автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Повышение качества и производительности абразивной обработки деталей из жаропрочных сплавов на никелевой основе за счет определения рациональных технологических параметров сверхскоростного шлифования

На правах рукописи

Аверков Константин Васильевич

ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА И ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ АБРАЗИВНОЙ ОБРАБОТКИ ДЕТ/ШЕЙ ИЗ ЖАРОПРОЧНЫХ СПЛАВОВ НА НИКЕЛЕВОЙ ОСНОВЕ ЗА СЧЕТ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАЦИОНАЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ СВЕРХСКОРОСТНОГО ШЛИФОВАНИЯ

Специальность 05.02.08 - Технология машиностроения

- 8 ДЕК 2011

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Омск-2011

005006600

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Омский государственный университет путей сообщения»

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор, Попов Андрей Юрьевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор, Кушнер Валерий Семенович

кандидат технических наук, Нуртдинов Юрий Рашитович

Ведущая организация;

ОАО «Омское моторостроительное конструкторское бюро»

Защита состоится 27 декабря 2011 г. в И .00 на заседании

диссертационного совета Д212.178.05 при ФГБОУ ВПО «Омский государственный технический университет» по адресу: 644050, г. Омск, пр. Мира, д. 11.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Омского государственного технического университета.

Автореферат разослан «2-У » Адя^г 2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета в.Б. Масягин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Детали, изготовленные из жаропрочных сплавов на никелевой основе, активно применяются во многих областях техники. Особенно широкое распространение они получили в авиационном двигателестроении, причем именно эти детали являются наиболее ответственными и определяют ресурс двигателя. 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.

Относительно недавно появившаяся технология сверхскоростного шлифования открыла возможности кардинального повышения качества поверхности. Специалисты, занимавшиеся данным вопросом: Л. Н. Филимонов, Л. В. Худобин, В. Н. Подураев, В. Ф. Казаков, К. Гюринг, А. Ю. Попов, Д. С. Реченко, - отмечают, что при сверхскоростном шлифовании изменяются физические процессы, происходящие в зоне резания. Причем, это касается как инструмента, так и обрабатываемого материала. Износ абразивных зерен приобретает характер самозатачивания, изменяются температурные условия в зоне резания, повышается производительность процесса. Таким образом, повышение скорости резания свыше 120 м/с, при обработке деталей из жаропрочных сплавов, является наиболее перспективным способом достижения высокого качества поверхности.

На сегодняшний день установлена следующая градация скоростей резания:

До 45 м/с - обычное шлифование. Данная граница сложилась исторически в силу того, что не существовало конструкций шлифовальных кругов, способных выдержать центробежные силы при более высоких скоростях резания. Процессы, происходящие при таких скоростях, подробно изучены и описаны многими авторами.

Свыше 45 до 120 м/с - высокоскоростное шлифование. Для достижения этих скоростей были разработаны конструкции кругов, способных выдерживать центробежные силы, однако не существовало серийно выпускаемых приводов, обеспечивающих требуемые частоты вращения шпинделя. Работ, посвященных изучению процессов, происходящих в зоне резания при таких скоростях, значительно меньше.

Свыше 120 м/с - сверхскоростное шлифование. Выделение данной границы связано с тем, что при такой скорости резания изменяется характер износа абразивных зерен. При более низких скоростях абразивные зерна изнашиваются с образованием площадок износа, при более высоких скоростях на зернах образуются микросколы и происходит образование острых лезвий.

Данная область скоростей на сегодняшний день является практически не изученной, и работ по этой теме чрезвычайно мало.

Цель работы:

повышение качества и производительности абразивной обработки деталей из жаропрочных сплавов на никелевой основе с помощью сверхскоростного шлифования.

Основными задачами исследования являются:

1. Проанализировать влияние на производительность и качество обработки основных технологических параметров, а именно: конструкции и характеристики абразивного инструмента, компоновки и конструкции станка.

2. Исследовать адгезионные и тепловые процессы при сверхскоростном шлифовании жаропрочных сплавов на никелевой основе.

3. Определить влияние скорости резания при сверхскоростном шлифовании на процессы пластической деформации и шероховатость поверхности в зоне резания.

Методы исследования.

Теоретические исследования сверхскоростного шлифования жаропрочных сплавов на никелевой основе производились на основе теории резания, теплофизики и планирования эксперимента. Обработка теоретических и экспериментальных результатов производилась в программных средах Microsoft Excel и FlexPDE. При конструировании использовалось 3D моделирование в системе автоматизированного проектирования КОМПАС. Исследования проводились с использованием современных стандартных и специальных измерительных приборов: вибродинамического прибора ДИАНА-2М; электронного микроскопа JCM-7500; микротвердомера ПМТ-3, профилометра NewView 6200, профилометра 170622.

Научная новизна:

1. Установлено, что основными параметрами, влияющими на качество поверхности при сверхскоростном шлифовании, являются скорость резания, характеристика круга и глубина резания.

2. Разработана математическая модель тепловых процессов при сверхскоростном шлифовании, позволяющая установить интервал скоростей бесприжоговой обработки.

3. Теоретически и экспериментально установлены значения технологических параметров, при которых минимизируется адгезия обрабатываемого и абразивного материала.

Практическое значение работы:

1. Разработана серия кругов для сверхскоростного шлифования, включающая круги типа ПП, ЧК и круги для фасонного шлифования. Круги обеспечивают возможность динамической защиты и балансировки.

2. Определен интервал скорости резания при сверхскоростном шлифовании деталей из жаропрочных сплавов на никелевой основе, оптимальный с точки зрения производительности и качества обработанной поверхности.

3. Разработана конструкция установки для сверхскоростного шлифования

на базе станка ВЭ-326Ф4.

Достоверность результатов.

Достоверность полученных результатов обосновывается:

1. корректностью выполненных теоретических построений;

2. сопоставлением и совпадением результатов моделирования и экспериментального исследования.

Апробация работы.

Основные положения работы доложены и обсуждены на П региональной молодежной научно-технической конференции «Омский регион -месторождение возможностей!» (0мск-2010), а также на заседаниях кафедр «Технология транспортного машиностроения и ремонта подвижного состава» (ОмГУПС) и «Металлорежущие станки и инструменты» (ОмГТУ). С работой ознакомлен исполнительный директор ОАО «Кузнецов» (г. Самара) Ю. С. Елисеев. Разработанные теоретические положения и новые технические решения опробованы экспериментально в лабораториях кафедры «Металлорежущие станки и инструменты» (ОмГТУ).

Положения, выносимые на защиту:

При сверхскоростном шлифовании жаропрочных сплавов на никелевой основе:

1. Наилучшими показателями по стойкости круга и качеству обработки поверхности обладают шлифовальные голов™ из циркониевого электрокорунда 92А на керамической связке и алмаза синтетического АС20 на металлической связке.

2. При скорости резания 250 - 300 м/с контактная температура меньше значения температуры образования прижогов на шлифованной поверхности.

3. При скорости резания 120 - 150 м/с высота микронеровностей на обработанной поверхности минимальна.

Реализация и внедрение результатов работы.

1. С учетом результатов представленной работы спроектирован, изготовлен и запатентован сборный шлифовальный круг для сверхскоростного шлифования, конструкция которого позволяет осуществлять автоматическую балансировку в процессе работы. Подписан протокол о намерениях с ОАО «Завод ВИЗАС» по созданию совместной лаборатории «Инструментальная техника и технология высокоскоростной обработки».

2. Кафедрой «Металлорежущие станки и инструмент» (ОмГТУ) принята к эксплуатации установка для сверхскоростного шлифования на базе модернизированного станка ВЗ-Э26Ф4 для 4-х координатной обработки со скоростью резания до 200 м/с.

. Структура и объем работы.

Работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка использованных литературных источников, содержащего 115 наименований, и приложения актов внедрения результатов работы, патентной документации. Диссертация содержит 73 рисунка и 7 таблиц. Общий объем работы - 140 страниц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, рассмотрена научная исследованность в данной отрасли, сформулированы цели и задачи работы, указаны методы исследования, изложены научная новизна и практическая ценность результатов работы.

В первой главе рассматриваются основные особенности процесса обработки деталей из жаропрочных сплавов на никелевой основе. Показано, что основными причинами низкой обрабатываемости шлифованием материалов данной группы являются высокие механические характеристики и значительные контактные температуры. Также показано, что основной причиной потери режущей способности шлифовального круга при обработке материалов данной группы является засаливание его рабочей поверхности. Показано, что одним из главных условий обеспечения надежности и долговечности деталей авиационных двигателей из жаропрочных сплавов является обеспечение качества поверхности. Наиболее важными показателями качества поверхности являются шероховатость и отсутствие термических повреждений. Проанализировано влияние на эксплуатационные показатели деталей из материалов данной группы шероховатости, остаточных напряжений в поверхностном слое и термических повреждений. Проанализированы основные методы обработки. Подробно рассмотрено влияние на процесс шлифования жаропрочных сплавов основных технологических факторов.

Сделан вывод, что наиболее перспективным методом обеспечения требуемого качества поверхности и производительности является сверхскоростное шлифование.

Приведены результаты работ авторов, посвященных высокоскоростному шлифованию. Анализ литературных данных показал, что работы, посвященные данной теме, носят поверхностный и фрагментарный характер.

Сформулированы основные требования, цели и задачи работы по исследованию и разработке технологии сверхскоростного шлифования деталей из жаропрочных сплавов на никелевой основе.

Вторая глава посвящена анализу температурных и адгезионных процессов в зоне контакта шлифовального круга и детали при сверхскоростном шлифовании жаропрочных сплавов. Рассмотрены основные факторы, влияющие на контактную температуру. Проведен анализ существующих математических моделей тепловых процессов при шлифовании. Анализ показал, что на сегодняшний день не разработано математических моделей учитывающих следующие особенности процесса сверхскоростного шлифования:

1. меньшее значение сил резания при сверхскоростном шлифовании;

2. пульсацию теплового потока при шлифовании кругом сборной конструкции.

Помимо этого, часто разработанные модели тепловых процессов не учитывают зависимость теплопроводности обрабатываемого материала от температуры.

Разработана новая модель тепловых процессов при сверхскоростном шлифовании. Данная модель базируется на уравнении теплопроводности:

дв дт

1

с-р

д(. двЛ 8

А ---Л--

дх) ду

дх

Я

\

дв V

+-и

дг

дв) дг

+

Чв

с-р

(1)

где в - температура, °С; т- время, с;

с — массовая теплоемкость, Дж/(кг-°С); р - плотность, кг/м2; X - коэффициент теплопроводности;

- плотность теплового потока от внутренних источников, Вт/м .

Так как распределение тепла в любом сечении детали, перпендикулярном скорости резания, одинаково, то рассматриваемую задачу можно считать двумерной. Кроме того, в рассматриваемой задаче отсутствуют внутренние тепловые источники. В связи с этим, уравнение существенно упрощается:

дв_ 8т

1

с-р

Л-

дв

+ -

8г

Л-

89 &

(2)

Зависимость X от температуры в для сплава ЖС6-К определяется следующим выражением:

Я = 8,41+0,0186-0. (3)

Для решения уравнения теплопроводности был использован метод конечных элементов. Решение осуществлялось в программе Р1ехРБЕ.

Учет прерывистости теплового потока в данной программе производился с помощью введенного автором коэффициента пульсации:

К=- тос1(г, Т)), (4)

где К— коэффициент пульсации; т - время, с;

Г -шаг по времени между контактами отдельных абразивных головок (рис. 1), с;

А - часть Т между началом и завершением контакта абразивной головки с обрабатываемой поверхностью, с;

тос1(т, Т) - функция, показывающая остаток от деления т на Т\ ш1ер(х) - функция, равная 0 если аргумент х отрицателен; и 1, если х положителен.

Таким образом, К=0, если абразивная головка не контактирует с деталью; и А'=1, если абразивная головка контактирует с деталью.

(5)

Рис. 1. Период между контактами абразивных головок Начальное условие:

где вокр - температура окружающей среды, вощг25 °С. Граничные условия (рис. 2.): Нижняя граница (граничное условие второго рода):

ду

Верхняя граница (смешанные граничные условия второго и третьего рода): При д=0:

дв

(6)

где аж - коэффициент теплоотвода СОЖ, Вт/(м2-°С); вж - температура СОЖ, °С. Что соответствует теплообмену с СОЖ. При <7^0:

, дв

ду

Левая и правая границы (граничное условие второго рода):

А.М-0.

ду

$прод

СОЖ

119

зг1

ММА:'-6 6 Ьсож

с1в

(7)

(8)

сЮ

Рис. 2. Граничные условия Исходные данные для расчета:

с=551 Дж/(кг-°С); р=8100 кг/м3; аж=46500 Вт/(м2-°С);

к @окр 25 С.

На рисунках 3 и 4 представлены полученные с помощью программы Р1ехРОЕ изображения температурных полей при обычном и сверхскоростном шлифовании.

О 20 40 60 80 100 мм —~ 20

Рис. 3. Температурное поле при шлифовании со скоростью резания 30 м/с

иС

■340

-300

-260 Ш220

100 мм

¡4:

■ 180

Рис. 4. Температурное поле при шлифовании со скоростью резания 260 м/с

Также полученная модель позволяет установить зависимость контактной температуры от скорости резания при сверхскоростном шлифовании (рис. 5).

900 800 О 700 600 Ь. 500 | 400 3 300 £ 200 100 0

........................................

.....................

100 200 300 400 V г м с

Рис. 5. Зависимость контактной температуры от скорости резания

Полученные выводы подтверждаются экспериментально. При шлифовании со скоростью Урез=40 м/с (рис. 6) на поверхности образцов ЖС6-К, обработанных абразивными головками марки 92А40НСМ16К, наблюдаются окислившиеся участки (выделенные участки - сегрегации титана). На поверхности, обработанной сверхскоростным шлифованием, подобных участков не наблюдается (рис. 7), несмотря на то, что элементное картирование выявляет наличие сегрегаций. _____

а) б)

Рис. 7. Шлифованная поверхность ЖС-6К (Урез=230 м/с) (х2000): а) окислившиеся участки; б) элементное картирование 10

а) б)

Рис. 6. Шлифованная поверхность ЖС-6К (¥рез=40 м/с) (х2000):

Известно, что титан и его соединения интенсивно окисляются при температуре свыше 500 °С. Эти данные являются подтверждением адекватности полученной математической модели. Данная модель может быть использована для определения контактной температуры при сверхскоростном шлифовании.

Основной Причиной потери режущей способности шлифовальных кругов при обработке заготовок из жаропрочных сталей и сплавов является засаливание их рабочих поверхностей. В основе процесса засаливания лежит процесс адгезионного взаимодействия обрабатываемого и абразивного материалов

Известно, что адгезионное схватывание - это процесс, зависящий от времени контакта. На основании этого была выдвинута гипотеза о том, что повышение скорости шлифования позволит минимизировать засаливание шлифовального круга за счет уменьшения времени взаимодействия tg абразивного зерна с деталью до значения меньшего, чем необходимое для схватывания tc-

tB<tc. (9)

При этом время взаимодействия определяется из выражения:

1К

*в 1000 -Vpe3' (10)

где!/(- длина дуги контакта шлифовального круга и детали, мм;

Vpe3 - скорость резания, м/с.

Длительность схватывания tc определяется длительностью активации tA атомов контактной поверхности, т. е. можно считать, что tc = tл• Известно, что электрокорунд (А12Оз) является полупроводником n-типа. Поэтому взаимодействие электрокорунда со сплавом ЖС6-К относится к типу «полупроводник-металл», и при этом время активации атомов на поверхности полупроводника можно оценить по формуле:

1 —

(11)

где v — частота собственных колебаний атомов, с"1;

W- энергия активации диффузии в полупроводнике, эВ;

к - постоянная Больцмана, Эв-К"1;

Г-температура поверхности полупроводника, К;

а - коэффициент, Н*1 м2;

т - касательные напряжения в контакте, Па.

W для электрокорунда составляет 3,73 эВ, v = 1,2-1013 с1, ¿=8,617-10" Эв-К",

V.

Кривые времени взаимодействия зерна с поверхностью детали и времени адгезионного схватывания пересекаются в точке, соответствующей Р^„=140 - 150 м/с (рис. 8). Таким образом, при более высоких скоростях резания времени на протекание адгезионных процессов недостаточно, и

а=10"бН1-2

засаливание шлифовального круга минимизируется.

0.0008 ..............

0.0007 0,0006 0,0005 ' 0,0004 0,0003 0,0002 0,0001

-время шаимод&иетв51я —время схватывания

I'ре?, м/с

Рис. 8. Оптимальная скорость резания при шлифовании сплава ЖС6-К Этот вывод был подтвержден экспериментально. Была предложена новая характеристика - коэффициент засаливания К„ который определяется по выражению:

К =

S

(12)

раб

где 8раб - площадь рабочей поверхности круга, мм2; & - площадь засаленных участков на рабочей поверхности круга, мм2. График зависимости коэффициента засаливания от скорости резания представлен на рисунке 9.

0.6 (...........-—

0,5 0,4 0.3 0.2 0.1 0

300

0 100 200 Vpei, м/с

Рис. 9. Зависимость коэффициента засаливания от скорости резания Таким образом, шлифование жаропрочного сплава ЖС6-К со скоростью резания свыше 150 м/с позволяет уменьшить засаливание контактной поверхности шлифовального круга, а также обеспечить снижение шероховатости и отсутствие прижогов на шлифованной поверхности.

В третьей главе проводится анализ влияния скорости резания на процессы пластического деформирования и формирования шероховатости. С помощью электронного микроскопа JCM-5700 (рис. 10) производилось сравнение качества поверхностей, шлифованных при ^=30 м/с и Vpe3-230 м/с.

а) б)

Рис. 10. Поверхность образцов сплава ЖС6-К шлифованная:

а) Урег30 м/с; б) ^ез=230 (х2000) При УреЗ=30 м/с на поверхности отчетливо заметны отдельные наплывы, что свидетельствует о высокой степени пластического деформирования. При Урез-230 м/с наплывов практически не наблюдается и отчетливо заметны отдельные шлифовочные риски, причем дно некоторых их них покрыто микросколами. Это говорит о том, что доля пластической деформации при высокоскоростном шлифовании ниже, и разрушение приобретает более «хрупкий» характер.

Оценка степени наклепа поверхности при обычном и сверхскоростном шлифовании производилась с помощью микротвердомера ПМТ-3. Полученные данные приведены на рисунке 11.

О 50 100 150 200 О SO 100 ISO 200

Расстояние, мкм Расстояние, шаг

а) б)

Рис. 11. Распределение микротвердости по глубине при сверхскоростном

шлифовании: а) Урез~30 м/с; б) ^^=230 м/с Приведенные данные показывают, что сверхскоростное шлифование существенно не влияет на глубину и степень наклепа обработанной поверхности и, следовательно, не снижает качество поверхности.

Была произведена серия экспериментов для получения зависимости, определяющей влияние скорости резания на шероховатость обработанной поверхности. Были использованы абразивы двух марок, показавших наилучшие результаты по стойкости и отсутствию термических повреждений на обработанной поверхности: 24А16СМ1К и 92А40НСМ16К. Результаты представлены на рисунке 12.

/ '

к /

■^о.аз

1,4 1,2 1

I 0,8

г 0,6 0,4 0,2 0

: 1,315 /4®

/ /

3

ЩТ- 7

100 150 Урез, м!свк б)

200

250

а)

Рис. 12. Изменение высоты микронеровностей с повышением скорости: а) 92А40НСМ16К; б) 24А16СМ1К Получены следующие уравнения регрессии: для абразива 92А40НСМ16К:

для абразива 24А16СМ1К: Д, =-0,2-10

- 0,0644 ■ У^ + 3,9074,

(13)

-^+0,7-1 (Г

■VI-0,0881-У +4.2285

(14)

На представленных графиках видно, что при использовании абразива 24А16СМ1К шероховатость минимальна при Урез=$0 - 100 м/с, при использовании 92А40НСМ16К - 120 - 130 м/с. Увеличение шероховатости при более высокой скорости резания, по-видимому, объясняется колебаниями системы СПИД.

Топографическое исследование шлифованной поверхности, проведенное с помощью профилометра №\уУ1е\у 6200, показало аналогичные результаты (рис. 13). Однако, рельеф поверхности при сверхскоростном шлифовании становится более равномерным, что свидетельствует о большей эффективности процесса шлифования. __

а) б)

Рис. 13. Объемное изображение шлифованной поверхности: а) Грез=80 м/с; б) Урез=230 м/с Полученные данные свидетельствуют о том, что сверхскоростное шлифование позволяет обеспечить высокое качество обработанной поверхности. Однако, полученного качества часто недостаточно для обеспечения высоких эксплуатационных характеристик деталей из

жаропрочных сплавов. Дальнейшего повышения качества поверхности можно добиться с помощью операции полирования.

Четвертая глава посвящена разработке инструмента и установки для сверхскоростного шлифования. Проведенный анализ конструкций кругов для высокоскоростного шлифования показал, что данные конструкции либо позволяют достигнуть скоростей резания не выше 80 - 100 м/с, либо обладают ограниченными технологическими возможностями. Кроме этого, все рассмотренные конструкции кругов не оснащены специальными системами балансировки, между тем, в условиях высокоскоростного шлифования эта проблема очень актуальна.

Разработана серия шлифовальных кругов, предназначенных для сверхскоростного шлифования и обеспечивающих возможность балансировки до начала обработки или непосредственно во время нее. Схема плоского шлифования торцом круга может быть реализована шлифовальным кругом, конструкция которого представлена на рисунке 14. Круг состоит из стального корпуса 1 с симметрично расположенными относительно оси гнездами. В гнездах зафиксированы шлифовальные головки. Каждая шлифовальная головка (сечение А-А) состоит из переднего и заднего обтекателей 2 и 5, винта 4 и закрепленного с помощью инструментального клея 7 цилиндрического шлифовального сегмента 3. Шлифовальные сегменты крепятся в полости переднего обтекателя 2, винт 4 фиксирует обтекатели 2 и 5 на корпусе шлифовального круга. В корпусе предусмотрена канавка 6 для балансирующей жидкости. На рисунке 13, б показана конструкция с угловым расположением шлифовальной головки.

Рис. 14. Шлифовальный круг для сверхскоростного шлифования На основе данной конструкции разработан шлифовальный круг, работающий наружной цилиндрической поверхностью (круг типаПП) (рис. 15). Абразивные сегменты 1 с помощью инструментального клея 6 крепятся к державке 5, которая устанавливаются 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 Гч.

Рис. 15. Конструкция круга для высокоскоростного круглого шлифования Был произведен расчет конструкции круга (рис. 14) на прочность, который позволил установить следующие значения коэффициентов запаса по разрушающей частоте вращения (табл. 1).

Таблица 1

Значения коэффициентов запаса по разрушающей частоте вращения

Коэффициент запаса по диаметральному сечению, Кц.

Коэффициент запаса по цилиндрическому сечению для внутреннего ряда отверстий, КЬ2.

1,89

1,8

Коэффициент запаса по цилиндрическому сечению для внешнего ряда отверстий, Кьз.

4,96

Таким образом, предложенная конструкция шлифовального круга обладает необходимыми прочностными характеристиками.

Был разработан станок с ЧПУ для сверхскоростного шлифования деталей из жаропрочных сплавов на никелевой основе на базе специального шлифовально-заточного полуавтомата ВЗ-Э26Ф4. Модернизация станка заключалась в оснащении его отечественной системой ЧПУ «Маяк-600» и шлифовальной бабкой для сверхскоростного шлифования.

Обработка производится по схеме, представленной на рисунке 16.

Турбинная лопатка 1 фиксируется в шпинделе бабки изделия с помощью специального приспособления 3. Шлифовальный круг 2 производит обработку поперечными строчками шириной т. После каждого прохода происходит перемещение в продольном направлении. Обработка по контуру обеспечивается за счет синхронизации системой ЧПУ поперечной Бпоп и круговой подачи А.

Повышение производительности при сверхскоростном шлифовании обеспечивается за счет уменьшения припуска на последующее полирование, так как сверхскоростное шлифование обеспечивает меньшую шероховатость и уменьшение дефектного слоя (табл. 2). В таблице использованы следующие обозначения Кг - шероховатость после шлифования, й - глубина дефектного слоя, Л — суммарные отклонения расположения поверхности, е - погрешность установки, Х- припуск на полирование.

Таблица 2

Припуск на притирку после ленточного и сверхскоростного шлифования

Иг, мкм И, мкм А, мкм Е, МКМ мкм

Ленточное шлифование 2 20 20 25 67

Сверхскоростное шлифование 0,6 5 20 25 45,6

Снижение трудоемкости полирования пера лопатки при использовании сверхскоростного шлифования составляет 25% по сравнению с ленточным шлифованием.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ

1. Анализ литературы и существующего технологического процесса изготовления лопаток турбин и других деталей из жаропрочных сплавов показал, что среди методов повышения качества поверхностного слоя и производительности наиболее эффективным является сверхскоростное шлифование со скоростями свыше 120 м/с.

2. Установлено, что при шлифовании всеми основными типами абразивных и алмазных материалов повышение скорости резания приводит к уменьшению параметров шероховатости, снижению температуры в зоне резания и уменьшению следов пластической деформации.

3. Экспериментальное исследование удельного расхода абразивного

материала показало, что наилучшими показателями по стойкости круга и качеству обработки поверхности обладают головки из циркониевого электрокорунда 92А на керамической связке и алмаза синтетического АС20 на металлической связке.

4. Разработана математическая модель тепловых процессов при сверхскоростном шлифовании, позволяющая установить интервал скоростей резания, при которых значение контактной температуры меньше температуры образования прижогов на шлифованной поверхности, получено экспериментальное подтверждение. При обработке сплава ЖС6-К этот интервал -160 - 200 м/с.

5. Расчетными и экспериментальными методами установлено, что при шлифовании со скоростью резания свыше 140 - 150 м/с время адгезионного схватывания материала детали превышает время взаимодействия абразивных зерен с обрабатываемой поверхностью, что минимизирует засаливание рабочей поверхности шлифовального круга.

6. Экспериментально определен интервал скоростей резания для разработанной установки 120 - 140 м/с, при которых значение высоты микронеровностей на обработанной поверхности минимально. Установлено, что основным фактором, влияющим на шероховатость, является уровень вибраций технологической системы. Дальнейшее уменьшение высоты микронеровностей требует разработки оборудования принципиально иной компоновки.

7. Установлено, что распределение микротвердости в поверхностном слое детали при сверхскоростном шлифовании существенно не отличается от обычного шлифования. При скорости резания свыше 160 м/с уменьшается количество следов пластической деформации, и появляются участки микросколов на обработанной поверхности жаропрочного сплава ЖС6-К. Это подтверждает гипотезу об изменении характера разрушения пластичных материалов при повышении скорости резания более 200 м/с.

8. Исследован механизм разрушения шлифовальных кругов для сверхскоростного шлифования, разработаны конструкции крепления абразивных вставок, механизм динамической защиты и механизм автоматической балансировки. Испытаниями установлено, что дополнительные крепежные элементы: штифты, болты и т.д., - не оказывают существенного влияния на повышение прочности конструкции.

9. Спроектирован и модернизирован специальный станок на базе станка ВЗ-Э26Ф4 для сверхскоростного шлифования деталей из жаропрочных сплавов с защищенными от вибрации приводами.

Основные положения и результаты диссертации отражены в следующих

работах:

1. *Аверков, К. В. Повышение качества обработанной поверхности при шлифовании жаропрочных сплавов на никелевой основе / К. В. Аверков, Д. С. Реченко // Омский научный вестник. - 2010. №2.

С. 36-39.

2. *Аверков, К. В. Тепловые процессы при высокоскоростном шлифовании / К. В. Аверков, Д. С. Реченко, А. М. Ласица // Омский научный вестник. - 2011. -№3. С. 83-86.

3. Аверков, К. В. Конструкции специальных шлифовальных кругов для высокоскоростного шлифования / К. В. Аверков, Д. С. Реченко, А. Ю. Попов // Матер. III Всерос. Молодежи. Науч.-техн. конференции. - Омск изд-во ОмГТУ, 2010 кн.1. С. 83-87

4. Аверков, К. В. Высокоскоростное шлифование жаропрочных сплавов на никелевой основе / К. В. Аверков, Д. С. Реченко, А. Ю. Попов // Инновации для транспорта. Сборник научных статей с международным участием в трех частях. Ч. 2. Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск 2010 С. 234-238.

5. Аверков, К. В. Высокоскоростное шлифование инструментальных материалов / Инженерия поверхности и реновация изделий: Матер. 10-й Юбилейной Междунар. науч.-техн. конф. Киев, 2010. С. 154 - 156.

6. Аверков, К. В. Высокоскоростное прерывистое шлифование жаропрочных сплавов на никелевой основе / К. В. Аверков // Омский регион -месторождение возможностей. Материалы II Региональной научно-технической конференции. Книга 1. Омск, 2011. С. 23 - 24.

7. Аверков, К. В. Шлифовальный круг для высокоскоростной обработки, (патент на полезную модель) / К. В. Аверков, Д. С. Реченко, А. Ю. Попов // Патент № 101666 на полезную модель (РФ) МПК В24Б 7/06. Приоритет 24.09.2010. Заявка № 2010139548. Зарегистрировано в Государственном реестре полезных моделей РФ. 27.01.2011

8. Аверков, К. В. Высокоскоростное шлифование жаропрочного сплава на никелевой основе ЖС6-К / К. В. Аверков, В. А. Сергеев, Е. В. Васильев, Д. С. Реченко // Россия молодая: передовые технологии - в промышленность! Материалы IV Всероссийской молодежной научно-технической конференции с международным участием С.117 -120

* Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК.

Типография ОмГУПСа, 2011. Тираж 100 экз. Заказ 822. 644046, г. Омск, пр. Маркса, 35.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

(ОмГУПС (ОмИИТ))»

61 12-5/1243

На правах рукописи

АВЕРКОВ КОНСТАНТИН ВАСИЛЬЕВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА И ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ АБРАЗИВНОЙ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ЖАРОПРОЧНЫХ СПЛАВОВ НА НИКЕЛЕВОЙ ОСНОВЕ ЗА СЧЕТ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАЦИОНАЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ СВЕРХСКОРОСТНОГО

ШЛИФОВАНИЯ

Специальность 05.02.08 - Технология машиностроения

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -Доктор технических наук, профессор

А. Ю. Попов

Омск-2011

СОДЕРЖАНИЕ

1 ШЛИФОВАНИЕ ЖАРОПРОЧНЫХ СПЛАВОВ НА НИКЕЛЕВОЙ ОСНОВЕ, СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА...........................................................................................'9

1.1 Анализ способов обработки поверхностей турбинных лопаток из жаропрочных сплавов на никелевой основе..........................................................11

1.2 Особенности шлифования деталей из жаропрочных сплавов на никелевой основе...........................................................................................................................

1.3 Качество поверхности деталей, изготовленных из жаропрочных сплавов на никелевой основе......................................................................................................20

1.4 Влияние технологических факторов и режимов шлифования на качество шлифованной поверхности и производительность..............................................28

1.5 Анализ процесса высокоскоростного шлифования жаропрочных сплавов на никелевой основе......................................................................................................33

1.6 Постановка задач исследования.......................................................................40

2 АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ СКОРОСТИ РЕЗАНИЯ НА ТЕПЛОВЫЕ И АДГЕЗИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ В ЗОНЕ КОНТАКТА ШЛИФОВАЛЬНОГО КРУГА И ДЕТАЛИ...................................................................................................41

2.1 Тепловые процессы при шлифовании..............................................................42

2.2 Анализ существующих математических моделей тепловых процессов при шлифовании..............................................................................................................46

2.3 Разработка модели тепловых процессов при сверхскоростном шлифовании49

2.4 Анализ влияния адгезионных процессов при шлифовании на режущую способность шлифовального круга........................................................................58

2.5 Исследование адгезионных процессов при сверхскоростном шлифовании деталей из жаропрочных сплавов на никелевой основе......................................59

2.6 Выводы по главе 2..............................................................................................68

3 АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ СКОРОСТИ РЕЗАНИЯ ПРИ СВЕРХСКОРОСТНОМ ШЛИФОВАНИИ НА ПРОЦЕССЫ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ В ЗОНЕ РЕЗАНИЯ И ФОРМИРОВАНИЕ ШЕРОХОВАТОСТИ............................70

3.1 Влияние скорости резания при сверхскоростном шлифовании жаропрочных сплавов на никелевой основе на процесс пластической деформации................70

3.2. Влияние скорости резания при сверхскоростном шлифовании жаропрочных сплавов на никелевой основе на процесс формирования шероховатости обработанной поверхности...........................................................77

3.3. Выбор марки абразивного материала..............................................................85

2

3.4. Выводы по главе 3...............................................................................................

4 РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ СВЕРХСКОРОСТНОГО ШЛИФОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ ТУРБИННЫХ ЛОПАТОК ИЗ СПЛАВА ЖС6-К.................89

4.1. Анализ конструкций шлифовальных кругов для высокоскоростного шлифования...........................................................................................................................................................§9

4.2. Разработка устройства для балансировки круга для сверхскоростного шлифования...................................................................................................... 94

4.3. Обеспечение динамической защиты при сверхскоростном шлифовании. 103

4.4. Разработка новой конструкции шлифовального круга для сверхскоростного шлифования................................................................................

4.5 Расчет круга для сверхскоростного шлифования на прочность.................107

4.6 Проектирование установки для сверхскоростного шлифования деталей из жаропрочных сплавов на никелевой основе........................................................1 ю

4.7. Производительность процесса сверхскоростного шлифования при обработке турбинных лопаток из сплава ЖС6-К................................................115

4.8. Выводы по главе 4.............................................................................................

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ.........................................121

Библиографический список....................................................................................123

ПРИЛОЖЕНИЯ.......................................................................................................134

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Детали, изготовленные из жаропрочных сплавов, активно применяются во многих областях техники. Особенно широкое распространение они получили в авиационном двигателестроении, причем именно эти детали являются наиболее ответственными и определяют ресурс двигателя. Разрушение деталей в большинстве случаев начинается с поверхности, этому способствуют впадины между микронеровностями, остаточные напряжения и поверхностные дефекты, оставшиеся после механической обработки. Качество обработки поверхности в значительной степени определяет ресурс детали и ему уделяют повышенное внимание. Традиционно на производстве высокого качества поверхности деталей добиваются с помощью операций, полирования, притирки и доводки, часто вручную. Эти виды обработки характеризуются низкой производительностью, трудоемкостью, а качество поверхности напрямую зависит от квалификации рабочего. При этом не всегда гарантируется геометрическая точность детали и отсутствие прижогов.

Относительно недавно появившаяся технология сверхскоростного шлифования открыла возможности кардинального повышения качества поверхности. Специалисты, занимавшиеся данным вопросом Л. Н. Филимонов, Л. В. Худобин, В. Н. Подураев, В. Ф. Казаков, К. Гюринг, А. Ю. Попов, Д. С. Реченко отмечают, что при сверхскоростном шлифовании изменяются физические процессы, происходящие в зоне резания. Причем, это касается как инструмента, так и обрабатываемой поверхности. Повышается качество обработанной поверхности, износ абразивных зерен приобретает характер самозатачивания, изменяются температурные условия в зоне резания, повышается производительность процесса. Таким образом, повышение скорости резания свыше 120 м/с, при обработке деталей из жаропрочных сплавов, является наиболее перспективным способом достижения высокого качества поверхностей.

На сегодняшний день установлена следующая градация скоростей резания:

До 45 м/с - обычное шлифование. Данная граница сложилась исторически в силу того, что не существовало конструкций шлифовальных кругов, способных выдержать центробежные силы при более высоких скоростях резания. Процессы, происходящие при данных скоростях резания, подробно изучены и описаны многими авторами [8, 22, 62, 75, 79, 89, 91, 92, 100, 106, 111, 115].

Свыше 45 до 120 м/с - высокоскоростное шлифование. Для достижения этих скоростей резания были разработаны конструкции кругов, способные выдерживать значительные центробежные силы. Однако для дальнейшего повышения скорости не существовало серийно выпускаемых приводов, обеспечивающих требуемые частоты вращения шпинделя. Работ, посвященных изучению процессов, происходящих в зоне резания при таких скоростях, значительно меньше [61, 64, 90, 101, 104].

Свыше 120 м/с - сверхскоростное шлифование. Появление данной границы связано с тем, что при такой скорости резания изменяется характер износа абразивных зерен. При более низких скоростях абразивные зерна изнашиваются с образованием площадок износа, при более высоких скоростях на зернах образуются микросколы и происходит образование острых лезвий. Данная область скоростей резания на сегодняшний день является практически не изученной. Работы по этой теме носят фрагментарный характер [31, 80].

Цель работы: повышение качества и производительности абразивной обработки деталей из жаропрочных сплавов на никелевой основе с помощью сверхскоростного шлифования.

Для реализации поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Проанализировать влияние на производительность и качество обработки основных технологических параметров, а именно: конструкции и характеристики абразивного инструмента, а также компоновки и конструкции станка.

2. Исследовать адгезионные и тепловые процессы при сверхскоростном

5

шлифовании жаропрочных сплавов на никелевой основе.

3. Определить влияние скорости резания при сверхскоростном шлифовании на процессы пластической деформации и шероховатость поверхности в зоне резания.

Методы исследования. Теоретические исследования сверхскоростного шлифования жаропрочных сплавов на никелевой основе производились на основе теории резания, теории упругости, планирования эксперимента и методов оптимизации. Обработка теоретических и экспериментальных результатов производилась в программных средах Microsoft Excel, FlexPDE. При конструировании использовалось 3D моделирование в системе автоматизированного проектирования КОМПАС. Разработанные теоретические положения и новые технические решения опробованы экспериментально в лабораториях кафедр «Технология транспортного машиностроения и ремонта подвижного состава» (ОмГУПС) и «Металлорежущие станки и инструменты» (ОмГТУ). Исследования проводились с использованием современных стандартных и специальных измерительных приборов: вибродинамический прибор ДИАНА-2М; электронный микроскоп JCM-7500; микротвердомер ПМТ-3; профилометр NewView 6200; профилометр 170622.

Научная новизна:

1. Установлено, что основными параметрами, влияющими на качество поверхности при сверхскоростном шлифовании, является скорость резания, характеристика круга и глубина резания.

2. Разработана математическая модель тепловых процессов при сверхскоростном шлифовании, позволяющая установить интервал скоростей бесприжоговой обработки.

3. Теоретически и экспериментально установлены значения технологических параметров, при которых минимизируется адгезия обрабатываемого и абразивного материала.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

1. разработке комплекта кругов для сверхскоростного шлифования, включающего круги типа ПП, ЧК, кругов для фасонного шлифования обеспечивающих возможность динамической защиты и балансировки;

2. определении скорости резания при сверхскоростном шлифовании деталей из жаропрочных сплавов на никелевой основе, оптимальной с точки зрения производительности и качества обработанной поверхности;

3. разработке конструкции установки для сверхскоростного шлифования на базе станка ВЭ-326Ф4;

4. обосновании и разработке кинематической схемы и компоновки станка для сверхскоростного шлифования.

Достоверность результатов.

Достоверность полученных результатов обосновывается:

1. корректностью выполненных теоретических построений;

2. сопоставлением и совпадением результатов моделирования и экспериментального исследования.

Апробация работы.

Основные положения работы доложены и обсуждены на II региональной молодежной научно-технической конференции «Омский регион месторождение возможностей!» (0мск-2010), а также на заседаниях кафедр «Технология транспортного машиностроения и ремонта подвижного состава» (ОмГУПС) и «Металлорежущие станки и инструменты» (ОмГТУ). С работой ознакомлен исполнительный директор ОАО «Кузнецов» (г. Самара) Ю. С. Елисеев. Разработанные теоретические положения и новые технические решения опробованы экспериментально в лабораториях кафедры «Металлорежущие станки и инструменты» (ОмГТУ).

Положения, выносимые на защиту:

При сверхскоростном шлифовании жаропрочных сплавов на никелевой основе:

1. Наилучшими показателями по стойкости круга и качеству обработки

поверхности обладают шлифовальные головки из циркониевого электрокорунда 92А на керамической связке и алмаза синтетического АС20 на металлической связке.

2. При скорости резания 250 - 300 м/с контактная температура меньше значения температуры образования прижогов на шлифованной поверхности.

3. При скорости резания 120 - 150 м/с высота микронеровностей на обработанной поверхности минимальна.

Реализация и внедрение результатов работы.

1. Подписан протокол о намерениях с ОАО «Завод ВИЗАС» по созданию совместной лаборатории «Инструментальная техника и технология высокоскоростной обработки».

2. Кафедрой «Металлорежущие станки и инструмент» (ОмГТУ) принята к эксплуатации установка для сверхскоростного шлифования на базе модернизированного станка B3-32604 для 4-х координатной обработки со скоростью резания до 200 м/с.

Публикации. Результаты диссертационной работы отражены в 8 публикациях, из них 2 опубликованы в журналах, входящих в перечень ВАК и получен патент РФ на полезную модель.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов и списка литературы из 115 наименований; изложена на 140 страницах машинописного текста, включая 73 иллюстрации и 7 таблиц.

1 ШЛИФОВАНИЕ ЖАРОПРОЧНЫХ СПЛАВОВ НА НИКЕЛЕВОЙ ОСНОВЕ,

СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

Важнейшим условием обеспечения надежности, высоких механических характеристик и долговечности деталей, изготовленных из жаропрочных сплавов на никелевой основе, является высокое качество обработанной поверхности. При этом особое значение приобретают операции финишной обработки и прежде всего шлифование.

Шлифование жаропрочных сплавов стандартными шлифовальными кругами на традиционных режимах резания давно исчерпало себя как метод повышения качества поверхности. Дальнейшее развитие технологии шлифования данной группы материалов возможно только в области скоростей свыше 120 м/с кругами принципиально другой конструкции.

Работ, посвященных исследованию высокоскоростного шлифования жаропрочных сплавов, очень мало, при этом практически все авторы отмечают ухудшение параметров шлифования при повышении скорости резания. Таким образом, данный путь был признан тупиковым. Однако, следует отметить, что большинство исследователей, касавшихся данного вопроса, ограничивались скоростями не более 80 м/с. Исследований, посвященных изучению процесса шлифования жаропрочных сплавов при более высоких значениях скоростей резания на сегодняшний день фактически нет. Такое исследование становится еще более актуальным, если учесть появление новых высокоскоростных шпинделей и постоянное повышение рабочих скоростей шлифовальных кругов, выпускаемых ведущими зарубежными фирмами. Можно с уверенностью утверждать, что стремление к повышению скорости обработки является мировой тенденцией.

Жаропрочными являются материалы, способные работать в напряженном состоянии при высоких температурах в течение определенного времени и обладающие при этом достаточной стойкостью против химического разрушения поверхности в газовых средах при повышенных температурах [51, 93, 113,].

Наиболее важными для современного машиностроения являются жаропрочные сплавы на никелевой основе. Это сложнолегированные дисперсионно твердеющие сплавы, способные сохранять свои механические свойства при температурах 900 - 1200°С.

Никелевые жаропрочные сплавы являются одними из самых труднообрабатываемых материалов. По классификации Я. Л. Гуревича [22] они относятся к VI группе обрабатываемости, более низкой обрабатываемостью обладают титановые сплавы и тугоплавкие сплавы на основе вольфрама, тантала, ниобия [74].

Наиболее характерными областями применения данного типа сплавов являются: газотурбинная техника, паротурбостроение, атомная энергетика, печное оборудование и химическая промышленность.

Наиболее широкое применение жаропрочные сплавы на никелевой основе нашли в авиационном двигателестроении. В современном авиационном двигателе более 50% массы составляют детали, изготовленные из сплавов данной группы [56]. Это турбинные диски, кольца, валы, корпуса, лопатки. Эти детали часто имеют очень сложную геометрию, высокие требования к точности обработки и качеству поверхностей (рис. 1.1)

Рисунок 1.1 - Детали турбореактивного двигателя, изготавливаемые из

жаропрочных сплавов

Известно, что в основе процесса резания лежит пластическое деформирование. Пластичность сплава напрямую связана с подвижностью

О

атомов его кристаллической решетки, которая характеризуется коэффициентом диффузии [51].

О = (1.1)

где В - коэффициент диффузии в см2/с;

А? - коэффициент, зависящий от материала;

Е - энергия активации, Дж;

Я - газовая постоянная (8,314 Дж/моль-К);

Т- температура, К.

Для достижения жаропрочности в состав сплавов вводят легирующие элементы с высокой энергией активации, что обуславливает малую подвижность атомов при высоких температурах [24, 74], к таким элементам относятся кобальт, никель, хром, молибден, ниобий, вольфрам и пр.

Таким образом, при обработке жаропрочных сплавов, высокая энергия активации легирующих э�