автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Инструментальное оснащение глубинного шлифования замков тербинных лопаток

I

од

На правах рукописи

Андреев Андрей Анатольевич

ИНСТРУМЕНТАЛЬНОЕ ОСНАЩЕНИЕ ГЛУБИННОГО ШЛИФОВАНИЯ ЗАМКОВ ТУРБИННЫХ ЛОПАТОК

05.02.08 - "Технология машиностроения"

05.03.01 - "Процессы механической и

физико-технической обработки, станки и инструмент"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Курган - 1998

Работа выполнена в Курганском государственном университете.

Научный руководитель - кандидат технических наук, доцент Курдюков В.И.

Официальные оппоненты : доктор технических наук,

профессор Мазеин П.Г.

кандидат технических наук Коротовских В.К.

Ведущее предприятие - ОАО "Турбомоторный завод", г. Екатеринбург

Защита состоится 26 июня 1998 года в 15 часов на заседании диссертационного совета К 064.18.01 в Курганском государственном университете (640669, г. Курган, пл. им. Ленина, КГУ) ауд. А 308.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Курганского государственного университета.

Отзыв на автореферат, заверенный печатью, просьба высылать по адресу: 640669, г. Курган, ул. Гоголя, д. 25, ученому секретарю диссертационного совета К 064.18.01.

Автореферат разослан ./¿мая 1998г.

Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н., доцент

Силич А.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ. Глубинное шлифование, как способ обработки, имеет ряд существенных преимуществ, такие как сокращение штучного времени и высокая точность переносимого профиля. Однако, такой метод обработки не во всех случаях гарантирует требуемые параметры качества поверхностного слоя. Неправильный подбор характеристик шлифовального круга и соответствующих режимов резания, нестабильность режущих свойств абразивного инструмента (АИ), появление автоколебаний в системе станок — приспособление -инструмент - заготовка, неправильная подача и очистка СОЖ и другие причины приводят к браку на операции. Для увеличения технологической надежности необходимо знать взаимовлияние характеристик шлифовального круга и достигаемого уровня производительности, условия разрушения системы абразивное зерно - связка и размещения снимаемой стружки в порах круга, увеличение стабильности режущих свойств абразивного инструмента.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ. Цель работы - повышение стабильности технологического процесса глубинного шлифования замка турбинных лопаток и качества поверхностного слоя за счет оснащения операции высокоэффективным АИ. В соответствии с целью исследования были решены следующие основные задачи:

- выбраны характеристики технологического процесса для расчета АИ;

- разработана методика расчета оптимальных структурных характеристик All на керамической связке;

- выбран наиболее эффективный способ получения АИ с рассчитанными структурными характеристиками;

- разработана методика расчета шихтового состава керамической связки, обеспечивающего гарантированное получение необходимых структурных характеристик абразивной композиции;

- проведены лабораторные и промышленные испытания опытного АИ.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Установлена взаимосвязь между производительностью обработки, скоростью резания, размером зерна, силой резания единичным зерном из электрокорунда при обработке жаропрочного сплава, прочностью керамической связки на изгиб и структурными характеристиками АИ. Получена кинематическая модель, позволяющая назначить структурные характеристики АИ, обеспечивающие заданную производительность и качество поверхности. Разработан алгоритм расчета оптимального шихтового состава керамической связки для производства инструмента, исходя из современных представлений о динамике хрупкого разрушения.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ. Разработана методика назначения оптимальных структурных характеристик АИ под конкретные условия шлифования. Предложен способ надежного получения заданных структурных характеристик АИ. Создан алгоритм расчета поверхностной энергии абразивной композиции. Разработана методика оптимизации шихтового состава по величине эквива-

лентного дефекта мостика связки. Результаты испытаний опытного АИ в условиях Уфимского и Рыбинского моторостроительных объединений (УМПО и РМГТО) подтвердили правильность разработанных методик и позволили внедрить его на операции глубинного шлифования. Эти данные легли в основу совместного ТУ заводов изготовителя, потребителя и разработчиков АИ.

РЕАЛИЗАЦИЯ РАБОТЫ. Выполненная в течении ряда лет научно-исследовательская работа позволила пройти путь от внедрения опытных образцов и опытных партий к серийному изготовлению АИ, который применяется в настоящее время на операциях глубинного шлифования Уфимского моторостроительного объединения.'

АПРОБАЦИЯ. Основные положения работы докладывались на научно-практической конференции «Наука - производству» (Набережные Челны, 1990); на межреспубликанской конференции «Проблемы создания и эксплуатации гибких автоматизированных производств» (Харьков, 1990); на научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития технического и программного обеспечения механосборочных процессов» (Ижевск, 1991); на семинаре «Алмазно-абразивная обработка при изготовлении деталей машино-и приборостроения» (Москва, 1993); на российской научно-технической конференции «Наукоемкие технологии в машиностроении и приборостроении» (Рыбинск, 1994); на научных семинарах кафедр «Металлорежущие станки и инструменты» и «Технология машиностроения» Курганского машиностроительного института (Курган, 1994-1996).

ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертации опубликовано двенадцать печатных работ.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов и результатов работы, списка использованных источников из 58 наименований и приложения; содержит 141 страницу машинописного текста, 33 рисунка, 31 таблицу.

ВВЕДЕНИЕ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы и изложено ее основное содержание.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Лопатки являются одним из основных конструкционных элементов турбин. Изготовленные из жаропрочных сплавов, они воспринимают на себя все изгибные нагрузки и передают их на основной вал турбины, создавая вращательное движение. С появлением современного технологического оборудования, наибольший объем обработки профиля замка турбинной лопатки переведен на станки для глубинного шлифования. Такой метод существенно увеличивает производительность не столько за счет повышения интенсивности реза-

ния, сколько за счет сокращения перебегов инструмента относительно детали. Он лишен многих недостатков, присущих предыдущим методам обработки (фрезерование, врезное шлифование). Использование весьма мягкого круга позволяет существенно увеличить срок службы профилирующего ролика. Появляется возможность более точно обработать заданный профиль.

Вместе с этим, из-за значительного увеличения глубины шлифования и уменьшения продольной подачи резко увеличивается длина дуги контакта зерна АИ с деталью. Увеличение общего числа режущих зерен в контакте уменьшает поперечное сечение среза и глубину внедрения зерна. Это приводит к увеличению количества трущих зерен и зерен, производящих только упругое пластическое деформирование, а, следовательно, к значительному возрастанию мощности резания и температуры в зоне контакта. Таким образом, при глубинном шлифовании возникают весьма неблагоприятные температурные условия. Подача СОЖ под большим давлением в зону резания не устраняет всех негативных явлений, присущих такому виду обработки.

Обзор работ Силина С.С, Леонова Б.Н., Худобина В.А., Рыкунова Н.С., Волкова Д.И., Корчака С.И., Ивашинникова В.Т., и др. показал, что в общем случае эффективность любой технологической операции зависит от того, насколько грамотно осуществлено ее проектирование, в том числе:

- выбор характеристики АИ и условий его эксплуатации;

- назначение режимов шлифования;

Это подтверждает и анализ заводских данных. Режимы резания, применяемые на разных заводах, на одном и том же оборудовании и с использованием одинакового инструмента, существенно различаются. Так, например, число проходов при шлифовании замков на разных предприятиях колеблется от 3 до 9. Это, прежде всего, зависит от того, насколько удачно сочетаются характеристики АИ и режимы обработки. Чтобы после первого чернового прохода не приходилось снимать поврежденный слой чрезмерной толщины и, тем самым, увеличивать число проходов, необходимы рекомендации по выбору оптимальной производительности для конкретного АИ или, наоборот, для заданной производительности - АЙ оптимальных характеристик. Причем наиболее сложной для практического решения является вторая задача.

Кроме того, как показывает практика, даже правильно назначенная по ГОСТу условная характеристика круга, еще не может обеспечить бездефектного шлифования. Нестабильность эксплуатационных характеристик наблюдается как у различных партий кругов одной и той же маркировки, так и у кругов в пределах одной партии. Это связано с большим разбросом параметров структуры круга в диаметральном направлении. Такие колебания твердости и структуры АИ, обусловленные несовершенством технологии их изготовления, приводят к значительному ухудшению как качества обработки, так и стойкости инструмента.

Обзор предыдущих исследований позволяет сделать следующие выводы.

1.Задача выбора и оснащения операции глубинного шлифования АИ является наиболее сложной и малоизученной.

2. Отсутствуют конкретные рекомендации по расчету оптимальных характеристик шлифовального круга для конкретных условий резания.

3. Не ясно, какие технологические показатели операции и технические требования к обработанной детали должны приниматься в качестве входных данных для расчета АИ.

4. Для обеспечения технологичности изготовления кругов высокой структуры (применяемых на операции глубинного шлифования) следует принять меры по обеспечению однородности физико-механических характеристик АИ, для чего вводить в абразивную массу соответствующий наполнитель.

На основе выводов сформулированы цель и задачи исследования.

2. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОСНАЩЕНИЯ ОПЕРАЦИИ ШЛИФОВАНИЯ КРУГОМ ОПТИМАЛЬНЫХ СТРУКТУРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

Из анализа работы отдельного абразивного зерна следует:

1. По мере износа режущей вершины зерна увеличивается задняя поверхность элементарного "резца", что приводит к увеличению результирующей силы резания и общего количества выделяемого тепла. Это повышает вероятность появления «прижогов» и шлифовочных трещин на поверхности детали. Следовательно, нельзя допускать увеличения площадки износа выше определенного предельного значения. Это можно обеспечить, либо создав такие условия, что в момент достижения зерном предельной площадки износа возросшая сила резания приведет или к разрушению зерна, или к вырыву его с поверхности АИ, либо искусственно удалить его, то есть осуществить правку инструмента.

Таким образом, появляется возможность обеспечивать требуемую теп-лонапряженность процесса шлифования путем изменения параметров закрепления зерна на рабочей поверхности круга. При этом может не приниматься в расчет то, что толщина срезаемого зерном слоя - величина случайная, изменяющаяся в широких пределах. Здесь играет роль только максимальное значение этой величины при наличии на зерне предельной площадки износа и возникающей при этом силе резания, приводящей к разрушению или вырыву зерна.

2. Стружка, снимаемая зерном, должна размещаться в порах круга без существенной деформации, иначе она не будет удаляться с поверхности круга под действием центробежных сил и охлаждающей жидкости, что приведет к "засаливанию" круга. Следовательно, каждое зерно в круге, являясь потенциальным режущим элементом, должно иметь свою пору, соответствующую объему снимаемой им стружки.

3. Для обеспечения бездефектного шлифования прочность удержания зерна на поверхности круга должна соответствовать условиям процесса шлифования. Прочность удержания определяется количеством связки, ее адгезионной способностью к материалу зерна и собственной прочностью. Определив максимальную допустимую силу резания на зерне с критической площадкой износа, можно задать такое количество связки, чтобы при этой нагрузке происходило разрушение мостиков связки и удаление изношенного зерна. Принимая во внимание кинематику резания единичным зерном, можно записать следующие уравнения.

Условие гарантированного размещения образовавшейся стружки в поре круга, с учетом фактического расстояния между зернами 1ф=3,5-с13, критической площадки износа зерна 11.^0,3 ■<!„ коэффициента заполнения пор круга стружкой Кзап=0,015:

К ^-ск

—= 0,08 ——-- , (1)

К V ^

где с1,= 10,7'1\:1О - средний размер зерна абразивной композиции, мкм; Т\тм - условный номер зернистости; К3 - объемная доля зерна в круге; Кп - объемная доля пор в круге; У,,, - скорость резания, м/сек; Уд - скорость продольной подачи, м/мин; I - глубина снимаемого слоя, мм. Вычисляя силу разрушения зерна Рр и максимально допустимую силу резания на зерне с критической площадкой износа Ррез", сравнивая их между собой, имеем, как правило, два случая: либо Рр>Ррезп, тогда весь дальнейший расчет необходимо производить исходя из того, что сила резания на зерне равна силе его удержания (Рул^-Ррс.,), при этом круг будет работать в режиме самозатачивания. Если Рр<Ррсзп, то дальнейший расчет необходимо вести по Рр из условия Рр=Руд =РрезП Для того, чтобы не вводить в круг сверх необходимого количества связки (бессмысленно удерживать зерно в круге прочнее, чем само зерно). При этом также будет происходить самозатачивание круга.

Таким образом, в любом случае расчет необходимо вести из условия Ррез^Руд- Сила, с которой необходимо удерживать зерно на поверхности круга, с учетом условий закрепления его в абразивной матрице и характера нагруже-ния, определится по следующей зависимости:

Руд- Сг св'^са 1 (—)

где Сев - предел прочности связки на изгиб, Па; Бсв - площадь эквивалентного мостика езязки, приходящейся на одно зерно, м". Подставляя в (2) значение наиболее вероятной площади, получаем:

К Гоо л 2

К?

2,9-а32-осив

р

с в ^ УД

(3)

где Ксв - объемная доля связки в круге.

Это выражение дает соотношение между структурными характеристиками абразивной композиции и силой удержания зерна на рабочей поверхности. Ис-

пользуя соотношение (I) и (3), и учитывая, что К3+Кса+Кп=1, получаем систему уравнений, связывающих структурные характеристики АИ с условиями шлифования:

К,+Ксв+Кп=1

кр

д

Ь^О^.Ь^Л (4)

кп Уп * ^

К"

2,9

Р,

Чв V УД

Решая систему уравнений (4), необходимо сначала определить соотношение К3/К„, если это соотношение больше 1, значит, выбранные режимы резания не требуют высокопористого инструмента. В этом случае необходимо принимать К3=0,5 (т.к. запрессовать в круге зерна больше, чем 52% достаточно проблематично), при этом круг будет работать с запасом по размещению отходов шлифования в порах. Далее, из третьего уравнения системы (4) получаем КС1!, и из первого Кп.

Подставляя в систему уравнений расчетные значения Ррез=Руд=1,28 Н (при глубинном шлифовании сила на зерне с критической площадкой износа практически не зависит от производительности) 160 МПа, Укр=25м/с, <1,-0,128 мм (для N3=12), получаем необходимые структурные составляющие, обеспечивающие заданный уровень производительности. Следует отметить, что при производительности меньше 200мм2/мин получаем соотношение К3/Кшр>1,28, а расчетное значение объемного содержания зерна в круге больше 50%, поэтому принято значение К3) равное 0,5 (рис. 1). Исследовав систему (4) при постоянном К3 и Укр=25 м/с, ¿,=0,128 мм, Ррез=Руд=1,28 Н, получаем зависимость достигаемой производительности АИ от прочности связки на изгиб (рис. 2). На этом же рисунке показаны асимптоты достигаемой производительности при бесконечно большой прочности связки для шестой (С)тах=256мм2/мин) и двенадцатой (С>пмх=418мм2/мин) структур АИ.

Исследования, проведенные в данном разделе, показали: достигнутый в настоящее время уровень производительности на операции глубинного шлифования обуславливает применение высокопористого абразивного инструмента (К3<0,5); прочность керамической связки должна быть по возможности максимальной, с тем, чтобы обеспечивать заданный уровень производительности при максимальном значении К3.

Наиболее перспективным методом создания высокопористого инструмента является введение в абразивную массу специального, взаимодействующего с зерном и связкой, наполнителя. Реализовать метод возможно с помощью разработки химического состава керамической шихты, который при введении наполнителя позволял бы гарантированно получить заданные структурные характеристики.

• Зависимость достигаемой производительности обработки от прочности связки

на изгиб

3. РАЗРАБОТКА ХИМИЧЕСКОГО И ШИХТОВОГО СОСТАВА КЕРАМИЧЕСКИХ СВЯЗОК ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ВЫСОКОПОРИСТОГО ИНСТРУМЕНТА ИЗ ЭЛЕКТРОКОРУНДА. Сложность механизма спекания в сочетании с многокомпонентной связкой делают невозможными чисто теоретические расчеты зависимостей ее фи-

зико-механических характеристик от химического и шихтового состава. Для этого требуются экспериментальные исследования каждый раз, как только мы пытаемся изменить шихтовой или химический состав применяемой связки. Из всех физико-механических характеристик, вводимых для описания поведения связки при ее обжиге без зерна, выбраны огнеупорность и растекаемость. Из всех компонентов, применяемых сейчас для производства керамической связки, для исследования выбрана огнеупорная глина (каолин), полевой шпат и борная фритта. Эти компоненты обязательно входят в состав тех или иных марок керамических связок. Поэтому область исследования состоит: каолин, полевой шпат, борная фритта, наполнитель. Выбранный метод изучения такой области широко известен и представляет собой методику симплекс-решетчатого планирования эксперимента. Для описания факторного пространства принимаем неполную кубическую модель регрессионного уравнения:

У = ХРгХ, + ХРу-Х,-^ + 1Рук-ХГХГХк + Ру^-ХгХуХк-Х, (5)

1<\<ц 1<л<}<ц 1<1<]<к<я

где у - функция отклика исследуемого параметра; 3;, ¡3^, - постоянные

коэффициенты, рассчитываемые по полученным экспериментальным точкам; X;, х^ Хк, хч - мнимые координаты, используемые при планировании эксперимента, пределы изменения которых от 0 до 1.

Исследуемое факторное пространство представляет собой правильный тетраэдр, на гранях которого находятся 14 точек, одна в центре, по ним производился расчет регрессионного уравнения. Для проверки использовалась дополнительная точка № 16,. произвольно выбранная в объеме этого тетраэдра (Табл. 1). Уравнения перехода от мнимых координат к истинным, имеют вид: для наполнителя: 2)=20+40-Хь для каолина: Е2=30+40-Х2; для полевого шпата: Zз=10+40•Xз; для борной фритты: Z4=40•X4. По итогам эксперимента составлены регрессионные уравнения, которые позволяют найти область, где наполнитель вместе с другими компонентами керамической шихты дает возможность получать абразивную связку, удовлетворяющую условиям спекания при температуре обжига 1250 - 1280° С, с любой его массовой долей (1100<ТОГН<1400; 60%<(3<150%).

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ

ХАРАКТЕРИСТИК АБРАЗИВНЫХ КОМПОЗИЦИЙ.

Одной из основных теоретических моделей динамики хрупкого разрушения является идеализированная модель, основанная на концепциях Гриффитца - Ирвина. Согласно уравнения разрушения Гриффитца, приложенное критическое напряжение в, соответствующее возникновению неустойчивости трещины, равно:

Таблица 1

План эксперимента и его результаты_

№ п/п Значения мнимых переменных Усредненные экспериментальные данные

Наполнит. X, Каолин х2 П.шпат Х3 Б. фритта х4 Огнеупорность Топ,, °С Растекае-мость Q, %

1 1 0 0 0 1170 119,7

2 0 1 . 0 0 1470 84,6

3 0 0 1 0 1265 95,4

4 0 0 0 1 1170 178,3

5 0,5 0,5 0 0 1380 91,6

6 0,5 0 0,5 0 1300 107,8

7 0,5 0 0 0,5 1200 149,1

8 0 0,5 0,5 0 1400 85,2

9 0 0,5 0 0,5 1310 89,2

10 0 0 0,5 0,5 1200 104,0

11 0,333 0,333 . 0,333 0 1365 89,0

12 0,333 0 0,333 0,333 1220 123,0

13 0,333 0,333 0 0,333 1250 92,3

14 0,333 0,333 0,333 0,333 1290 90,7

15 0,25 0,25' 0,25 0,25 1300 93,8

16 0,2 0,2 0,4 0,2 1300 92,4

0=рХ^,[Па] (6)

V п ■ с

где Е - модуль упругости материала, Па; у - энергия разрушения, Дж/м2; с -размер трещины, м.

При известных значениях модуля упругости Е, удельной энергии на образование новой поверхности у и критической прочности в, можно найти, согласно (б), размер трещины с, которая инициирует разрушение материала мостика связки, и зависит от параметров композиционного материала: размера частиц дисперсной фазы, объемного содержания дисперсной фазы, степени связи по поверхностям раздела, отношения модулей упругости фаз, различия в термическом расширении фаз. В нашем случае, когда диаметр зерна, его количество и модуль упругости заданы заранее, регулирование шихтового состава позволит наилучшим образом спроектировать абразивный инструмент, оптимизируя степень связи по поверхностям раздела, отношение модулей упругости фаз и различие в термическом расширении фаз. Оптимизация состава но минимальному размеру эквивалентного дефекта даст максимальное совпадение коэффициентов линейного расширения абразивного зерна и связки при обжиге

и, следовательно, будет предотвращена усадка абразивной композиции. Таким образом, появляется возможность оптимизации шихтового и химического состава керамической связки для любого содержания наполнителя при гарантированном получении высокопористого инструмента без усадки.

Для исследования влияния химического и шихтового состава на Е, у, в повторен план эксперимента, указанный в таблице 1. В каждой точке плана образцы в виде брусков изготавливались на одном и том же зерне 24А 16Н и с одним и тем же объемным содержанием зерна и связки: К3=0,5, Ксв=0,07. Такое объемное содержание зерна позволяет получить образцы без усадки независимо от состава и количества связки. Для определения энергии на образование новой поверхности использовался пескоструйный метод испытания абразивной композиции на твердость (ГОСТ 18118-79). Использование этого метода возможно потому, что при испытаниях происходит выкрашивание лунки определенной величины из образца фиксированной дозой кварцевого песка при постоянном давлении. Поэтому в каждом испытании имеем постоянную энергию, "закачиваемую" в процесс, а в зависимости от физико-механического состояния тела разную величину лунки, то есть затрачивается одна и та же энергия на образование разных поверхностей. Переход от глубины лунки к удельной работе, затрачиваемой на образование новой поверхности, осуществляется следующим образом:

''■¡т <7)

где А - работа, затрачиваемая пескоструйным аппаратом на образование новой поверхности, Дж; АБ(Нд) - разность площадей абразивных композиций до и после испытания, м"; Нд - глубина лунки, получаемая при испытаниях, мм.

В результате измерения слепков лунок различной высоты, получены формулы для вычисления изменения площади боковой поверхности лунки Д8(Нд) в зависимости от ее. глубины.

Д8(Нд) = Я-2: ¡=о

Л (27+<)

12 ■ 7Г

Нг=Нд-сЫ

(8)

1=0,1....,

Н

д

J

где Нд — действительная глубина лунки, мм; с!з - средний диаметр зерна, мм; 1 22л/4 - начальная площадь испытываемого образца.

Работа А пескоструйного аппарата, которая пошла на образование новой поверхности, определялась путем испытания материала с известной величиной удельной энергии. В качестве такого материала брали кварцевое стекло с удельной энергией на образование новой поверхности равной 1СГ3 Дж/см2, при

испытании которого на разных давлениях аппарата получены следующие глубины лунок: Р=0,5атм.- Нд=1,3мм; Р=1,5атм.- Нд=2,95мм. В соответствии с (7) можно записать удельную работу для стекла:

А 0,5 __ А1,5

1с АБСЬЗ) Д5(2,95) 1 '

Поскольку эксперимент по определению лунок на брусках проводился при давлении Р=0,5атм., то нас интересовало А0 5. Для ее нахождения необходимо вычислить Д8(1,3). Определение Д8(1,3) по формуле (9) не представляется возможным, пока не найден с13, по которому будет разбиваться интервал суммирования. С целью нахождения этого интервала необходимо было сначала определить соотношение поверхностей, получаемых при разном давлении пескоструйного аппарата на АИ с известными диаметрами зерна. В результате эксперимента определено, что это соотношение равно 2,11. Подбирая интервал суммирования таким образом, чтобы в формуле (9) получить это соотношение, найдено с13, равное 0,6 мм, которое равно диаметру кварцевого песка. Следовательно, А0>5 =ус • Д8(1,3)=2,304ТО~3 Дж, и формула (7) записывается следующим образом:

2,304 ■ 10~3

у=—--(10).

.Д8(Нд)

В каждой точке плана поведены испытания аппаратом на твердость и по усредненной глубине лунки, полученной после 10 испытаний, определена работа по формулам (10) и (8).

Для экспериментального определения модуля упругости композиции использовался акустический метод определения твердости по звуковому индексу. Бруски подвергались испытаниям с помощью прибора "Звук-107", к которому подключался частотомер 43-32. Модуль упругости определялся по формуле:

(П)

0,25 • а • Ь

где Г - резонансная частота, Гц; ш - масса бруска, кг; а,Ь, Ь - размеры бруска, м.

Прочность абразивной композиции определялась при испытании бруска по схеме четырехточечного изгиба, которая позволяет равномерно нагружать определенный объем образца как растягивающими, так и сжимающими нагрузками.

Предел прочности композиции определялся по следующему выражению:

(12)

ь-ь2

где С,, - предел прочности при четырехточечном изгибе, Па; Р - усилие, при котором происходит разрушение, Н; а - расстояние между верхними и нижними опорами бруска (плечо нагружения), м; Ь, Ь - геометрические размеры бруска, мм. В каждом рецепте плана испытанию подвергались по пять брусков. В

таблице 2 указана усредненное значение по пяти измерениям прочности разрушения бруска.

Таблица 2

Физико-механические характеристики исследуемых керамических композиций

Номер рецепта Усредненные значения физико-механических показателей

Е, ГПа " у, Дж/м2 Ои, МПа С, мкм

1 42,85 0,603 35,21 26,54

2 18,24 0,179 10,17 40,19

3 38,18 0,536 31,89 25,51

4 40,90 0,603 38,10 21,63

5 32,53 0,359 25,46 22,95

6 41,91 0,579 36,54 23,16

7 46,09 0,713 37,97 29,02

8 34,54 0,361 20,10 39,31

9 34,16 0,380 25,15 26,16

10 42,88 0,536 34,45 24,67

И 38,46 0,359 27,47 23,32

12 41,91 . 0,622 34,76 27,50

13 38,81 0,497 28,53 30,17

14 36,15 0,418 26,98 26,46

15 35,91 0,466 29,53 24,43

16 39,39 0,521 30,37 28,33

Определив значение удельной работы у, модуля упругости Е, прочности в, переходили к расчету эквивалентного дефекта инициирующего разрушение в композиции с (Табл. 2). Минимальный дефект получен на самом прочном образце и наоборот, максимальный - на самом слабом образце, что не противоречит физическому смыслу. Согласно принятой модели исследования, рассчитаны коэффициенты неполного кубического регрессионного уравнения (5) и сделана проверка па ее адекватность. Расчетный размер дефекта с имеет реальный физический смысл. Зерно укрепляется на поверхности несколькими мостиками связки, причем в каждом мостике при спекании образуются кристаллики, сочетание которых дает определенный, рассчитанный для каждого рецепта, размер начальной трещины. При шлифовании зерно нагружается импульсами силы большой частоты. Внесенный дефект, являясь инициатором разрушения, под действием силы резания, при достижении се критической величины, увеличивается со скоростью V, равной:

V« 0,6-1—, [м/с] (13)

V Р

где: р - плотность материала, кг/м3; ¡1 - постоянная Ламе, ц=Е/(2(1+у)); у - коэффициент Пуассона; Е - модуль упругости, Па. Чем больше модуль упругости, тем больше скорость распространения дефекта в мостике связки, тем

раньше зерно, закрепленное этим мостиком, удалится с поверхности АИ. Следовательно, будет меньше количество циклов при критической нагрузке, которое может выдержать система абразивное зерно - связка, и общая размерная стойкость АИ. Из этого следует, что при выборе шихтового состава необходимо назначать рецепт не только с минимальным дефектом, вносимом при изготовлении инструмента, но и с минимальным модулем упругости.

Анализ полученных данных, позволяет на каждом уровне наполнителя найти оптимальный состав связки и вычислить ее прочность по следующей формуле:

с1 р

(14>

(Ксв)3 (0,07)3

На рис.3 приведено графическое пояснение методики выбора оптимального состава шихты, на линиях равных значений эквивалентного дефекта нанесены линии модуля упругости для 25% наполнителя.

Линии равного значения эквивалентного дефекта и модуля упругости для 25%

наполнителя

0 5*

-

—■—1.

У»

ю го ю

Мо

пиукм

эквивалентный дефект

• модуль упругости

5. РЕЗУЛЬТАТЫ ВНЕДРЕНИЯ ВЫСОКОПОРИСТОГО ИНСТРУМЕНТА В ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ УСЛОВИЯХ Изготовлены с использованием разработанной керамической связки опытные круги типоразмера 1.500x25x203 трех рецептов при разном ее содержании и одинаковом содержании зерна (К=0,38, Ксв=0,055, 0,065 и 0,075). Такие структурные характеристики получены при расчете АИ с учетом прочности связки и режимов резания. Предварительно опытный АИ подвергался сравнительным испытаниям по физико-механическим показателям с отечественным (завод «Ильич») и импортным (фирма «Тиролит»). В результате установлено, что пористость опытных АИ практически совпадает с пористостью кругов фирмы "Тиролит" (при большем объемном содержании зерна), это можно объяснить тем, что модифицированная и рассчитанная связка, примененная при изготовлении, имеет большую прочность, следовательно, ее существенно меньше по объему. По сравнению с кругами завода "Ильич" пористость опытного АИ выше по той же самой причине. На Уфимском объединении на операции шлифования замка лопатки использовался импортный инструмент фирмы "Тиролит", а на Рыбинском объединении применялись круга завода "Ильич". Поэтому все испытания по определению работоспособности вновь разрабатываемого инструмента в первом случае велись по сравнению с импортным инструментом, а во втором - по сравнению с кругами завода "Ильич".

Оценка работоспособности производилась по следующим критериям: сила резания при шлифовании; геометрия профиля готовой лопатки; шероховатость обработанных поверхностей; величина наклепа в поверхностном слое после обработки; характер и величина остаточных напряжений. При шлифовании елочного профиля замка наиболее показательным параметром является не абсолютное значение силы резания, а ее разность между максимальным и минимальным значением. Анализируя данные, полученные в заводских условиях УМПО, необходимо сказать, что опытный инструмент ведет себя так же, как и импортный, с той лишь разницей, что приработка его, т.е. выход инструмента на стабильный режим, происходит уже на второй лопатке, тогда как импортный круг в такой режим входит лишь на третьей лопатке. Разность же в показаниях нагрузки между первой лопаткой и второй на обеих парах кругов практически одинакова. Совсем другие закономерности выявлены при шлифовании в условиях РМПО. Разность абсолютных значений токовых нагрузок существенно отличается у опытных кругов и у серийных. Опытный инструмент имеет разброс значений усилия шлифования меньше, практически, в два раза по сравнению с инструментом завода "Ильич". Это говорит о более низкой засаливаемости и более быстром выходе на стабильный режим резания опытных кругов.

Размеры профиля лопаток после обработки опытным и импортным АИ практически одинаковы (условия УМПО). Существенное различие полу-

ченных результатов по колебанию размера профиля, который характеризует стойкость АИ, получено в условиях РМПО, это объясняется совершенно разной работой кругов, что показали измерения силы резания. У опытного АИ колебания размера профиля между входом и выходом круга на первой лопатке равны 0,014 мм, уменьшаются на последней (четвертой) лопатке до 0,005 мм, а у серийного это колебание возрастает с 0,014 мм до 0,02 мм и находится на границе допуска. Опытные и серийные круги на первой лопатке прирабатываются, и из поверхностного слоя выпадают поврежденные при правке зерна. Однако такой режим у опытного АИ прекращается уже на первой лопатке и после этого инструмент работает в режиме экономного самозатачивания, и колебания размера по длине на последней лопатке в два, три раза ниже, чем1 на первой. Совершенно другие условия резания наблюдаются на кругах завода "Ильич". На последующих лопатках, происходит частичное «засаливание» его режущей поверхности. Частицы металла налипают на зерна, из-за этого увеличивается сила резания на зерне, происходит увеличение нагрузки на мостики связки, удерживающие зерно и, как следствие, наблюдается повышенный износ круга.

Существенных различий как по профилограммам, так и по другим параметрам микрогеометрии' поверхности между лопатками, обработанными разными кругами, в условиях УМПО (испытания импортного и опытного круга) и РМПО (испытания серийного и опытного АИ) не обнаружено.

В поверхностном слое всех образцов елочных замков наблюдается наклеп от 17 до 22%. Различие по глубине наклепа, полученное в условиях РМПО, может быть объяснено тем, что у опытных кругов температура в зоне резания несколько ниже, чем у кругов завода "Ильич" и поэтому величина наклепанного слоя там несколько ниже. Величина и характер остаточных напряжений в поверхностном слое, полученные при исследованиях в условиях РМПО, говорят о том, что на, опытных кругах различия между первой и четвертой лопатками меньше, чем на кругах завода «Ильич».

Следует также отметить, что все исследуемые параметры поверхностного слоя для всех лопаток находятся'в допуске и после обработки не забракована ни одна деталь.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ И ЕЕ РЕЗУЛЬТАТЫ.

1. В качестве входных данных для расчета структурных характеристик АИ следует принимать параметр шероховатости обработанной поверхности Ra, физико-механические характеристики обрабатываемого материала, производительность резания, скорость круга, размер и прочность абразивного зерна, прочность связки на изгиб.

2. Предложена кинематическая модель расчета оптимальных структурных характеристик АИ для глубинного шлифования, исходя из условия удаления зерна с критической площадкой износа с поверхности круга под действием силы резания и свободного размещения снимаемой стружки в поре.

3. Анализ системы уравнений для расчета оптимальных структурных характеристик АИ показал, что с уменьшением объемной доли зерна и увеличением прочности связки, потенциальная режущая способность круга возрастает, а с увеличением количества связки падает.

4. В работе доказано, что для каждого соотношения структурных характеристик АИ существует максимально допустимый уровень производительности, который может быть определен по предложенным в работе методикам.

5. Получены регрессионные уравнения влияния шихтового состава керамической связки на ее огнеупорность и растекаемость.

6. Разработана методика выбора оптимальной керамической связки для производства высокопористого АИ. Оптимизация керамической, связки по минимальной величине эквивалентного дефекта при минимальном модуле упругости, позволяет получать Инструмент со стабильными физико-механическими характеристиками.

7. Физико-механические характеристики опытного АИ существенно отличаются от характеристик как импортных, так и отечественных высокопористых кругов. Высокая прочность разработанной керамической связки позволяет получить большую пористость опытных кругов по сравненшо с отечественными и импортными (фирма «Тиролит»).

8. Изготовленный по разработанной методике АИ успешно прошел испытания на операциях глубинного шлифования замков жаропрочных лопаток в производственных условиях Рыбинского и Уфимского моторостроительных объединений.

9. Показатели качества изделий, обработанных опытными кругами, не уступают показателям, получаемым после обработки импортными кругами (фирмы «Тиролит»), и превосходят показатели качества деталей, обработанных аналогичными кругами отечественного производства.

10. Результаты совместных работ по внедрению опытного АИ в производство легли в основу ТУ, разработанного с Уфимским моторостроительным заводом. Инструмент внедрен в серийное производство на Челябинском абразивном заводе и успешно применяется в производственных условиях моторостроительного объединения для глубинного шлифования турбинных лопаток из жаропрочных материалов.

11. Экономический эффект от внедрения кругов на операциях глубинного шлифования Уфимского моторостроительного объединения, только за счет разницы в цене на импортный и опытный АИ, ежегодно составляет 151200 рублей.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Применение высокопористого абразивного инструмента в инструментальном производстве / В.И. Курдюков, Б.П. Кудряшов, A.A. Куль, А.Б. Переладов, A.A. Андреев // Наука - производству: Тез. докл. республ. научно-техн. конф. - Набережные Челны, 1990. - С 45-46.

2. Разработка абразивного инструмента повышенной стойкости для автоматизированного производства / В.И. Курдюков, Б.П. Кудряшов, А.Б. Переладов, A.A. Андреев // Проблемы создания и эксплуатации гибких автоматизированных производств: Тез.докл.республ.научно-техн.коиф.-Харьков, 1990.-С 25.

3. Методика расчета рецептуры высокопористого абразивного инструмента / В.И. Курдюков, Б.П. Кудряшов, А.Б. Переладов, A.A. Андреев // Состояние и перспективы развития технического и программного обеспечения механосборочных процессов:Тез.докл.научно-техн.конф.-Ижевск, 1991 -С 71.

4. Абразивный инструмент для глубинного шлифования замка турбинных лопаток / В.И. Курдюков, Б.П. Кудряшов, А.Б. Переладов, A.A. Андреев // Алмазно-абразивная обработка при изготовлении деталей машино- и приборостроения: Тез. докл. семинара. - М., 1993. - С 8-11.

5. Исследование статистико-вероятностных показателей рабочей поверхности абразивного круга с целью создания высокопроизводительного абразивного инструмента / В.И. Курдюков, А.Б. Переладов, A.A. Андреев, В.А. Логи-новский // Алмазно-абразивная обработка при изготовлении деталей машино- и приборостроения: Тез. докл. семинара. — М., 1993. - С 12-14.

6. Влияние однородности закрепления зерен абразивного инструмента на показатели процесса шлифования / В.И. Курдюков, Б.П. Кудряшов, A.A. Андреев // Повышение производительности и качества механообрабатывающего производства: Тез. докл. научно-техн. конф. — Евпатория, 1993. - С 35-36.

7. Расчет структурных характеристик абразивного инструмента / В.И. Курдюков, Б.П. Кудряшов, A.A. Куль, A.A. Андреев // Наукоемкие технологии в машиностроении и приборостроении: Тез. докл. российской научно-техн. конф. -Рыбинск, 1994. - С 103-104.

8. Опыт применения высокоструктурного абразивного инструмента на операциях глубинного шлифования / В.И. Курдюков, A.A. Андреев, В.Н. Божко // Наукоемкие технологии в машиностроении и приборостроении: Тез. докл. российской научно-техн. кЬнф. - Рыбинск, 1994. - С 92-93.

9. Разработка и внедрение специального высокоструктурного абразивного инструмента для глубинного шлифования замков глубинных лопаток / В.И. Курдюков, Б.П. Кудряшов, А.Б. Переладов, A.A. Андреев, В.Н. Божко, В.А. Ло-гиновский // Тез. докл. Региональной конференции молодых ученых Урала и Поволжья - Оренбург, 1994. Т.2. С 181-183.

10. Курдюков В.И., Кудряшов Б.П., Андреев A.A. Высокоэффективный абразивный инструмент для глубинного шлифования // Тракторы и сельхозмашины. - 1996. - №8. - С 37 - 38.

11. A.c. № 1607227 СССР, МКИ В24 Д 3/06. Масса для изготовления абразивного инструмента / A.A. Андреев и др. (СССР); Не опубл.

12. Патент № 2025258 РФ, МКИ В24 Д 3/06. Абразивный инструмент и способ его изготовления / В.И. Курдюков, Б.П. Кудряшов, И.Е. Петухов, В.Н. Иванов, А.Б. Переладов, А:А. Андреев (РФ); Опубл. 30.12.94. Бюл. № 24.

Андреев Андрей Анатольевич

ИНСТРУМЕНТАЛЬНОЕ ОСНАЩЕНИЕ ГЛУБИННОГО ШЛИФОВАНИЯ ЗАМКОВ ТУРБИННЫХ ЛОПАТОК

05.02.08 - "Технология машиностроения"

05.03.01 - "Процессы механической и

физико-технической обработки, станки и инструмент"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать .05.98. Формат 60*84 1/16 Бумага тип. Плоская печать. Усл. печ. л. 1,0. Уч. изд. л. 1,0 Заказ № Тираж 100 экз. Бесплатно

Издательско-полиграфический центр Курганского государственного университета, 640669, Курган, ул. Гоголя, 25. •

Курганский государственный университет, корпус Б. ротапринт, г. Курган, ул. Пролетарская, 62

РГ6

2 ^

Ой

На правах рукописи

Переладов Александр Борисович

"ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОПЕРАЦИЙ ШЛИФОВАНИЯ ПУТЕМ НАПРАВЛЕННОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ РАБОЧЕГО СЛОЯ АБРАЗИВНОГО ИНСТРУМЕНТА"

Специальность 05.02.08 -Технология машиностроения Специальность 05.03.01- Процессы механической и физико-

технической обработки, станки и инструменты

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Курган-1998

Работа выполнена в Курганском государственном университете

Научный руководитель - кандидат технических наук,

доцент Курдюков В.И.

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор Мирнов И.Я., кандидат технических наук, профессор Мосталыгин Г.П.

Ведущее предприятие - ОАО "Курганмашзавод",

г.Курган.

Защита состоится " 26 " июня 1998 г., в 1300 часов на заседании дис-

сертационного совета К064.18.01 в Курганском государственном университете по адресу: 640669, г. Курган, пл. Ленина, КГУ, ауд.А-308

Отзывы в одном экземпляре, заверенные гербовой печатью, просим направлять по адресу: 640669, г.Курган, ул.Гоголя,25. Ученому секретарю диссертационного совета К064.18.01.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета Автореферат разослан " 25 " мая 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат

технических наук, доцент

Силич А.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Повышение эффективности операции шлифования при обеспечении требуемого качества является одной из главных задач науки и практики в области абразивной обработки. Основными путями ее решения являются: назначение оптимальной производительности процесса шлифования для конкретных условий осуществления операции; подбор абразивного инструмента с характеристиками, обеспечивающими снижение времени затрачиваемого на правку круга, расхода инструмента и средств правки, основного времени обработки. Этого можно достичь, обеспечив работу абразивного инструмента в режиме экономного самозатачивания, в процессе которого рабочая поверхность инструмента самопроизвольно восстанавливает свою режущую способность. Существующие методики назначения оптимальных режимов шлифования и характеристик абразивного инструмента в большинстве своем не позволяют достаточно обоснованно сделать необходимые расчеты. Как показал анализ предыдущих исследований такие вопросы, как строение рабочего слоя, связь его параметров с характеристиками инструмента, кинематические аспекты взаимодействия круга с обрабатываемой поверхностью детали, прочность удержания режущих зерен на рабочей поверхности, а так же связи между элементами системы операции шлифования нуждаются в углубленном изучении. В результате можно будет получить методику численного расчета параметров режимов шлифования и характеристик абразивного инструмента с учетом свойств обрабатываемого материала, условий обработки и имеющихся ограничений, позволяющую повысить эффективность операции шлифования в целом.

Поэтому разработка"научно-обоснованных рекомендаций по выбору характеристик абразивного инструмента и режимов обработки является актуальной задачей.

Цель работы. Повышение производительности операции шлифования путем направленного изменения характеристик поверхностного слоя абразивного инструмента и режимов обработки.

Поставленная цель достигалась решением следующих задач:

1. Установление зависимости между характеристиками рабочего слоя абразивного инструмента и параметрами его структуры.

2. Исследование кинематики взаимодействия рабочего слоя абразивного круга с обрабатываемой поверхностью детали.

3. Разработка эффективного способа направленного изменения структурных характеристик инструмента в процессе его изготовления.

4. Разработка методики назначения режимов, обеспечивающих максимальный уровень производительности операции шлифования с учетом характеристик абразивного круга и условий обработки.

Научная новизна.

1. Получена зависимость изменения плотности распределения режущих зерен на рабочей поверхности круга от его зернистости и номера структуры.

2. С применением ЭВМ разработана вероятностная модель строения рабочего слоя абразивного инструмента.

3. На основе результатов компьютерного моделирования кинематики взаимодействия рабочего слоя круга с обрабатываемой поверхностью детали получена зависимость средней площади срезаемой зерном стружки и параметра шероховатости обработанной поверхности от режимов шлифования и характеристик абразивного инструмента.

4. В рамках создания высокопроизводительного абразивного инструмента осуществлены исследования двухкомпонентной дисперсной системы абразивное зерно - наполнитель, в результате которых получены формулы для расчета необходимого объема наполнителя сферической формы и размеров его частиц для изготовления кругов заданных структур.

Практическая ценность. Создана установка и методика для исследования параметров рабочего слоя абразивного круга. Разработаны рекомендации по применению наполнителя для изготовления абразивных инструментов заданных структурных характеристик. С использованием полученных зависимостей предложены: методика расчета оптимального уровня интенсивности съема припуска на операции шлифования и методика расчета характеристик абразивного круга, исходя из достижения требуемого уровня производительности шлифования и шероховатости обработанной поверхности детали. Составлена программа для расчета оптимальных режимов шлифования и характеристик абразивного инструмента с учетом свойств обрабатываемого материала и требуемого уровня шероховатости поверхности детали.

Реализация результатов работы. Разработанная методика расчета оптимальных режимов обработки и характеристик абразивного инструмента в условиях производства ГЗ "Ижмаш" позволила получить годовой экономический эффект в размере 13845,747 тыс. рублей в ценах 1993 года. Внедрена технология изготовления абразивного инструмента 8-11 структур в условиях Косулинского абразивного завода. Годовой экономический эффект составил 5.065,732 тыс. рублей в ценах 1993 года.

Основные результаты диссертации, выносимые па защиту.

1. Установка, методика и результаты исследования характеристик рабочего слоя абразивного инструмента и кинематических параметров его взаимодействия с деталью.

2. Статистико-вероятностная модель прочности удержания зерна на рабочей поверхности абразивного круга

3. Математическая модель дисперсной системы абразивное зерно -наполнитель на стадии смешивания и спекания.

4. Методика расчета оптимальных уровня производительности и характеристик абразивного инструмента, обеспечивающих высокую эффективность процесса шлифования.

Апробация работы,- Основные положения диссертационной работы были доложены и обсуждены на научно-практических конференциях "Повышение эффективности процесса шлифования путем оптимизации

структуры абразивного инструмента" (г.Н.Челны, 1989), "Пути повышения эффективности использования оборудования с ЧПУ" (г.Оренбург, 1989 г.), республиканской конференции "Совершенствование технологических процессов изготовления деталей машин" (г.Курган, 1991 г.), республиканской конференции "Технологические методы повышения эффективности и качества механосборочного производства" (г.Домбай, 1992 г.), международной конференции "Повышение эффективности и качества механообрабатываю-щего производства" (г.Евпатория, 1993г.), научно-техническом совете ДОАО " Ижевский инструментальный завод", ГЗ "Ижмаш", (г.Ижевск, 1998 г.), объединенном заседании кафедр "Технология машиностроения" и "Металлорежущие станки и инструмент" Курганского государственного университета в 1998 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ, получено авторское свидетельство и патент РФ.

Объем работы. Диссертация изложена на 110 страницах машинописного текста, содержит 53 рисунка, 11 таблиц, 9 приложений, состоит из введения, пяти глав, выводов и списка литературы из 98 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Обоснована актуальность темы диссертационной работы по повышению эффективности операции шлифования, изложены цель работы и основные результаты исследований.

В первой главе на основе патентно-информационного обзора и анализа ситуации, сложившейся в механообрабатывающих производствах, сделан вывод о необходимости изыскания резервов для увеличения производительности операции шлифования, стойкости абразивного инструмента, снижения его расхода при достижении требуемых параметров качества шлифованной поверхности. Анализ структуры штучного времени (1,:гг) на операциях шлифования в условиях мелкосерийного и крупносерийного производства показал, что основным резервом повышения производительности операции является сокращение основного времени обработки, временных затрат, связанных с правкой круга и последующей подналадкой станка , которые занимают'48,5...65,5% от 1ПГТ.

Добиться этого можно двумя путями: во-первых, назначением оптимального уровня производительности шлифования с учетом характеристик применяемого абразивного инструмента и обрабатываемого материала при обеспечении требуемых параметров качества шлифованной поверхности; во-вторых, подбором оптимальных структурных характеристик абразивного круга для заданных условий шлифования (производительность, СОТС, тип оборудования и т.д.). При этом в обоих случаях критерием оптимизации является надежное обеспечение работы круга в режиме экономного самозатачивания. Однако, практическое решение этой задачи осложняется тем, что отсутствуют достаточно обоснованные методики численного расчета уровня производительности и режимов обработки, что в значительной мере объ-

ясняется трудностью получения достоверных исходных данных для опреде-" ления выходных параметров процесса шлифования.

С применением принципов системного подхода определены подсистемы процесса шлифования, требующие углубленного исследования: производительность (режимы шлифования), абразивный круг, зона контакта круга с обрабатываемой деталью, а так же связи между частями объекта, возникающие при его функционировании. Изучены результаты работ, посвященных исследованию характеристик рабочего слоя абразивного инструмента и их связей с внутренним строением его структуры, параметров кинематического взаимодействия режущих элементов рабочего слоя с обрабатываемой поверхностью детали; связей характеристик круга, режимов шлифования и геометрических параметров качества шлифованной поверхности.

В работах, посвященных совершенствованию абразивного инструмента, отмечается, что обоснованное применение кругов высоких структур позволяет повысить производительность обработки, снизить температуру в зоне резания, особенно при шлифовании труднообрабатываемых сплавов. Такие круги, как правило, изготавливаются с применением дополнительного структурного элемента, роль которого играют различные дисперсные наполнители. Наиболее перспективным для использования в кругах на керамической связке является полый сферический наполнитель, материал частиц которого наиболее близок по своим свойствам и химическому составу к материалу применяемой связки. Там же показано, что: отсутствуют обоснованные методики расчета параметров наполнителя для получения кругов необходимой структуры; требует уточнения область возможного применения выбранного наполнителя.

На основе литературного обзора сделаны выводы, сформулированы цель и задачи исследования.

Вторая глава посвящена исследованию наиболее значимых факторов, влияющих на производительность и качество шлифования, таких характеристик рабочего слоя инструмента, как плотность расположения вершин абразивных зерен на рабочей поверхности круга, закона изменения плотности их распределения по глубине рабочего слоя, а так же следующих параметров кинематического взаимодействия круга с обрабатываемой поверхностью детали: площади поперечного сечения стружки, срезаемой одним зерном, числа режущих зерен, зависимости параметра Иа шероховатости шлифованной поверхности от режимов обработки и характеристик рабочего слоя инструмента. Трудности изучения перечисленных аспектов связаны прежде всего с неоднородностью строения абразивного пространства, стохастической природой процесса шлифования, его скоротечностью, невозможностью, в ряде случаев, осуществить прямые измерения параметров, необходимостью переработки значительного объема информации для получения реальной статистической картины, использованием определенных допущений при моделировании и т.д. Все это предопределило появление большого числа методик исследований и значительный разброс полученных с их использованием результатов. Следовательно, можно сделать вывод о

необходимости углубленного изучения процесса шлифования г условиях, максимально приближенным к реальным.

С этой целью на первом этапе исследований была разработана экспериментальная установка (рис.1) и методика исследований плотности распределения вершин абразивных зерен на рабочей поверхности круга в зависимости от глубины рабочего слоя h и характеристик абразивного круга.

Эксперимент заключался в следующем. Предварительно подготовленная металлическая лента (сталь У8, HRC 55) шириной 20 мм, толщиной 0,2 мм, длиной 1600 мм натягивалась на шкивы и опорную поверхность длиной "С" и приводилась в движение с помощью электродвигателя постоянного тока со скоростью Посредством продольной подачи (У„) стола станка лента вступала в контакт с вращающимся встречно абразивным кругом. При этом обеспечивалась требуемая глубина врезания вершин зерен в ленту t < 10 мкм. Реальная скорость резания достигалась путем выполнения следующих условий: VKp + = 30+60 м/с, VKp = V„. Условие Vcm > с- F//, обеспечивало отсутствие повторной обработки участков ленты. Затем замерялись длины следов, оставленные зернами на ленте и рассчитывались глубины их врезания с учетом кинематики взаимодействия круга и ленты. На основании экспериментальных данных получен закон изменения плотности N распределения вершин зерен на рабочей поверхности для абразивных кругов зернистостей 16+40, номеров структуры: 6+12.

^8168,3-/^.^ (1)

d3

где К3 - объемная доля материала зерен;

(I, - диаметр абразивных зерен.

Глубина исследуемого слоя для кругов зернистостей 16, 25, 40 составляла 6,8; 8,0; 9,4 мкм соответственно. Графики зависимости N от h для кругов различных характеристик изображены на рис.2.

Полученная зависимость использовалась при создании вероятностной графической модели рельефа рабочей поверхности абразивного круга, учитывающей стохастическую природу распределения зерен в абразивном пространстве. В основу создания модели был положен метод случайных чисел (метод Монте-Карло), нашедший широкое применение при изучении случайных процессов. Моделирование осуществлялось на ЭВМ при помощи специально разработанной программы и заключалось в следующем. Задавался участок площадью S = .1х х 1у рабочей поверхности круга с конкретными номером зернистости и структуры, глубиной h. Общее число зерен, находящихся в этом объеме подсчитывалось по формуле (1), а положение каждого из них задавалось тремя независимыми случайными величинами: = l/tpib l'yi = ly'flbi; h',- = й-срз!, где cpj;, (p2i, cp3i - случайные числа, (0 < ср < 1). Причем, плотность вероятности распределения значений Ь'ы соответствовала полученному закону изменения N=î(h). Моделирование рабочей поверхности круга осуществлено на ЭВМ при помощи специально разработанной

^ь-гч-тг-лмллритяттъ.иясг vPTCmrmvîi

/ - Qfiacr^uJ/s&u'/cpi/r

2 - Ш£>/>мая /lOiftpxHccró

3 - лента

4 - éfeóty/yuc/ ¿//KuS

5- Э/>.

6 - г/ncs/ ¿Уяама

7 - <f<2¿?OM¿/cS¿¿/л i-/<j

Рис.1

Графики зависимости N от h

'/ммг

to

О

Ш \/ у/

yv' ^ 4о//

0

¿?¿>Ú25

0,Û05Ô

Û,Û£>/S t

C/Vpi/A/Vypc? /2 ¿¡pe^ fœtfsé.

программы, результатом работы которой является массив координат вершин зерен и их графическое изображение (рис.3).

На базе вероятностной графической модели была создана компьютерная кинематическая модель взаимодействия абразивного круга с деталью, позволяющая определять среднюю площадь поперечного сечения стружки, срезаемой отдельным зерном Srpi с учетом перекрытия зерен друг другом. Исходными данными для моделирования служат: зернистость, объемная доля зерен в круге, его диаметр DKp, рабочая скорость круга VKp, продольная подача детали Vd, глубина шлифования t, геометрические параметры вершин зерен. Статистическая обработка, полученных в результате моделирования изображений площадей среза Scp (рис.4), для различных режимов шлифования позволила получить формулы для расчета значений Sc :

_ (340,9+ 6405бГ)-^2 К"'1- 10б '

где у - комплексный параметр, характеризующий режим работы режущих

2-Vd.jD~t зерен (у = arctg— -).

к р к р

Графики зависимости (2) изображены на рис.5.

Разработана кинематическая модель взаимодействия круга с поверхностью обработки, позволяющая получить графические изображения поперечных сечений микропрофилей шлифованной поверхности при различных режимах работы круга, в зависимости от характеристик его рабочего слоя (рис.6). Статистическая обработка замеров отклонений вершин и впадин Yj от средней линии т в сечении микропрофилей позволила получить выражение для расчета параметра Ra шероховатости в зависимости от режимов шлифования и характеристик круга: 0,018 -d, ■VЛ0,39

R = —---—---(31

а ТГ 0,33 п0,20 т/-0,39 ' v'

'DKp ~Vк р

В третьей главе сделан теоретический расчет прочности удержания зерна на рабочей поверхности круга, В ходе предварительных исследований было экспериментально определено средневероятное число мостиков связки N„, удерживающих зерна на поверхности круга в зависимости от К3. Было выявлено, что число N„ может принимать значения 2, 3, 4,5 и является половиной значения NK - координационного числа для абразивных зерен, находящихся В1гутри матрицы круга. В результате получена зависимость среднего значения Nп от К,.: iV;l=3,85-A-30'235

и определена вероятность того или иного значения N„ для разных К,.

С учетом проведенных исследований, разработано 4 вида объемных геометрических моделей (рис.7) закрепления зерен на рабочей поверхности круга и получены формулы для расчета средних диаметров d с мостиков и

Вероятностная графическая модель рабочей поверхности абразивного круга

т У

Рис.3

Максимальные площади поперечного сечения срезаемых стружек £ср (круг 1.250x20x76 14А40Н, ^=36 м/с, 0,3 м/с, /=0,04 мм, /4=0,48)

Графики зависимости 5С рот у0

—— С/Я/Х/Хлщоег 3 —• С/прух/?/2

Рис.5

Изображение профиля' сечения поверхности детали после обработки (круг 1.250x20x76 14А40Н, Укр=36 м/с, ^=0,2 м/с, ¿,=0,4 мм)

/7? Деталь АмАА 1

л щ ЛП

0,5мм

круга и получены формулы для расчета средних диаметров с1 с( мостиков и площади их поперечного сечения 5 :

¿с .= 0,846Ксв

Бс = 0,179 -¿^ Кс е

к]-2гъ'

ч 2/3

с в "з | „1,235

Для определения характера и величины напряжений в сечениях мостиков связки задавалось элементарное перемещение в направлении предполагаемого действия силы резания Ррез на зерно, определялись величина и направление реакций в сечениях мостиков от перемещения, выделялся наиболее нагруженный мостик связки и по нему рассчитывалось максимально допустимая нагрузка, величина которой и принималась за прочность удержания зерна на рабочей поверхности круга Руд. Для расчета Руд разработана программа, учитывающая случайные положения вектора силы резания, действующей ла зерно, вероятность того или иного значения М„.

Получена зависимость среднего значения Р д от прочности связки, Ксв, К3, с13\

\ о,б

2,05сгг

р

-Ч^е-' (4)

Кз

где асж - прочность материала связки при сжатии; ар - прочность материала связки при растяжении.

В четвертой главе, в рамках совершенствования способа получения инструмента со структурными характеристиками, изменяющимися в широком диапазоне, была исследована дисперсная система абразивное зерно -наполнитель. Цель исследований - создание методики определения необходимого объема наполнителя для получения кругов требуемой структуры. Для этого был спланирован и проведен эксперимент, позволивший определить изменение степени заполнения объема смесью из абразивных зерен и частиц полого сферического наполнителя в зависимости от соотношения их объемов и размеров частиц с1„ с1„. Была построена номограмма (рис.8) для определения необходимого объемного содержания наполнителя /(„, обеспечивающего равномерное распределение заданного количества зерен в объеме круга с учетом соотношения с1„/ с1н., и разработана программа для его расчета на ЭВМ.

Для изучения поведения дисперсной гомогенной системы абразивное зерно - связка - наполнитель при спекании круга, а именно, степени ее усадки ДК в зависимости от соотношения объемов, составляющих ее компонентов, был проведен эксперимент и получены зависимости ДК для кругов зер-

Геометрические модели закрепления зерен

Номограмма для определения минимально необходимого объема наполнителя

0,4

к, 45

92.

о,/

о

о/з <?,5-

нистостей 16, 25, 40:

ЛА";б=-8,2Хг10,0Х2+0,ЗХ3-4,9Х1Хз+2,ЗХ2Хз+41,7Х1Х2Хз,

ДКгу= -6,ЗХ]-9,9Х2-0,6Хз+1,1X1X2+2,6Х)Х3-1,4X2X3-3,6X1X2X3,

ДК4<г -7,5ХГ11,ЗХ2-0,4Хз+2,0Х1Х2+6,1Х1Хз-1,7Х1Хз--1,7X2X3+1,2X1X2X3, где Хь Х2, Хз - объемная доля связки, пор и зерен в круге соответственно.

Эксперимент показал возможность изготовления абразивных кругов, в том числе высоких номеров структур (до номера 11) с применением исследуемого наполнителя.

В пятой главе, на основе полученных в ходе исследований результатов, представлена методика расчета для кругов заданных характеристик оптимального уровня производительности Q шлифования, при котором обеспечивается: надежная работа круга в режиме экономного самозатачивания; снижение числа правок инструмента, его расхода, времени выполнения операции в целом; требуемая шероховатость обработанной поверхности детали. Решена и обратная задача: расчет параметров структуры абразивного круга, исходя из обеспечения необходимой производительности операции шлифования и уровня шероховатости шлифованной поверхности с учетом свойств обрабатываемого материала. Режим экономного самозатачивания абразивного инструмента для операций чистового и получистового шлифования различных материалов, особенно в условиях автоматизированного производства является наиболее приемлемым, так как позволяет обеспечить стабильные выходные параметры операции за счет постоянного восстановления режущих свойств рабочей поверхности инструмента: изношенные зерна под действием возросших сил резания удаляются, в работу вступают новые, еще незатупленные зерна. Отсюда следует, что условием обеспечения самозатачивания круга будет равенство значений силы резания Рре„ действующей на зерно, имеющее критическую площадку износа и силы Р}„, удерживающей зерно на рабочей поверхности инструмента:

Рре1 ( 5 )

Уровень силы Рра определяется как производительностью (режимами) обработки, так и характеристиками абразивного круга. Поэтому существует их оптимальное сочета1ше, которое необходимо обеспечить при проектировании операции шлифования. При определении оптимального уровня производительности шлифования по предлагаемой методике в качестве исходных данных используются следующие факторы и ограничения процесса: типоразмер, номер зернистости, степень твердости (объемное содержание связки) абразивного круга; предельный размер площадки износа й, зерна, физико-механические характеристики обрабатываемого материала, требуемый уровень параметра шероховатости Яа поверхности детали после обра-

ботки, характеристики применяемого шлифовального оборудования. На первом этапе рассчитывается средняя прочность удержания зерна Руд

(формула 4). Затем с учетом свойств обрабатываемого материала и размера h3 по известным формулам для расчета сил резания на зерне, функционально связанным с площадью поперечного сечения стружки Scp, по условию (5) рассчитывается допустимая средняя площадь среза S и, из выражения (2),

параметр у°. По заданному значению параметра шероховатости Ra из выражения (3) можно определить Vd:

и рассчитать глубину шлифования t:

t {tgy0)2-У? р-Ркр 4-Fd2

Диаметр круга DKp и его рабочая скорость назначаются обычно исходя из конструктивных характеристик станка. В случае, если величина поперечной подачи S„ меньше высоты круга Н, тогда в соответствии с рекомендациями Маслова E.H. значения параметра Ra для подстановки в формулу (6) будет равно:

R (8)

—-I

0,75S"

где R '„- заданное значение параметра Ra.

Поперечная подача S„ назначается в соответствии с имеющимися данными в справочной литературе.

Общий уровень производительности операции О: Q=VäS„t (9)

Расчет оптимальных параметров структуры круга по заданному уровню производительности шлифования осуществляется в следующем порядке: исходя из требований к операции предварительно назначаются типоразмер, структура круга и номер его зернистости. Затем, с учетом заданных режимов обработки (в соответствии с технологическим процессом) по формуле (3) рассчитывается параметр шероховатости Ra Если он превышает требуемое значение, то необходима корректировка зернистости круга, его структуры, режимов обработки (уменьшение Уа при одновременном увеличении t, либо SnH т.д.); по выражению (2) определяется величина S ср , силы

резания на зерне Р реч с учетом h, и характеристик обрабатываемого материала. Из формулы (4) определяется требуемое значение Ксе, удовлетворяющее условию Руд=Рре}.

Последовательность расчета оптимальных уровня производительности и параметров структуры абразивного круга приведены на рис.9.

Схема расчета оптимального уровня производительности и параметров структуры абразивного круга

¿Расчет-

с/лус^с/оя " №

/О^уею К/

Расче/п 0/7/лим<ао?б№Го

тшюралне/! ¿/>у/г>,

¡оахпы /а ешге Мег/^х/егла, /

¿в уСу/ое?с,'я -"//.У

Расчет оптимальных уровня производительности (режимов) шлифования и характеристик кругов реализован в виде прикладной программы, которая может быть использована при создании САПР шлифовальных операций. Проведены лабораторные и производственные испытания абразивного инструмента различных структур на режимах шлифования рассчитанных с использованием разработанной методики.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования, результаты лабораторных и промышленных испытаний позволяют сделать следующие выводы:

1. Производительность операции шлифования и ее экономическая эффективность определяются характеристиками применяемого абразивного инструмента и оптимальными режимами обработки.

2. Характеристики структуры абразивного инструмента (объемное содержание зерна, связки, номер зернистости) напрямую определяют параметры его рабочего слоя: плотность вершин зерен, характер ее изменения по высоте, прочность удержания режущих зерен. Установлены математические зависимости параметров структуры инструмента с параметрами его рабочей поверхности.

3. Исследована кинематика взаимодействия режущих элементов рабочего слоя абразивного круга с поверхностью обрабатываемой детали с учетом характеристик абразивного круга и режимов шлифования. Установлена математическая зависимость изменения размера сечения срезаемой стружки - параметра, в значительной мере, определяющего выходные показатели процесса шлифования. Получена формула для расчета параметра шероховатости поверхности детали после шлифования, учитывающая типоразмер и характеристики круга, режимы обработки.

4. Для повышения эффективности процесса шлифования, особенно труднообрабатываемых сталей, обоснованными является применение высокоструктурного абразивного инструмента. В связи с этим были проведены необходимые исследования по оптимизации характеристик и объема наполнителя, необходимых для получения кругов с требуемым номером структуры, позволившие вывести формулу для расчета диаметра частиц такого наполнителя и необходимого его объема при изготовлении кругов. Отработана технология изготовления абразивного инструмента с применением наполнителя.

5. На основе полученных экспериментально-теоретических зависимостей разработаны методики расчета оптимального уровня производительности процесса шлифования и режимов обработки с учетом характеристик имеющегося абразивного круга, позволяющих со-

кратить штучное время при обработке детали на операции за счет увеличения режимов обработки и снижения количества правок кругов, а так же методика расчета структурных характеристик круга с учетом требуемых производительности, режимов шлифования, необходимого уровня шероховатости Ra обработанной поверхности детали.

6. Проведенные лабораторные и промышленные испытания абразивного инструмента на режимах шлифования, рассчитанных с использованием разработанной методики, подтвердили ее эффективность.

7. Предложена методика расчета уровня производительности и характеристик абразивных кругов позволило в производственных условиях ДОАО "Ижевский инструментальный завод" (ГЗ "Ижмаш") на операциях заточки и шлифовки концевого лезвийного инструмента снизить расход абразивных кругов на 30%, повысить их стойкость между правками на 50%. Результаты исследований применяются в учебном процессе при подготовке инженеров по специальности 120100.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1 .Курдюков В.И., Кудряшов Б.П., Переладов А.Б. Опыт применения высокопористого абразивного инструмента //Пути повышения эффективности использования оборудования с ЧПУ: Тез.докл.научно-практ.конф. - Оренбург, 1989.-С.68.

2. Курдюков В.И., Кудряшов Б.П., Переладов А.Б. Повышение эффективности процесса шлифования путем оптимизации структуры абразивного инструмента //Наука - производству: Тез.докл.республ. научно-техн.конф.- КамАз-КамПИ, 1990.-С.315.

3. Курдюков В.И., Кудряшов Б.П., Переладов А.Б., Иванов В.Н., Куль A.A., Андреев A.A. Применение высокопористого абразивного инструмента в инструментальном производстве // Наука - производству: Тез.докл.республ. научно-техн.конф,- КамАз-КамПИ, 1990.С.45-46.

4. Курдюков В.И., Кудряшов Б.П., Переладов А.Б., Андреев A.A. Разработка абразивного инструмента повышенной стойкости для ав-томатизированого производства //Проблемы создания и эксплуатации гибких автоматизированных производств: Тез.докл. республ. научно-техн.конф.-Харьков, 1990.-С.25.

5. Курдюков В.И., Кудряшов Б.П., Переладов А.Б., Куль A.A. Оптимизация физико-механических параметров высокоструктурного абразивного инструмента для достижения максимальной производительности шлифования //Состояние и перспективы развития технического и программного обеспечения механосборочных процессов: Тез.докл. научно-техн.конф,- Ижевск, 1991.С.24.

6. Курдюков В.И., Кудряшов Б.П., Переладов А.Б., Андреев A.A. Методика расчета рецептуры высоко структур но го абразивного инст-

румента // Состояние и перспективы развития технического и программного обеспечения механосборочных процессов: Тез.докл. науч-но-техн.конф.- Ижевск, 1991.-С.71.

7. Курдюков В.И., Переладов А.Б., Логиновский В.А. повышение эффективности процессов шлифования путем оптимизации стати-стико-вероятностных показателей состояния рабочей поверхности абразивного круга //Технологические методы повышения эффективности и качества механосборочных операций: Тез.докл. научно-техн.конф.- Домбай, 1992.-С.29-30.

8. Курдюков В.И., Кудряшов Б.П., Переладов А.Б., Андреев A.A. Абразивный инструмент для глубинного шлифования замка турбинных лопаток //Алмазно-абразивная обработка при изготовлении деталей машино- и приборостроения: Тез.докл.на семинаре.- Москва,

1993.-С.8-11.

9. Курдюков В.И., Переладов А.Б., Логиновский В.А., Андреев A.A. Исследование статистико-вероятностных показателей состояния рабочей поверхности абразивного круга с целью создания высокопроизводительного абразивного инструмента // Алмазно-абразивная обработка при изготовлении деталей машино- и приборостроения: Тез.докл.на семинаре.- Москва, 1993.-С.12-14.

10. Курдюков В.И., Кудряшов Б.П., Переладов А.Б. Комплексный подход к решению задачи создания абразивного инструмента на керамической связке с оптимальной структурой //Повышение производительности и качества механообрабатывающего производства: Тез.докл.научно-техн.конф- Евпатория, 1993.C.33-35.

11. Курдюков В.И., Кудряшов Б.П., Переладов А.Б., Андреев A.A., Божко В.Н., Логиновский В.А. Разработка и внедрение специального высокоструктурного абразивного инструмента для глубинного шлифования замков турбинпьгх лопаток: Тезисы докладов региональной конференции молодых ученых Урала и Поволжья, Оренбург,

1994.С.223-225.

12. Абразивный инструмент и способ его изготовления //Патент № 2025258, опубл. 30.12.94: Бгол. №24.

13.Масса для изготовления абразивного инструмента. A.c. №1607227 от 15.07.90 г. Заявка № 4679345 от 18.04.89 г.

Подписано в печать 19.05.9$.

Формат 60x90 1/16 Печ.л.1,0 Тираж 100 экз Заказ №.

Издательство Курганского'государственного университета, 640669, г.Курган, ул.Гоголя,25. Курганский государственный университет