автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Обеспечение качества поверхностей тонкостенных пластин путем абразивной доводки и электрохимико-механического полирования

На правах рукописи

ЗИНКИН Сергей Владимирович

ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТЕЙ ТОНКОСТЕННЫХ ПЛАСТИН ПУТЕМ АБРАЗИВНОЙ ДОВОДКИ И ЭЛЕКТРОХИМИКО-МЕХАНИЧЕСКОГО ПОЛИРОВАНИЯ

Специальности: 05.02.08 - Технология машиностроения; 05.02.07 - Технология и оборудование механической и физико-технической обработки

2 6 ДПР 2012

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ПЕНЗА-2012

005017930

005017930

Работа выполнена в ООО «СИРИУС-2000», ООО «РИНТОР» и ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет».

Научные руководители: доктор технических наук, профессор

СКРЯБИН Владимир Александрович; кандидат технических наук, доцент ЗВЕРОВЩИКОВ Александр Евгеньевич

Официальные оппоненты: СЕЙНОВ Сергей Владимирович,

доктор технических наук, профессор, научно-производственное объединение «ГАКС АРМСЕРВИС», президент; ДОНЦОВА Марина Владимировна, кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Пензенская государственная технологическая академия»

Ведущая организация - ОАО НПП «Рубин», г. Пенза

Защита состоится 11 мая 2012 г., в 14 часов, на заседании диссертационного совета Д 212.186.03 ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет» по адресу: 440026, г.Пенза, ул. Красная, 40.

С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет».

Автореферат разослан « № » апреля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Воячек Игорь Иванович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В современных условиях развития промышленного производства одной из ведущих задач является обеспечение качества изделий на основе внедрения перспективных технологий механической обработки деталей. Качество изготовления деталей невозможно повысить без совершенствования финишных операций абразивной обработки.

Для обеспечения высокого качества поверхностей изделий используют различные технологические методы финишной абразивной обработки, такие как шлифование, суперфиниширование, абразивная доводка и др.

Однако, несмотря на разнообразие вышеуказанных методов, проблемный характер носит финишная обработка тонкостенных легкоде-формируемых ответственных деталей типа пластин с соотношением толщины и диаметра (hid ~ 0,05), к которым предъявляется комплекс повышенных требований к шероховатости, отклонениям формы и расположения, а также к физико-механическим характеристикам.

Применение традиционных методов финишной абразивной обработки во многих случаях не обеспечивает заданный комплекс параметров. Особенно затруднен процесс обработки, когда материалом пластин являются труднообрабатываемые сплавы. Абразивная доводка незакрепленным шлифовальным материалом позволяет обеспечить достаточно высокие требования к качеству поверхностей деталей, однако технологические возможности данной обработки в полной мере не использованы. Поэтому задача совершенствования технологии финишной обработки поверхностей деталей типа тонкостенных пластин с целью стабильного получения их качественных характеристик является актуальной.

Цель работы — обеспечение качества обработки поверхностей тонкостенных пластин абразивной доводкой путем управления траекторией относительного движения пластин и притира и последующего электрохимико-механического полирования.

В соответствии с поставленной целью сформулированы следующие задачи:

- теоретически и экспериментально исследовать влияние технологических режимов и условий абразивной доводки пластин при сложном относительном движении деталей и притира на производительность процесса и шероховатость обрабатываемых поверхностей;

- разработать методику определения рациональных режимов и условий обработки поверхностей тонкостенных пластин по предлагаемой технологии;

- исследовать влияние технологических режимов и условий процесса электрохимико-механического полирования на снижение шероховатости обрабатываемой поверхности после абразивной доводки;

- разработать научно обоснованные практические рекомендации по выбору рациональных технологических режимов и условий обработки тонкостенных пластин;

- разработать принципы и осуществить модернизацию оборудования для реализации предлагаемой технологии.

Объект исследования - процесс финишной обработки тонкостенных пластин, состоящий из операций абразивной доводки и электрохимико-механического полирования.

Предмет исследования - технологические параметры и условия процессов абразивной доводки и электрохимико-механического полирования, обеспечивающие комплекс заданных требований к поверхностям тонкостенных пластин.

Методы исследований. Теоретические исследования проводились на базе основных положений технологии машиностроения, теории шлифования, теории электрохимической обработки, теоретической механики, теории упругости и пластичности, молекулярной физики граничного трения, теории вероятностей и математической статистики.

Экспериментальные исследования проводились по стандартным методикам в производственных и лабораторных условиях с использованием аттестованной контрольно-измерительной аппаратуры. Полученные данные обрабатывались с помощью средств вычислительной техники и представлялись в виде эмпирических зависимостей, удобных для практического применения.

Научная новизна работы состоит в следующем:

по специальности 05.02.08:

- получены математические зависимости для расчета кинематических параметров и параметров контактного взаимодействия абразивных частиц с обрабатываемыми поверхностями пластин, позволяющие определять рациональные значения соотношения скоростей движения пластин и притира;

- получены эмпирические зависимости, устанавливающие взаимосвязь технологических факторов с получаемыми параметрами шероховатости поверхности и производительностью абразивной доводки;

по специальности 05.02.07:

- предложены зависимости для определения рациональных режимных параметров электрохимико-механического полирования поверхностей после абразивной доводки;

- разработаны принципы модернизации оборудования для реализации предлагаемой технологии, заключающиеся в управлении траекторией относительного движения пластин и притира и в обеспечении плавного регулирования перемещения притира.

Практическая ценность:

- предложен технологический процесс финишной обработки тонкостенных пластин, обеспечивающий высокую производительность и требуемое качество поверхности;

- разработана методика определения режимов и условий обработки поверхностей тонкостенных пластин, позволяющая на стадии технологической подготовки производства надежно обеспечивать заданное качество деталей;

- осуществлена модернизация оборудования, при которой обеспечивается управление траекторией относительного движения пластин и притира и плавное перемещение притира при абразивной доводке.

Соответствие паспортам научных специальностей.

Выполненная диссертационная работа соответствует паспортам специальностей 05.02.08 «Технология машиностроения» и 05.02.07 «Технология и оборудование механической и физико-технической обработки» по следующим областям исследования:

по специальности 05.02.08:

-технологические процессы, операции, установы, позиции, технологические переходы и рабочие хода, обеспечивающие повышение качества изделий и снижение их себестоимости;

- математическое моделирование технологических процессов и методов изготовления деталей и сборки изделий машиностроения;

-совершенствование существующих и разработка новых методов обработки и сборки с целью повышения качества изделий машиностроения и снижения себестоимости их выпуска;

- технологическое обеспечение и повышение качества поверхностного слоя, точности и долговечности деталей машин;

по специальности 05.02.07:

- теоретические основы, моделирование и методы экспериментального исследования процессов механической и физико-технической обработки, включая процессы комбинированной обработки с наложением различных физических и химических воздействий;

- исследование механических и физико-технических процессов в целях определения параметров оборудования, агрегатов, механизмов и других комплектующих, обеспечивающих выполнение заданных технологических операций и повышение производительности, качества, экологичности и экономичности обработки;

- создание, включая исследования, проектирование, расчеты, комплектующих агрегатов и механизмов, обеспечивающих достижение требуемых технологических и технико-экономических параметров оборудования.

На защиту выносятся:

- математические зависимости для определения кинематических параметров и взаимодействия абразивных частиц с обрабатываемыми поверхностями пластин, позволяющие назначать рациональные значения технологических режимов;

-зависимости, устанавливающие взаимосвязь технологических факторов с параметрами шероховатости поверхностного слоя и производительностью процесса абразивной доводки пластин;

- методика определения режимов и условий абразивной доводки тонкостенных пластин в сочетании с электрохимико-механическим полированием на стадии технологической подготовки производства;

-рекомендации по совершенствованию технологии финишной обработки тонкостенных пластин и повышению ее эффективности;

- принципы модернизации оборудования для реализации предлагаемой технологии, заключающиеся в управлении траекторией относительного движения пластин и притира и в обеспечении плавного peiy-лирования перемещения притира.

Реализация результатов работы. Результаты проведенных теоретических и экспериментальных исследований новой схемы финишной абразивной обработки внедрены в ООО «СИРИУС-2000» (г.Москва) и ООО «РИНТОР» (г. Москва), что позволило повысить производительность обработки в 1,36... 1,44 раза и стабильно обеспечить параметр шероховатости поверхности Ra = 0,08 мкм.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на II Международной научно-технической конференции «Аналитические и численные методы моделирования естественнонаучных и социальных проблем» (г. Пенза, 2007 г.), II Международной научно-технической конференции «Математическое и компьютерное моделирование естественно-научных и социальных проблем» (г. Пенза, 2008 г.), III Международной научно-технической конференции «Аналитические и численные методы мо-

делирования естественно-научных и социальных проблем» (г. Пенза, 2008 г.), X Международной научно-технической конференции «Материалы и технологии XXI века» (г. Пенза, 2012 г.) и на расширенном заседании кафедры «Технология машиностроения» в 2012 г.

Публикации. Основные положения диссертации отражены в 12 печатных работах, из них 4 без соавторов и 4 работы в изданиях, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы и приложений и содержит 36 рисунков, 12 таблиц, список литературы из 114 наименований. Общий объем работы 147 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследования, научная новизна, а также положения, выносимые на защиту.

В первой главе выполнен обзор работ в области финишной обработки поверхностей деталей незакрепленным и связанным абразивом.

Показано, что в разработку и исследование различных методов обработки большой вклад внесли В. Н. Кащеев, П. И. Ящерицын, А. В. Королев, П. Н. Орлов, 3. И. Кремень, Н. И. Богомолов, В. П. Запорожский, Б. А. Лапшинов, А. Я. Нашельский, Л. М. Кожуро, А. А. Панов, П. С. Чистосердов, В. А. Волосатов, Л. Я. Попилов, С. В. Сейнов и др. Проведенные исследования позволили разработать основы управления формированием качественных характеристик обрабатываемых поверхностей деталей путем использования рациональных технологических режимов и условий абразивной обработки в сочетании с электрохимико-механическим полированием.

Выполненный аналитический обзор показал, что проблемный характер носит отделочная обработка тонкостенных легкодеформируе-мых деталей, к которым предъявляются высокие требования по параметрам шероховатости, точности и физико-механическим свойствам поверхностного слоя.

Показана актуальность исследований, направленных на решение сложной задачи - достижение стабильного качества обработанных поверхностей тонкостенных пластин на отделочных операциях.

Сформулированы цель и задачи исследований.

Во второй главе приведено теоретическое обоснование предлагаемого технологического процесса финишной обработки поверхностей тонкостенных пластин абразивной доводкой, позволяющего добиться требуемых параметров качества поверхностей.

В процессе абразивной доводки пластины и притир совершают соответственно вращательное и возвратно-поступательное движение, а абразивные зерна работают большим числом своих ребер и граней. В результате повышается стойкость притира при одновременном повышении производительности обработки. В то же время, благодаря более развитой сетке рисок, уменьшается шероховатость обработанной поверхности.

Изложена сущность и указаны характерные особенности исследуемого процесса финишной абразивной обработки поверхностей тонкостенных пластин.

Важным вопросом отделочной обработки пластин является обеспечение производительности и качества их обработки. Одним из методов, позволяющих решить эту сложную задачу, является метод абразивной доводки данных деталей незакрепленным абразивом. Наибольшее применение получил электрокорунд нормальный и белый марок 12 А, 14А, 25А зернистостью Р150...Р220, который рекомендуется для абразивной доводки тонкостенных пластин.

В работе теоретически исследовано контактное взаимодействие абразивной среды с обрабатываемыми поверхностями.

Основными технологическими параметрами, которые исследуются при абразивной доводке пластин, являются давление, зернистость абразивной среды, время, скорость доводки, а также состав смазочно-охлаждающей жидкости.

Обеспечение параметров качества поверхностей тонкостенных пластин достигается за счет совершенствования процесса абразивной доводки (рис. 1).

Рис. 1. Схема доводки с дозированной подачей абразивной суспензии: 1 - подвижный притир; 2 - абразивная суспензия; 3 - планшайба; 4 - обрабатываемые детали; 5 - абразивные частицы; б-направляющие для перемещения притира; 7-дозатор

7

г

Обрабатываемые пластины 4 наклеивают на планшайбу 3, вращающуюся с постоянной угловой скоростью со и контактирующую с притиром 1, совершающим возвратно-поступательное движение со скоростью Уп относительно планшайбы 3. В процессе обработки на рабочую поверхность притира подают мелкодисперсную абразивную суспензию 2 через дозатор 7. Вертикальная подача планшайбы 3 осуществляться принудительно отдельным механизмом.

Притир совершает относительно пластин возвратно-поступательное движение вместе с центром А планшайбы (переносное движение) и вместе с планшайбой вращение вокруг полюса А (относительное движение) (рис. 2).

У у '■Л\.

1 о 5 А I х

(1)

Рис. 2. Расчетная схема для определения кинематических параметров при обработке пластин

Для определения кинематических параметров процесса абразивной доводки пластин их движение задается координатным способом:

=5 + ГСО5(се>0; 1>Ъ=г8т(а>0>

откуда

= (2) где г - радиус окружности, на которой закреплены пластины Ь\ ю - угловая скорость вращения планшайбы. При этом начало отсчета взято в центре колебаний планшайбы. Скорость пластин равна:

¡У1х=Уп-шзт(Ш); ^

1 У^ - посоз(ю/),

Уь + У1у =^Гп2 - г V - 2гш5т(шг), (4)

где Уп - скорость поступательного движения притира относительно планшайбы с деталями, вращающейся со скоростью Ув = (ог.

Полное ускорение определяется следующим образом:

Касательное ускорение находится по зависимости

^У12-2г(йУ18'т(ш) + г2(02

(6)

Выражения (5) и (6) позволяют определить нормальную составляющую а\ ускорения при движении пластин и радиус кривизны р траектории относительного перемещения движения пластин и притира:

Задавая значения Ут Кв, г, со, / и подставляя в зависимости (4), (7) и (8), можно определить параметры а", р. Управление данными параметрами в процессе абразивной доводки может обеспечить однородность неровностей профиля и требуемые отклонения формы и расположения поверхности.

При рациональном выборе соотношений скоростей поступательного У„ и вращательного Уь движений можно получить шероховатость поверхностей пластин Яа = 0,1 мкм, отклонение от плоскостности 0,01 мм и отклонение от параллельности 0,01 мм при исходных параметрах шероховатости Яа = 0,2.. .0,32 мкм.

Давление пластин 4 на притир 1 определяется по следующей зависимости (см. рис. 1):

где Ру - составляющая силы резания; Р - площадь контакта планшайбы с обрабатываемыми пластинами с рабочей поверхностью притира.

Согласно исследованиям И. В. Крагельского динамическая глубина внедрения абразивного зерна в обрабатываемую поверхность Адщ, определяется следующим образом:

и

(8)

(7)

(9)

= (11) где ¿-дан - коэффициент динамичности; - статическая глубина внедрения абразивного зерна;^ - коэффициент трения скольжения абразивной частицы по поверхности детали.

В диссертационной работе установлено, что:

0,88^ .

гр(п НВ)

5ЯаЕ2 .

2р -Т~5-7<

р 1,2(1-ц ) -НВ

где Р\ - сила, действующая на единичное абразивное зерно; гр - максимальный размер абразивных зерен, обеспечивающий формирование требуемого параметра шероховатости при микрорезании поверхности вершинами частицы; НВ - твердость материала детали по Бринеллю; ц - коэффициент Пуассона материала детали; Е - модуль упругости материала детали.

Статическая глубина внедрения равна:

(14)

2лрСстт

где р - радиус округления вершины абразивной частицы; С - коэффициент, зависящий от формы выступа и от упрочнения материала (С ~ 4); от - предел текучести материала пластины; С ст = д- среднее напряжение на контактной поверхности.

Для труднообрабатываемых сплавов ат = 0,8ав, где а„ - временное сопротивление на растяжение обрабатываемого материала пластины.

Из уравнений (10), (11) находится:

^ДИН _

2 ¡1 I и-°'882р'

= | а „ • (15)

1 7*0 882Р

Для практических расчетов выражением -—^-- можно пренебречь. Тогда из выражений (14) и (15):

Р1=4лЯарСов. (16)

(18)

Составляющие силы резания Ру для абразивных частиц, находящихся в зоне контакта между планшайбой с пластинами и притиром, равна:

Ру=РхЫ, (17)

где N - количество абразивных частиц в зоне контакта планшайбы с деталями и притиром.

Таким образом, давление при доводке определяется следующим образом:

На характер процесса доводки значительное влияние оказывает давление пластин на притир Р, которое в зависимости от условий процесса обработки изменяется в диапазоне 0,06...0,1 МПа.

Съем металла и параметр шероховатости обработанной поверхности для данной схемы доводки определяются уравнениями, полученными при обработке данных однофакторных экспериментов:

Q = CQVtPy d-srCSm■, (19)

Яа= СЯаРу НВ~" (20)

где Сд и СКа — коэффициенты, зависящие от свойств обрабатываемого материала, абразива и других условий обработки; V- скорость доводки; / - время доводки; Р - давление на обрабатываемую поверхность; d - средний диаметр основной фракции абразивного микропорошка; Т1 - концентрация абразивного порошка в жидкой фазе по массе; 5 - площадь контакта обрабатываемой и рабочей поверхностей инструмента; т, у, 5, т - коэффициенты.

При плоской доводке пластин в результате действия силы резания они получают прогиб.

Для определения прогиба выделяется элемент круговой пластины с действующими силами и моментами (рис. 3).

(¿6 + <ш,х>-+А5<(»

Рис. 3. Условия равновесия выделенного элемента пластины в системе координат ХУ2

Напряжения и деформации в сечениях выделенного элемента связаны соотношениями

Е-г

ст, =-

IV

Е-г

IV

(с/© 0 — +

\аг г,

г0 с/0 - + ц—

ч г аг

(21)

где Е - модуль упругости; г - расстояние текущей плоскости от средней плоскости (г = А); 0 - угол поворота нормали в плоскости пластин (рис. 4); ц - коэффициент Пуассона.

Лп и ш их

тТтг

ТТТ

I; I и Г

/

Рис. 4. Действие на пластину распределенной нагрузки

Используя формулу (21), можно найти равнодействующие моменты на гранях (Л - гс/ср) и (Л - ¿¡г):

п(¿0 0'

с/0' Лг

Мг

\ ¿г —+ ц-

(22)

где В =

ЕЙ*

- жесткость пластины на изгиб.

12(1-Ц2)

Составив уравнение суммы моментов всех сил относительно координаты у, касательной к дуге круга радиуса г в средней плоскости, и отбрасывая величины высшего порядка, можно найти значение прогиба:

-4>1

(23)

П = -

16£>

^5 + цД4 3 + цдУ г_ ч1+ц 4 1 + ц 2 4

где С - напряжения, возникающие в поверхностном слое пластин от действия сил при обработке; Я - радиус пластины. При г = О находится наибольший прогиб:

вЯ4 (5 + ц) 64/) (1 + ц)'

О,

(24)

Задавая величины напряжений пластины G от действия сил при абразивной доводке, можно оценить прогиб по формуле (24). Установлено, что прогибы изменяются в диапазоне 0,21...3,10 мкм, что значительно меньше заданных отклонений от плоскостности и параллельности пластин.

Проведенные теоретические исследования тепловых явлений при абразивной доводке показали, что значение мгновенной температуры в зоне контакта детали с притиром составляет 0 = 313 К (39,9 °С), а температура на поверхности пластины 8S = 300 К (26,8 °С). Это свидетельствует о низкотемпературном характере процесса абразивной доводки и практическом отсутствии прижогов поверхности.

В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследований влияния технологических режимов и условий обработки на производительность и параметры шероховатости обрабатываемых поверхностей тонкостенных пластин.

Экспериментальные исследования выполнялись по методике многофакторного планирования со статистической обработкой результатов.

Получены зависимости, устанавливающие связь величины съема металла Q и параметра шероховатости поверхности Ra с технологическими режимами и условиями обработки:

Q = 32,11 - 19,01V- 160,23Р - 5,43/- 34,77Z + 9,71 VP --0,98 J7/+ 18,89FZ + 34,01Р/ + Ш,ПР2 +

+ 5,83/Z + 90,13PF/; (25)

Ra = 3,986 - 2,78V- 1,UP - 0,55f - 4,35Z- A,99VP -

- 1,43 Pt + 1,32F2 + 27,01/>2 + 0,03i2 + 2,72Z2, (26) где V - скорость резания при абразивной доводке; Р - давление на притир; t- время обработки; Z-зернистость абразивной среды.

Установлено, что на производительность обработки наибольшее влияние оказывают давление в диапазоне 0,06...0,08 МПа и скорость доводки в интервале 0,3...0,8 м/с.

Зависимость величины съема металла от режимных параметров имеет линейный характер в исследуемом диапазоне, что свидетельствует о стабильности протекающего процесса обработки и подтверждает постоянство режущей способности абразивной среды в течение длительного промежутка времени.

Результаты исследования показывают, что в процессе абразивной доводки параметр шероховатости поверхности снижается с исходного значения Ra = 0,2...0,32 мкм до Д, = 0,1 мкм (рис. 5).

Рис. 5. Профилограммы поверхности пластины: а - после чистового шлифования; б — после абразивной доводки

Профилограмма на рис. 5,6 имеет более сглаженный характер, что свидетельствует о большей опорной длине профиля.

При исследовании влияния исходного параметра шероховатости на выбор зернистости шлифовального материала установлено, что при шероховатости Яа = 0,2...0,32 мкм наиболее целесообразным является использование абразивного микропорошка зернистостью Р150. ..Р220.

Для снижения шероховатости поверхности пластин с Яа = 0,1 до Ла = 0,08 мкм предложено после абразивной доводки применять элек-трохимико-механическое полирование.

В четвертой главе рассмотрены особенности контактного взаимодействия обрабатывающей среды с приповерхностными структурно-дефектными слоями тонкостенных пластин при электрохимико-механическом полировании. Скорость электрохимического растворения в растворе солей фосфорной кислоты на различных участках поверхности обратно пропорциональна значению межэлектродного зазора 52, 81 на этих участках, т.е. уЛ1 /ул2 = 52/51 (рис. 6), что обеспечивает регулирование интенсивности электрохимического растворения различных по величине припусков 1Утзх и

Рис. 6. Схема электрохимико-механического полирования: 1 - электролит; 2 - притир; 3 - пластина

Приведена методика определения режимных параметров электрохимико-механического полирования: скорости съема ул при удалении приповерхностных структурно-дефектных слоев пластины, образованных при доводке, частоты вращения полировальника п, плотности технологического тока /а, продолжительности электрохимико-механического полирования тэ.

2

Показано, что предлагаемая схема финишного электрохимико-механического полирования тонкостенных пластин уменьшает параметр шероховатости поверхности с Яа = 0,1 мкм до требуемого значения Яа = 0,08 мкм (рис. 7).

Рис. 7. Профилограмма поверхности пластины после электрохимико-механического полирования

Даны рекомендации по выбору состава электролита и микропорошка, оказывающих влияние на качество финишной обработки пластин.

В пятой главе приведена методика проектирования предлагаемых финишных операций, на основании которой разработаны научно обоснованные практические рекомендации по выбору рациональных значений технологических режимов и условий, обеспечивающих эффективность обработки тонкостенных пластин абразивной доводкой в сочетании с электрохимико-механическим полированием. Разработаны принципы модернизации оборудования для реализации предлагаемой технологии, заключающиеся в управлении траекторией относительного движения пластин и притира с помощью регулируемого пневмо-дросселя и в обеспечении плавного перемещения притира станка путем применения масляного амортизатора. Модернизация осуществлена применительно к плоскодоводочному станку. Определена область практического применения исследуемого технологического процесса финишной обработки поверхностей деталей.

Результаты исследований внедрены на предприятиях г. Москвы ООО «Ринтор» и ООО «Сириус-2000» при финишной обработке тонкостенных пластин емкостных датчиков давления.

Достигнуты стабильное обеспечение технических требований и снижение уровня дефектности пластин.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Предложена технология финишной обработки тонкостенных пластин, состоящая из операций абразивной доводки и последующего электрохимико-механического полирования, обеспечивающая выполнение комплекса заданных технических требований.

2. Получены зависимости для расчета кинематических параметров при взаимодействии абразивных частиц с обрабатываемыми поверхностями пластин, позволяющие определить эффективное соотношение скоростей движения пластин и притира, которое составляет 0,6.

3. Получена зависимость для определения прогибов пластин после финишной обработки. Установлено, что значения прогибов не

превышают 0,003 мм, это существенно меньше заданных значений отклонений формы и расположения поверхностей пластин.

4. Показано, что процесс абразивной доводки имеет низкотемпературный характер, позволяющий обеспечить заданные параметры качества пластин и исключить прижоги их поверхностей.

5. На основе метода планирования эксперимента получены эмпирические зависимости, устанавливающие взаимосвязь технологических факторов с шероховатостью поверхности и производительностью абразивной доводки, позволяющие назначать эффективные технологические режимы. Показано, что интенсивность съема металла и параметры шероховатости поверхности определяются в основном величиной внешнего давления на шлифовальный материал, которое изменяется в диапазоне 0,06...0,08 МПа, и скоростью доводки, находящейся в интервале 0,3...0,8 м/с в зависимости от состояния исходной поверхности.

6. Показано, что предлагаемая технология обработки дает возможность получить параметр шероховатости поверхности Яа = 0,1 мкм и увеличить производительность в 1,36...1,44 раза по сравнению с односторонней и двусторонней абразивной доводкой.

7. Получены зависимости, описывающие взаимодействие обрабатывающей среды с поверхностью тонкостенных пластин, позволяющие выбрать рациональные значения технологических режимов для электрохимико-механического полирования и получить параметр шероховатости поверхности Яа = 0,08 мкм.

8. Разработана методика определения технологических параметров абразивной доводки и электрохимико-механического полирования тонкостенных пластин, на основании которой даны научно обоснованные рекомендации по выбору рациональных значений технологических режимов и условий абразивной доводки и электрохимико-механического полирования.

9. Разработаны принципы модернизации оборудования для реализации предлагаемой технологии, заключающиеся в управлении траекторией относительного движения пластин и притира с помощью регулируемого пневмодросселя и в обеспечении плавного перемещения притира станка путем применения масляного амортизатора

10. Внедрены результаты работы на предприятиях г. Москвы ООО «Ринтор» и ООО «Сириус-2000», что позволило обеспечить качество обработки пластин емкостных датчиков давления, увеличить ресурс работы пластин в 1,2...1,4 раза и получить экономический эффект 476 тыс. руб. в год.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК

1. Зинкин, С. В. Особенности определения динамических характеристик при абразивной доводке пластин датчиков давления / С. В. Зинкин // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. -

2008.-С. 217-223.

2. Зинкин, С. В. Определение режимных параметров абразивной доводки пластин чувствительных элементов датчиков давления / С. В. Зинкин // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2008. - С. 143-149.

3. Зинкин, С. В. Тепловые явления при доводке пластин чувствительных элементов емкостных датчиков давления / В. А. Скрябин, А. Г. Схирт-ладзе, Н. Я. Карасев, С. В. Зинкин // Ремонт. Восстановление. Модернизация. - 2009. - № 7. - С. 22-24.

4. Зинкин, С. В. Повышение качества поверхности при абразивной доводке пластин чувствительных элементов емкостных датчиков давления /

B. А. Скрябин, А. Г. Схиртладзе, А. С. Репин, С. В. Зинкин // Ремонт. Восстановление. Модернизация. - 2009. - № 8. - С. 43-46.

Публикации в других изданиях

5. Зинкин, С. В. Особенности определения кинематических параметров финишной обработки чувствительных элементов емкостных датчиков давления / В. А. Скрябин, С. В. Зинкин // Математическое и компьютерное моделирование естественно-научных и социальных проблем : сб. ст. П Меж-дунар. науч.-техн. конф. - Пенза: Приволж. дом знаний, 2008. -

C. 156-158.

6. Зинкин, С. В. Определение скорости абразивной обработки плоских поверхностей / С. В. Зинкин // Математическое и компьютерное моделирование естественно-научных и социальных проблем: сб. ст. II Междунар. науч.-техн. конф. - Пенза: Приволж. дом знаний, 2008. - С. 158-160.

7. Зинкин, С. В. Особенности электрохимико-механической очистки поверхности чувствительных элементов емкостных датчиков давления /

B.А.Скрябин, С. В. Зинкин // Машиностроитель. - 2008,- №11. -

C. 46-47.

8. Зинкин, С. В. Повышение эффективности абразивной доводки пластин чувствительных элементов емкостных датчиков давления / В. А. Скрябин, С. В. Зинкин // Машиностроитель. - 2008. - № 12. - С. 28-30.

9. Зинкин, С. В. Базовые операции изготовления и обработки поверхности чувствительных элементов емкостных датчиков давления / С. В. Зинкин // Машиностроитель. - 2009. - № 1. - С. 36-38.

10. Зинкин, С. В. Исследование прогибов тонкостенных пластин после финишной обработки / В. А. Скрябин, А. С. Репин, С. В. Зинкин // Машиностроитель. - 2011.-№ 5. - С. 32-35.

11. Зинкин, С. В. Модернизация оборудования для абразивной доводки круглых тонкостенных пластин / В. А. Скрябин, А. Е. Зверовщиков, С. В. Зинкин // Материалы и технологии XXI века: сб. статей X Междунар. науч.-техн. конф. - Пенза: Приволж. дом знаний, 2012. - С. 44-48.

12. Зинкин, С. В. Исследование производительности процесса абразивной доводки круглых тонкостенных пластин / В. А. Скрябин, А. Е. Зверовщиков, С. В. Зинкин // Материалы и технологии XXI века : сб. ст. X Междунар. науч.-техн. конф. - Пенза : Приволж. дом знаний, 2012. — С. 57-61.

Обеспечение качества поверхностей тонкостенных пластин путем абразивной доводки и электрохимико-механического полирования

Специальности: 05.02.08 - Технология машиностроения; 05.02.07 - Технология и оборудование механической и физико-технической обработки

Редактор Е. П. Мухина Технический редактор Я. В. Иванова Компьютерная верстка Я. В. Ивановой

Распоряжение № 15/2012 от 06.04.2012. Подписано в печать 09.04.12. Формат 60x841/16. Усл. печ. л. 0,93. Заказ № 308. Тираж 100.

Издательство ПГУ. 440026, Пенза, Красная, 40. Тел./факс: (8412) 56-47-33; e-mail: iic@pnzeu.ru

Научное издание

ЗИНКИН Сергей Владимирович

61 12-5/2390

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет»

На правах рукописи

Зинкин Сергей Владимирович

ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТЕЙ

ТОНКОСТЕННЫХ ПЛАСТИН ПУТЕМ АБРАЗИВНОЙ ДОВОДКИ И ЭЛЕКТРОХИМИКО-МЕХАНИЧЕСКОГО ПОЛИРОВАНИЯ

Специальности: 05.02.08 - Технология машиностроения

05.02.07 - Технология и оборудование механической и физико-технической обработки

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители: д.т.н., профессор Скрябин В.А. к.т.н., доцент Зверовщиков А.Е.

Пенза-2012

Содержание

Введение............................................................................ 4

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ ПРОЦЕССА ОБРАБОТКИ ТОНКОСТЕННЫХ ПЛАСТИН................................... 8

1.1. Производительность и качественные параметры изготовления пластин....................................................................................

1.2. Технологические операции процесса обработки пластин.......... 11

1.3. Выводы и задачи исследования........................................... 23

2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ОБРАБОТКИ ПЛАСТИН................................................................................ 25

2.1. Финишная обработка пластин незакрепленным абразивом........ 25

2.2. Определение кинематических параметров технологического процесса................................................................................... 30

2.3. Абразивное воздействие обрабатывающей среды на поверхности деталей................................................................... 38

2.4. Технологические параметры поверхности пластин после обработки................................................................................. 48

2.5. Определение прогибов пластин при плоской абразивной доводке.................................................................................... 52

2.6. Выводы......................................................................... 62

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ФИНИШНОЙ ОБРАБОТКИ ПЛАСТИН.......................................... 64

3.1. Оборудование и методика проведения исследований................ 64

3.2. Исследование производительности процесса финишной обработки пластин незакрепленным абразивным материалом................ 67

3.3 Влияние технологических режимов процесса финишной обработки на шероховатость поверхностей деталей............................ 75

3.4. Выводы......................................................................... 83

4. ЭЛЕКТРОХИМИКО-МЕХАНИЧЕСКОЕ ПОЛИРОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТЕЙ ПЛАСТИН........................................................ 84

4.1. Особенности процесса обработки....................................... 84

4.2. Влияние режимных параметров на шероховатость поверхности пластин................................................................................... 91

4.3. Выводы........................................................................ 93

5. ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ И ТЕХНИКО-

ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ОБРАБОТКИ ПЛАСТИН...... 94

5.1. Основные этапы разработки технологии............................... 94

5.2. Методика расчета технологических параметров абразивной доводки и электрохимико-механического полирования поверхностей пластин.................................................................................... 96

5.3. Рекомендации по выбору технологических режимов и условий обработки деталей при абразивной доводке и электрохимико-механическому полированию пластин............................................... 103

5.4. Рекомендуемые области применения абразивной доводки тонкостенных пластин в сочетании с электрохимико-механическим полированием............................................................................... 111

5.5. Экономическая эффективность применения финишной

обработки пластин............................. ......................................... 112

5.6. Выводы......................................................................... 114

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ............................................................... 116

ЛИТЕРАТУРА...................................................................... 118

ПРИЛОЖЕНИЯ.................................................................... 129

Приложение 1...................................................................... 130

Приложение 2...................................................................... 133

Приложение 3...................................................................... 137

Приложение 4...................................................................... 139

Приложение 5...................................................................... 142

Приложение 6...................................................................... 145

ВВЕДЕНИЕ

В современных условиях развития промышленного производства одной из ведущих задач является обеспечение качества изделий на основе внедрения перспективных технологий механической обработки деталей. Качество изготовления деталей невозможно повысить без совершенствования финишных операций процессов абразивной обработки.

Для достижения повышенных требований к качеству поверхностей изделий используют различные технологические методы финишной абразивной обработки, такие как шлифование, суперфиниширование и др.

В настоящее время широко известны работы по теоретическому и экспериментальному исследованию процесса обработки поверхностей деталей абразивной доводкой. В обзоре подробно проанализированы методы обработки наружных поверхностей, предложенные В. Н. Кащеевым, П. И. Яще-рицыным, А. В. Королевым, П. Н. Орловым, З.И. Кремень, Н.И. Богомоловым, В.П. Запорожским, Б. А. Лапшиновым, А .Я. Нашельским, JI.M. Кожуро, А.А, Пановым, П.С. Чистосердовым, C.B. Сейновым и др. Анализ качественных характеристик и практического применения методов обработки деталей абразивной доводкой показал, что каждый из них имеет определенные преимущества и недостатки, ограничивающие область их возможного применения.

Как известно, точность работы систем контроля, управления различного назначения зависит от уровня точностных и эксплуатационных характеристик первичных преобразователей (различных датчиков) в виде тонкостенных пластин [103].

Служебное назначение датчика определяет жесткие допуски на точность взаимного расположения плоскостей пластины, на отклонение от плоскостности поверхностей, а также предъявляет высокие требования к параметрам шероховатости и однородности неровностей профиля. Отклонения от

вышеуказанных требований приводят к резкому снижению ресурса его работы.

Обеспечение комплекса требований к качественным характеристикам тонкостенных пластин достигается благодаря оригинальной технология механической и электрохимико-механической обработки поверхностей пластин, реализованной на прецизионном оборудование, которое зачастую не имеет аналогов в других отраслях производства.

К точностным параметрам, параметрам шероховатости поверхности, дизайну, физико-механическим характеристикам поверхностного слоя изделий предъявляются жесткие требования. Для конкретного класса деталей типа пластин из ряда конструкционных материалов применение известных методов финишной обработки не обеспечивает требуемого качества и производительности. Следовательно, эти методы не могут быть рекомендованы для обработки деталей подобного класса.

Поэтому актуальным направлением для достижения высоких эксплуатационных характеристик пластин чувствительных элементов датчиков давления является совершенствование финишных операций на завершающей стадии процесса обработки. Актуальными являются исследования по улучшению существующих технологических методов, которые обеспечивали бы повышение качества поверхностей деталей.

Целью данной диссертационной работы является обеспечение качества обработки поверхностей тонкостенных пластин абразивной доводкой путем управления траекторией относительного движения пластин и притира и последующего электрохимико-механического полирования.

Для достижения поставленной цели в работе сформулированы следующие задачи исследования:

- теоретически и экспериментально исследовать влияние технологических режимов и условий абразивной доводки пластин при сложном относи-

тельном движении деталей и притира на производительность процесса и шероховатость обрабатываемых поверхностей;

- разработать методику определения рациональных режимов и условий обработки поверхностей тонкостенных пластин по предлагаемой технологии;

- исследовать влияние технологических режимов и условий процесса электрохимико-механического полирования для снижения шероховатости обрабатываемой поверхности после абразивной доводки;

- разработать научно-обоснованные практические рекомендации по выбору рациональных технологических режимов и условий обработки тонкостенных пластин;

- разработать принципы и осуществить модернизацию оборудования для реализации предлагаемой технологии.

Технологические особенности отделочной обработки не могут быть полностью осуществлены без уточнения физики процесса взаимодействия абразива с обрабатываемым материалом. Также необходимо обратить внимание на интенсификацию процесса обработки. Нахождение решения этой задачи позволит использовать абразивный материал в качестве режущего инструмента.

В работе осуществлена попытка проанализировать процессы, которые происходят при финишной обработке тонкостенных пластин чувствительных элементов датчиков при воздействии частиц абразива с определенным давлением их на обрабатываемую поверхность, математического описания процессов обработки пластин, разработки практических рекомендаций по проектированию технологии, выбора рациональных технологических режимов и условий обработки и модернизации оборудования.

На защиту выносятся:

- математические зависимости для определения кинематических параметров и взаимодействия абразивных частиц с обрабатываемыми поверхностями пластин, позволяющие назначать рациональные значения технологи-

ческих режимов;

- зависимости, устанавливающие взаимосвязь технологических факторов с параметрами шероховатости поверхностного слоя и производительностью процесса абразивной доводки пластин;

- методика определения режимов и условий абразивной доводки тонкостенных пластин в сочетании с электрохимико-механическим полированием на стадии технологической подготовки производства;

- рекомендации по совершенствованию технологии финишной обработки тонкостенных пластин и повышению ее эффективности;

- принципы модернизации оборудования для реализации предлагаемой технологии, заключающиеся в управлении траекторией относительного движения пластин и притира и в обеспечении плавного регулирования перемещения притира.

Диссертационная работа выполнена на кафедрах «Бытовые приборы и машины» и «Технология машиностроения» Пензенского Государственного Университета в тесном сотрудничестве с организациями ООО «СИРИУС-2000» и ООО «РИНТОР» (г.Москва).

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ ПРОЦЕССА ОБРАБОТКИ ТОКОСТЕННЫХ ПЛАСТИН.

1.1. Производительность и качественные параметры изготовления пластин.

В последние годы все больший интерес вызывают комбинированные методы обработки металлов и сплавов. Развитие и применение технологий на основе комбинированных методов рассматривают, как перспективное направление современной технологии машиностроения.

Одной из ведущих тенденций промышленного производства была и остается растущая потребность в улучшении качества, повышении производительности, увеличении долговечности и надежности машин и изделий, улучшение их товарного вида [1].

Рабочие поверхности пластин тонкостенных пластин должны соответствовать определенным требованиям. Для достижения этих требований разработана оригинальная технология механической, химической и электрохи-мико-механической обработки материала пластин, создано прецизионное оборудование, зачастую не имеющее аналогов в других отраслях производства. Обработка этих пластин требует высокой квалификации операторов и обслуживающего персонала, неукоснительного соблюдения технологической дисциплины и обязательного поддержания чистоты применяемых материалов [3].

В настоящее время широкое распространение для изготовления тонкостенных пластин получил сплав 36НХТЮ (43,61...48,8% железа, 37,0% никеля, 11,5...13,0% хрома, 2,7...3,2% титана и 0,9...1,2% алюминия, до 0,05% углерода, 0,3...0,7% кремния, 0,8... 1,2% марганца, до 0,02% серы, до 0,02% фосфора), который обладает повышенной прочностью с высоким модулем нормальной упругости и низким значением температурного коэффициента (таблица 1.1). Сплав обладает достаточно высокой вязкостью и сохраняет постоянство упругих свойств до температуры +250 С0.

Таблица 1.1 - Физико-механические свойства сплава 36НХТЮ

Наименование свойства Обозначение в системе СИ Числовое значение

Модуль упругости Е, ГПа 196

Временное сопротивление при растяжении ов, МПа 1150...1250

Твердость по Бринеллю ИВ, МПа 3300...3500

Предел текучести для остаточной деформации ст, МПа 800...1000

Относительное удлинение при разрыве 65, % 15

Коэффициент теплоотдачи а, Вт/м2 К 0,066

Плотность у, кг/м3 8,55Т03

Теплоемкость с, Дж/кг-К 46

Коэффициент теплопроводности X, Вт/м-К 8,65

На рисунке 1.1 представлен один из вариантов конструкции тонкостенных пластин чувствительных элементов датчиков давления.

. .л ЗГГ

У

/

А

\

Рисунок 1.1- Тонкостенная пластина

Пригодность тонкостенных пластин для их использования по предназначению определяется следующими требованиями:

- пластины должны быть с поверхностью, свободной от дефектов и загрязнений без нарушенного поверхностного слоя;

- параметр шероховатости поверхности не более Яа = 0,08 мкм;

- отклонение от плоскостности 0,01 мм обусловлено точностными характеристиками тонкостенных пластин;

- отклонение от параллельности 0,01 мм обусловлено точностными характеристиками тонкостенных пластин.

Для обеспечения требуемых параметров разработаны различные технологические варианты изготовления пластин. В зависимости от характеристик обрабатываемого материала варианты изготовления пластин имеют свои особенности, но, как правило, состоят из одних и тех же базовых операций, применяемых в различных сочетаниях.

К базовым операциям относят абразивно-отрезную обработку заготовки, закалку и отпуск, токарную обработку, шлифование, доводочные опера-

ции, промывку пластин, электрохимико-механическое полирование [2, 110].

Предварительная абразивно-отрезная обработка заключается в отрезании прутков на заготовки будущих пластин.

Шлифовальные и предварительные доводочные операции применяют как подготовительные перед окончательной абразивной доводкой поверхностей пластин.

Промывка пластин после финишных операций в щелочно(кислотно)-перекисных растворах обеспечивает очистку пластин от загрязненных поверхностных структурно-дефектных слоев, образованных при доводке.

Электрохимико-механическое полирование (ЭХМП) необходимо для окончательной обработки пластин с целью формирования на их поверхности заданной шероховатости [4,5].

Исходя из основных требований к рабочим поверхностям пластин, существует возможность унифицировать оборудование и оснастку на всех операциях, начиная от их механической обработки и заканчивая контролем параметров готовых пластин.

1.2. Технологические операции процесса обработки пластин.

В зависимости от технического задания заготовки пластин получают резанием прутка из легированного сплава.

К точностным параметрам пластин предъявляются жесткие требования, а именно - отклонения от параллельности, от плоскостности и допуск по толщине. При этом, поверхность пластин должна быть однородна, без дефектов и загрязнений.

К базовым операциям технологии изготовления пластин относят: абразивно-отрезную обработку заготовки, закалку, токарную обработку, поверхностную закалку, шлифование, доводку, электрохимико-механическое полирование.

Абразивно-отрезная обработка

Формирование качества поверхностей в технологическом процессе происходит, начиная с базовых операций. Абразивно-отрезная обработка осуществляется отрезными кругами и обеспечивает необходимую для заготовки плоскостность и стабильное качество поверхностей.

Отрезные круги применяются на бакелитовых связках и вулканитовой, а алмазные круги - на металлической связке [17], и изготовливаются из нормального электрокорунда, черного и зеленого карбида кремния.

Закалка и отпуск

Для того, чтобы повысить твердость, износостойкость и прочность, а также для снятия остаточных напряжений используется закалка и отпуск.

Заготовки нагревают в печах, например, ПКМ 6.12.5/12,5, КЭСм-360Ь, до определенной температуры (до 1200 °С), выдерживают определенное время, а затем подвергают охлаждению. Охлаждающий раствор, например, АЦЕКУЛ 5679 [31], [32].

Токарная обработка

Поперечная шероховатость является следствием токарной обработки. Данную шероховатость поверхности пластины можно уменьшить, если сплав, из которого она изготовлена, подвергнуть термической обработке. Высота появляющихся неровностей зависит, как правило, от величины подачи.

Скорость резания непосредственно влияет на шероховатость поверхности. Если увеличить скорость резания, то высота неровностей уменьшается [14]. Для токарных работ используют токарные станки повышенной точности, например, МК6756ФЗ с ЧПУ, СА550.

На параметр шероховатости поверхности пластин влияет применяемый состав смазочно-охлаждающей жидкости. Необходимо чтоб жидкость со-

д�