкостенных заготовок. Тезисы докладов НТК "Прогрессивная технология в машиностроении". Тольятти: ТПЙ, 1992. С. 7.

12. Правиков Ю.М., Хусаинов А.Ш. Математическое моделирование тепловых процессов при обработке резанием тонкостенных заготовок. Тезисы докладов международной НТК "Смазочно-охлаждающие технологические средства при механической обработке заготовок из различных материалов. Ульяновск: УлПИ, 1993. С.60 - 62.

13. Хусаинов А.Ш., Правиков Ю.М. Моделирование на ЭВМ теплового процесса плоского шлифования тонкостенных заготовок с учётом контактного термического сопротивления между заготовкой и приспособлением. Тезисы докладов международной НТК "Технология механообработки: физика процессов и оптимальное управление". Уфа: УГАТУ, 1994. С. 64 - 65.

14. Правиков Ю.М., Хусаинов А.Ш. Методы и средства снижения контактного термического сопротивления при шлифовании тонкостенных заготовок. Тезисы докладов 28-ой НТК УлПИ. Ульяновск: УлПИ, 1994. С. 30 -31.

15. Хусаинов А.Ш. Численное моделирование температурного аоля при шлифовании заготовок типа тонкостенных пластин. Тезисы докладов 29-ой НТК УлПИ. Ульяновск: УлПИ, 1995. С. 26 - 28.

16. Хусаинов А.Ш., Никонова O.A. Пути снижения теплонапряжен-ности процесса шлифования тонкостенных заготовок. Тезисы докладов 30-ой НТК УлГТУ. Ульяновск: УлГТУ, 1996. С. 26.

Худобин Л.В., Хусаинов А.Ш. Исследование тепловых процессов при шлифовании заготовок тонкостенных деталей. Тезисы докладов 9-ой НТК "Теплофизика технологических процессов". Рыбинск: РГАТА, 1996. С. 57-58.