автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.07, диссертация на тему:Повышение эффективности глубинного шлифования заготовок из титановых сплавов с использованием непрерывной правки круга и нового критерия управления

На правах рукописи

/1Л

005060374

Носенко Сергей Владимирович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ГЛУБИННОГО ШЛИФОВАНИЯ ЗАГОТОВОК ИЗ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НЕПРЕРЫВНОЙ ПРАВКИ КРУГА И НОВОГО КРИТЕРИЯ УПРАВЛЕНИЯ

05.02.07 - «Технология и оборудование механической и физико-технической обработки»

3 О МАЙ 2013

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Волгоград-2013

005060374

Работа выполнена на кафедре «Технология машиностроения» «Волгоградский государственный технический университет»

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Полянчиков Юрий Николаевич.

Официальные оппоненты: Старков Виктор Константинович

доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН», научно-исследовательский центр «Новые технологии и инструменты», директор; Скребнев Герман Георгиевич кандидат технических наук, доцент «Волгоградский государственный технический университет», кафедра «Металлорежущие станки и инструмент», доцент.

Ведущее предприятие ФГБОУ ВПО «Пермский национальный исследова-

тельский политехнический университет», г.Пермь.

Защита состоится «28» мая 2013 г. в 10.00 на заседании диссертационного совета Д 212.028.06 при Волгоградском государственном техническом университете по адресу: 400005, г. Волгоград, проспект им. В. И. Ленина, д. 28, ауд. 209.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Волгоградского государственного технического университета.

Автореферат разослан «25» апреля 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Быков Юрий Михайлович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. Титановые сплавы используются в различных отраслях народного хозяйства, и области их применения постоянно расширяются. Из сплавов на основе титана изготавливают особо ответственные детали, к качеству поверхности которых предъявляют высокие требования. Поэтому'вопросам формообразования таких деталей, в частности шлифованием, уделяется пристальное внимание.

К числу наиболее перспективных направлений формообразования относится глубинное шлифование (ГШ), сочетающее высокое качество поверхности детали с высокой производительностью. Особенно эффективным считается ГШ с непрерывной правкой круга. Тем не менее, влияние непрерывной правки и направления подачи заготовки при ГШ заготовок из титановых сплавов исследовано недостаточно.

Современные станки для ГШ представляют собой автоматизированные системы.^отвечающие требованиям гибкого машиностроительного производства. Одной из главных задач обеспечения функционирования такого производства является создание критерия, с использованием которого управляющая программа проектирует процесс. Например, при резании и фрезеровании анализируется толщина срезаемого слоя и на этой основе с учётом априорной информации осуществляется управление процессом.

В связи с этим цель данной работы заключается в повышении эффективности плоского ГШ заготовок из титановых сплавов с использованием непрерывной правки абразивного инструмента и нового критерия управления процессом.

Для достижения поставленной цели были определены следующие задачи: с использованием объема удаляемого материала разработать критерий управления процессом ГШ кругом прямого профиля и установить связь предложенного критерия с показателями ГШ;

исследовать влияние непрерывной правки шлифовального круга на показатели процесса с учетом направления продольной подачи заготовки;

разработать методику и программное обеспечение для моделирования и управления ГШ с использованием нового критерия;

провести производственные испытания и разработать процессы плоского ГШ заготовок из сплавов на основе титана с непрерывной правкой абразивного инструмента.

Научная новизна работы.

Для плоского врезного ГШ кругом прямого профиля разработаны математические модели номинальной наработки V и номинальной мгновенной режущей способности q, характеризующие общий объём выполняемой работы и мгновенную производительность процесса. Установлена корреляционная связь 9 с силовыми показателями процесса ГШ заготовок из титановых сплавов кругами прямого профиля.

Разработана методика моделирования и управления ГШ с использованием номинальной мгновенной режущей способности и предельного значения силового показателя ГШ.

Определены особенности изменения составляющих силы резания, формирования шероховатости и состояния рельефа обработанной поверхности при

ГШ без правки и с постоянной правкой круга с учетом направления подачи заготовки.

Методы и средства исследований. Теоретические исследования проводились на базе современных представлений о процессе резания материалов, теории математического моделирования, теории вероятностей и математической статистики, методах дифференциального и интегрального исчислений. Экспериментальные исследования выполнены на станках полуавтоматах, предназначенных для ГШ с непрерывной правкой круга. Качество обработанной поверхности анализировали с использованием современных методик определения шероховатости, состояния рельефа, остаточных напряжений, микротвёрдости и прижогов.

Практическая ценность и реализация работы.

Разработано программное обеспечение для автоматизации расчета показателей Vb и qb в соответствии с полученными математическими моделями.

Разработано программное обеспечение имитационного моделирования и управления процессом ГШ подачей правящего ролика.

Разработаны процессы ГШ заготовок из титановых сплавов с непрерывной правкой круга, обеспечивающие заданные параметры качества обработанной поверхности.

Разработанные процессы ГШ плоских поверхностей и пазов прошли производственные испытания на ОАО «Казанское моторостроительное ПО», ОАО «Металлист-Самара», приняты к расширенным производственным испытаниям и внедрению. Методика и программное обеспечение согласованы с ОАО «Металлист-Самара» и переданы для практического использования.

Результаты работы внедрены в учебный процесс при изучении дисциплины «Технология абразивной обработки» в Волжском политехническом институте (филиал) ФГБОУ «Волгоградский государственный технический университет»

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на научных конференциях: научно-практических конф. профессорско-преподавательского состава ВолгГТУ и ВПИ (филиал) ВолгГТУ (2010, 2011, 2012, 2013); II международной студенческой конф. «Научный потенциал студенчества - будущему России», Ставрополь, 2008; межвузовских научно-практической конф. молодых учёных г. Волжского (Волжский, 2010, 2011); XVI, XVIII международных научно-технических конф. «Машиностроение и техносфера XXI века» (Севастополь, 2009, 2011); всероссийской научно-технической конф. «Повышение эффективности механообработки на основе моделирования физических явлений» (Рыбинск, 2009); III международной научно-практической конф. «Молодёжь и наука XXI века» (Ульяновск, 2010); смотре-конкурсе научных, конструкторских и технологических работ ВолгГТУ (Волгоград, 2009, 2010); открытый конкурс на лучшую научную работу по естественным, техническим и гуманитарным наукам (Москва, 2010, медаль Ми-нобра «За лучшую научную работу»); всероссийских научно-практических конф. «Инновационные технологии в обучении и производстве» (Камышин, 2008, 2010); XV международной научно-технической конф. «Фундаментальные проблемы техники и технологии "Технология - 2012» (Орёл, 2012); международной научно-технической конф. «Технологии и техника автоматизации»

(Ереван, 2012). В полном объеме диссертация доложена и одобрена на заседании кафедры «Технология машиностроения» ФГБОУ ВПО «ВолгГТУ» (Волгоград, 2013).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликована 21 работа, в том числе 7 статей в изданиях, включенных в перечень ВАК РФ, 1 монография, 5 статей переизданы в зарубежных журналах на англ., 1 свидетельство о регистрации ПО.

Структура и объем работы. Диссертация состоит их введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы и приложения. Материал изложен на 219 страницах машинописного текста, из них 15 страниц приложений, 70 рисунков, 28 таблиц, 120 наименований литературы. На защиту выносятся:

критерий управления ГШ по номинальной мгновенной режущей способности процесса;

математические модели номинальной мгновенной режущей способности при ГШ плоских горизонтальных поверхностей кругом прямого профиля;

результаты экспериментальных исследований, доказывающие наличие корреляционной связи между силовыми показателями и номинальной мгновенной режущей способностью при ГШ заготовок из титановых сплавов;

результаты теоретических и экспериментальных исследований влияния подачи правящего ролика и направления продольной подачи заготовки на показатели ГШ титановых сплавов;

методика имитационного моделирования и управления ГШ по рассчитанным значениям номинальной мгновенной режущей способности и допустимым значениям силовых показателей ГШ;

процессы ГШ плоских поверхностей заготовок из титановых сплавов.

Основное содержание работы Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи исследований, дана краткая характеристика работы, показана научная новизна и практическая полезность полученных результатов.

В первой главе дан аналитический обзор результатов работ, посвященных ГШ и в целом проблеме шлифования титановых сплавов (Н.И. Богомолов, Г.В. Бокучава, Д.И. Волков, Т.Н. Лоладзе, В.Ф. Макаров, В.А Носенко, В.И. Островский, В .А. Полетаев, РыкуновН.С., Г.И. Саютин, С.С. Силин, В.К. Старков, В.А. Хрульков, S.Malkin, R. Hood, J.G. Wager и др.). Показаны преимущества глубинного шлифования и перспективность данного направления формообразования, особенно с использованием непрерывной правки круга. Тем не менее, еще многие аспекты глубинного шлифования требуют более глубокого изучения. Это относится к особенностям встречного и попутного ГШ, влиянию непрерывной правки круга, поведению эксплуатационных показателей на различных этапах процесса.

В выводах сформулированы цель и задачи работы, приведенные выше. Вторая глава посвящена разработке математических моделей номинальной наработки V, номинальной режущей Q и мгновенной режущей q способностей для ГШ плоских поверхностей кругом прямого профиля.

В теории резания одним из основополагающего критериев процесса является площадь срезаемого слоя. Считая поверхности заготовки и ШК абсолютно

гладкими, рассмотрим номинальное продольное сечение срезаемого слоя Дф за некоторый г'-й оборот ШК (рис. 1). Данную величину можно рассматривать как наработку за один оборот ШК, приведенную к ширине обрабатываемой поверхности (далее - приведенная номинальная наработка ДКЫ). Запишем ДКыв виде:

А' КьгПг%1),

гдеКы и КЬ(м) - приведенные наработки соответственно за г'-й и (/-1)-й обороты ШК. Найдем отношение АУЫ /Дт, где Дт - время одного оборота ШК. При Дт->0 получим производную от приведенной номинальной наработки по времени или приведенную номинальную мгновенную режущую способностью:

дь=дУь/дх. (1)

Приближенное значение приведенной номинальной площади за время Дт можно определить по выражению ^ьАт, где погрешность расчета снижается с уменьшением Дт.

Плоское ГШ в зависимости от /, / и Я делится на несколько этапов: врезание, постоянная длина дуги контакта и выход.

Когда / < ^¡¡(211^7) , появляется переходный этап добора глубины. Закономерности изменения наработки на всех этапах различны, поэтому Уъ определены для каждого этапа в отдельности.

Номинальную наработку на этапе врезания при 1>Ь (см. рис. 1) представим

И Ь у/к'-г2

Ур = \<Ь \ ск \с1у

О Ь-1, а

Окончательное решение для номинальной наработки, приведенной к ширине обрабатываемой поверхности, получено в виде:

УР = а^т^у^Ь-улУя2 ~{Ь-ул)2 + Л2агсзт-~™)-ау,т (2)

Мгновенную приведенную номинальную режущую способность найдем

дифференцированием (2) по времени:

дъ? = = У5 _ (Ь _ _ (к _ {Д

от ■■ 1

К числу основных показателей безотказности относится также режущая способность Оь, которую согласно ГОСТ 21445 получена делением наработки на время.

Аналогично определены Уъ, дь и дь на остальных этапах ГШ (табл. 1).

Максимальные значения Уь и 0Ь на этапе врезания соответственно в 2 и 1,5 раза выше, чем на этапе выхода. Равенство Уъ на этапах врезания и выхода, так же как и равенство £>ь достигается приблизительно на расстоянии около 0,66.

Рис. 1. Схема попутного ГШ на этапе врезания

в виде тройного интеграла:

При 1<Ь на переходном этапе максимальное значение УЬд с увеличением длины заготовки вначале возрастает, затем снижается. Показатели Qь и дь за период шлифования уменьшаются по линейной зависимости. С увеличением / продолжительность переходного этапа уменьшается, а значения 0ьд и дьд при одинаковом т возрастают.

1. Формулы для расчета Уъ и дь

уЬр=±-[ъ(Я-() + Я2 са-сят j -(Ь - у,т,)-у/л2-(Ь-ул,)2 + Я2 агсзт Ь~^ ) - (Л -

,, я2 . ь ь. п . ^ , 6.

г ьп =—агсят---+ т*--)

2 Я 2 V/

КЬв=Ду5(Т-//У5) - ЪЯ+ й +

+ -Г(й--1/+ я2

21 Я

дьР = у5

^Я2-(Ь-ул)2 - (Я-О

<7Ьп -

<?Ьв = V,

КЬд = Я (й + /-)4Я2-{Ъ + 1-у>ТО2 + л2агед/нй + /

2 \ л

4

6- У5Т5

-- (6-у5т5)^/л2 -(¿>-у5т5)2 + Л2 агс.чт

21 Я

Уы=^1-^Я2-I2 +RгarcsinJj-{R-t)l + Rvs^Xs -7-]-

уг

~[ъ(Я - о + Л2 агсзт+1 ^26 - у5Т)^Д2 -(26- У*Т)2 + Л2 агс$т2Ь

<?Ьл

= У,Г>/л2-(й-У.Т.)' - VЯ2-(Ъ-1)2

С учетом максимального значения наработки на каждом из этапов математические модели показателей безотказности объединены общим временем шлифования

Расчеты показателей 2ь и <?ь осуществляли по специально разработанной программе на языке Си++ в среде С++ВшШег.

В третьей главе изложена методика работы. Эксплуатационные показатели ГШ исследовали на станках ЖП220, оснащенных устройствами непрерывной правки круга и компенсацией его износа при обработке титанового сплава ВТ8. Износ круга, силу тока или напряжение на двигателе главного движения определяли с помощью устройств, установленных на пульте управления станком, составляющие силы резания - с использованием динамометра, усилителя, цифрового преобразова-

теля с регистрацией на ПК. Обработку осуществляли с использованием программного обеспечения (свид. № 2009615802).

Состояние обработанной поверхности контролировали по остаточным напряжениям (прибор измерения остаточных напряжений «ПИОН-2»), фазовым и структурным изменениям (металлографический микроскоп Neophot 21), микротвердости (микротвердомер Duramin-5), шероховатости (профилограф-профилометр Form Та-lysurf Intra и Surtronic25), состоянию рельефа, субмикрорельефа и химическому составу (двухлучевой электронный сканирующий микроскоп Versa 3D). Шлифовочные прижоги определяли методом травления.

Результаты экспериментов обрабатывали методами математической статистики.

В четвертой главе приведены результаты исследования процесса ГШ титанового сплава ВТ8.

В результате моделирования встречного и попутного ГШ с использованием известных силовых зависимостей для единичных зерен установлено, что приведенные составляющие силы резания на встречной и попутной подачах при одинаковых режимах шлифования и правки, одинаковом рельефе рабочей поверхности круга будут удовлетворять следующим соотношениям:

Py.i^Pув, Рт>Р7п\ PJP^PJPyu, (4)

где Ру„, Рт - соответственно вертикальная и горизонтальная составляющие силы резания на попутной подаче; Рув, Рт - соответственно вертикальная и горизонтальная составляющие силы резания на встречной подаче.

Другое отличие встречного и попутного шлифования заключается в кинематике резания отдельными зернами. Фактическая глубина резания, с которой зерно входит в обрабатываемый материал, при шлифовании на попутной подаче в общем случае больше, чем на встречной. Так как скорость резания достаточно высокая, начало врезания можно рассматривать как удар. Чем больше начальная толщина среза, тем больше сила удара. Поэтому на встречной подаче зерно работает с большей ударной нагрузкой.

При работе круга в режиме затупления, что при шлифовании титановых сплавов в первую очередь означает налипание металла на вершины зерен, сила РЬг в результате увеличения коэффициента трения растет быстрее РЪу. Поэтому отношение Ры/Ръу увеличивается (нижний индекс «6» в условном обозначении свидетельствует о том, что сила резания приведена к единице ширины обрабатываемой поверхности). Изменение отношения Ры/Ръу принято в качестве критерия работы круга в режиме преимущественного затупления или самозатачивания. При работе в смешанном и приблизительно равновероятном режиме затупления-самозатачивания отношение сил не изменяется. Состояние рельефа рабочей поверхности круга в рассматриваемый промежуток времени можно считать постоянным.

Если переход от одного режима работы круга к другому происходит плавно, на диаграмме сил не будет значительных колебаний. Ярко выраженные отклонения кривых от плавного хода на диаграмме сил свидетельствуют об изменении характера режима работы круга.

Причиной существенного уменьшения силы резания на этапе врезания на фоне её общего увеличения является быстрый переход от смешанного или режима работы с затуплением к интенсивному самозатачиванию, результатом которого является мгновенное обновление рабочей поверхности круга. Причем обновление рабо-

чей поверхности круга происходит не только в результате скалывания вершин или вырывания зёрен из связки, но и в результате удаления металла, налипшего на вершины зерен, и переноса его на обработанную поверхность. На диаграмме сил данный процесс отмечен скачкообразным снижением составляющих силы резания (рис. 2а).

На этапе выхода или переходном приведенная мгновенная режущая способность снижается, что свидетельствует об уменьшении объема удаляемого металла и снижении силы резания. В связи с уменьшением нагрузки на вершины зёрен инструмент переходит в режим работы с преимущественным затуплением, о чем свидетельствует увеличение отношения Ръ^/Ръу Несмотря на общее снижение силы резания, работа инструмента в режиме затупления приводит к тому, что сила резания отдельных или группы зёрен превышает силу закрепления их в связке. Это приводит к удалению зерен, массовому срыву металла, налипшего на вершины зерен, и переносу его на обработанную поверхность, что подтверждено исследованием рельефа шлифованной поверхности.

Подобные процессы наблюдаются и при встречном шлифовании (рис. 26). Сравнительный анализ характера формирования составляющих силы резания РЬу и показывает, что встречное шлифование является более стабильным процессом.

18

3 12 г

К

«С 6

о

^ 13

Л \ \ /I \ \ 1 г1г

/ \ ——

о

30

60

90

0 30 60 90 о 13 26 39 1ц, мм 1,мм

б в Рис. 2. Изменение составляющих силы резания при попутном (а), встречном (б) шлифовании по длине пути 15 и при попутном шлифовании по длине дуги кон-

мм а

такта Ь (в): -

Ь2)

Ьу

Особенно большое колебание сил наблюдается при попутном шлифовании длинных образцов на этапе постоянной длины дуги контакта. Периодическое чередование затупления и интенсивного самозатачивания существенно снижает воспроизводимость результатов на этапе выхода в параллельных опытах.

Фактором, стимулирующим переход к самозатачиванию, является ударная нагрузка в момент соприкосновения зерна с обрабатываемым материалом, особенно высокая при попутном шлифовании.

О нестабильности процесса ГШ титанового сплава без непрерывной правки круга свидетельствует рис. 2е, где одна из составляющих силы резания представлена в зависимости от длины дуги контакта Ь.

Поскольку при попутной подаче доля самозатачивания выше, износ круга на попутной подаче больше, чем на встречной. Это согласуется с большими значениями радиуса паза заготовки, сформированного при попутном ГШ по сравнению со встречным.

Существенным резервом повышения эффективности ГШ является непрерывная правка, снижающая составляющие силы резания.

Если режимы ГШ и правки обеспечивают стабильное состояние рельефа рабочей поверхности круга, то изменение силы резания определяется мгновенной режущей способностью. В качестве примера на рис. За показан график, устанавливающий корреляционную связь между параметрами РЪг и при ГШ кругом характеристики 64СП2(Ю12У на режиме у=25 м/с, у8=50 мм/мин, 1=2, 3 мм, ¿р=0,3 мкм/об:

РЪг = 2,57^, Л2 = 0,94.

С использованием полученного коэффициента пропорциональности значения <?ь, рассчитанные по формулам табл. 1, были переведены в модельные значения составляющих силы резания (рис. 36). Статистический анализ данных показал, что среднее относительное отклонение экспериментальных сил резания от модельных составляет около 8%, максимальное - не более 15%.

Взаимосвязь между составляющими силы резания и мгновенной режущей способностью установлена и при ГШ стали ЗОХГСНА кругом конического профиля (В.А. Носенко, С.А. Зотова), что свидетельствует об универсальности показателя номинальной мгновенной режущей способности.

0,9 1,8 2,7

мм /с

30 60

IS, ММ

а б

Рис. 3. Зависимость РЪг от qb (д) и моделирование РЬг по критерию qb (б)

В данной работе использованы математические модели при шлифовании плоской горизонтальной поверхности кругами прямого профиля. Для кругов конического профиля так же получены математические модели показателей безотказности, отличающиеся от моделей глубинного шлифования кругом прямого профиля. Таким образом, для каждого сочетания первоначальной формы обрабатываемой поверхности и формы рабочей поверхности круга необходимо разрабатывать свои математические модели номинальной мгновенной режущей способности, что существенно затрудняет проектирование процесса глубинного шлифования.

Для автоматизации расчета и моделирования процесса глубинного шлифования разработана специализированная программная система, осуществляющая твердотельное параметрическое моделирование. Программная система представляет собой оконное приложение для операционной системы Windows, написанное на языке С#. Система визуализироет процесс глубинного шлифования путем пошаговой анимации, рассчитывает показатели безотказности, моделирует силовые пока-

затели процесса (составляющие силы резания, мощность, силу тока двигателя, главного движения).

Шероховатость поверхности измеряли прибором Form Talysurf Intra. По длине обработанной поверхности каждого образца сделано 65 замеров параметра Ra. При трех параллельных опытах объем выборки составил 195 замеров.

В результате сравнения дисперсий установлено, что направление подачи стола оказывает значимое влияние на дисперсию Ra. На встречной подаче при шлифовании с постоянной правкой и без правки разброс значений шероховатости больше чем на попутной. Влияние правки на дисперсию Ra не значимо.

На основании дисперсионного анализа при сравнении средних показано, что: на попутной подаче Ra меньше, чем на встречной; при шлифовании с постоянной правкой Ra на всей обработанной поверхности, кроме участка выхода круга, можно считать приблизительно постоянным; при шлифовании без правки наблюдается тенденция повышения Ra по длине образца и снижение в конце этапа выхода круга. Значимое снижение Ra установлено на этапе выхода на расстоянии 10 мм от конца заготовки.

С помощью двухлучевого электронного сканирующего микроскопа Versa 3D исследовали топографию обработанной поверхности. Отличительная особенность рельефа поверхности при глубинном шлифовании с постоянной правкой состоит в том, что кроме следов резания, адгезионного и когезионного взаимодействия, царапин и кратеров, свидетельствующих о скалывании или вырывании зерна из связки, на поверхности обнаружено большое количество мелких и крупных отдельных царапин, которые можно рассматривать, как отпечатки вершины зерна (рис. 4а).

Подобные дефекты поверхности появляются при шлифовании с постоянной правкой. Алмазные зерна правящего ролика, контактируя с абразивными зернами, не только очищают их от налипшего металла или скалывают вершины, но и оставляют в абразивном материале скрытые дефекты, например в виде микротрещин. При последующем контакте с обрабатываемым материалом такие зерна мгновенно разрушаются, оставляя на обработанной поверхности отпечаток вершины или деформированную вмятину.

а б

Рис. 4. Поверхность титанового сплава ВТ-8 при встречном шлифовании с непрерывной правкой круга (а) и без правки (б)

Состояние поверхности при попутном шлифовании свидетельствует о более высоком адгезионном взаимодействии инструмента с титановым сплавом, что объясняется спецификой формирования поверхности в зависимости от направления подачи На попутной подаче зерно начинает работать с максимальной толщины срезаемого слоя, т.е. с максимальной нагрузки. Учитывая большую скорость движения зерна, момент вхождения можно рассматривать как удар. На встречной подаче зёрна начинают работать практически с нулевой глубиной резания. Нагрузка на зерно постепенно возрастает по мере продвижения вершины. Исходя из этого вероятность скалывания наиболее выступающих вершин зерен, следовательно, и наиболее нагруженных при попутной подаче выше. Соответственно ниже вероятность появления глубоких царапин. Поэтому при попутном шлифовании шероховатость поверхности меньше, чем при встречном. Это хорошо согласуется с кром-костойкостью круга. На попутной подаче, как следует из результатов измерения радиуса паза, кромкостойкость круга ниже, чем на встречной.

При шлифовании без правки круга состояние обработанной поверхности свидетельствует об интенсивном адгезионно-когезионном взаимодействии (рис. 46). Тем не менее, шероховатость поверхности при шлифовании без правки круга ниже, чем с правкой, что объясняется налипанием металла на вершины зерен и заглаживанием обработанной поверхности при резании.

Значимого отличия в состоянии рельефа поверхности при шлифовании без правки круга на попутной и встречной подачах не установлено. Различие в численных значениях параметра Яа, кромкостойкости круга и составляющих силы резания, как и при шлифовании с постоянно правкой объясняются спецификои удаления материала на встречной и попутной подачах.

В результате исследования химического состава шлифованной поверхности в слоях от 100 нм до 1500 нм установлено, что содержание кремния в отдельных участках колеблется от 30 до 64 %, содержание углерода - от 10 до 30 %. Причина столь высокого содержания кремния и углерода объясняется переносом отдельный кристаллов карбида кремния на обработанную поверхность при ГШ (рис. 5).

В пятой главе приведены результа-

Рис. 5. Кристалл карбида кремния ты производственных испытаний.

и г Необходимо было разработать про-

цесс глубинного шлифования плоских поверхностей обеспечивающий Да=1,25 мкм, отклонение от плоскостности не более 10 мкм и отсутствие шлифовочных прижо-гов при максимальной производительности. Ширина обрабатываемых поверхностей изменялась от 34 до 64 мм, припуск - 3 мм.

Как показали испытания, направление подачи стола необходимо учитывать при шлифовании широких поверхностей и ограничениях в мощности двигателя главного движения. Например, при ГШ на станке с мощностью двигателя 18 кВт кругом твердостью I на встречной подаче 50 мм/мин и подаче правящего ролика 0,1 мкм/об снижение скорости двигателя главного движения наблюдалась уже на глу-

II

бине шлифования 1 мм. На попутной подаче изменение скорости вращения абразивного инструмента не происходит.

С увеличением подачи правящего ролика 5Р или с уменьшением твёрдости ШК, например, до в обработка возможна на встречной подаче. Но и в этом случае сила тока двигателя главного движения I на попутной подаче меньше, чем на встречной, шероховатость обработанной поверхности ниже. С увеличением ( и у5 сила тока возрастает пропорционально. Наибольшее влияние на шероховатость поверхности оказывает 5Р. С увеличением 5П от 0,1 до 0,5 мкм/об Яа возрастает почти на 80 %, / при этом снижается на 50 %.

При шлифовании на различных глубинах, начиная от 0,5 до 3 мм, определяли режим правки, обеспечивающий выполнение технических требований.

С целью снижения силы резания обработку осуществляли на попутном движении стола. Возможность удаления припуска 3 мм на у5=50 мм/мин за счет подбора ? и при шлифовании заготовок шириной 34 мм показана на рис. 6.

На основании полученных результатов определены режимы ГШ, обеспечивающие максимальную производительность и минимальный расход абразивного инструмента.

Снятие припуска 3 мм возможно за один или два хода. При шлифовании в два хода г1 могут быть следующими (мм): 1,5 и 1,5; 2 и 1; 2,5 и 0,5. Основное время шлифования Т0 для приведенного сочетания глубин практически одинаково (различие в пределах 2%), а износ инструмента изменяется в следующей пропорции: 1:1,28:1,84. При снятии припуска 3 мм за один ход износ круга в 2,22 больше, чем за два хода по 1,5 мм, но Т0 меньше в 1,8 раза.

Уменьшение твёрдости абразивного инструмента с I до в снижает силу тока на 20 - 30 %. На столько же при шлифовании с постоянной правкой возрастает параметр Яа обработанной поверхности. При чистовом шлифовании без правки круга Яа возрастает на 9 - 14 %.

Производственные испытания показали, что использование инструмента твердостью в вместо I при съеме припуска в диапазоне от 1,5 до 2 мм обеспечивает снижение расхода абразивного инструмента в 1,5-2,2 раза при сокращении основ-| того времени на 50-10 %.

На основании результатов производственных испытаний подобраны рациональные режимы глубинного шлифования для удаления припуска 2 и 3 мм, кругом характеристика 64СП20012У, обеспечивающие максимальную производительность и минимальный расход абразивного инструмента.

При ГШ на рекомендованных режимах шлифовочные прижоги на обработанной поверхности отсутствуют, Яа и отклонение от плоскостности обработанной поверхности не превышают соответственно 1,1 мкм и 0,01 мм.

Остаточные напряжения определяли при удалении припуска 3 мм после чернового шлифования, включающего два хода стола, и после окончательной обработ-

?, мм

Рис. 6. Влияние ? на / при различной 5Р, (показана на рис., мкм/об)

ки, состоящей из чернового и чистового шлифования. В поверхностном слое образца после ГШ на данных режимах формируются сжимающие остаточные напряжения, максимальная величина которых достигает в среднем 181 - 193 МПа. Напряжения переходят через ноль на глубине около 40 мкм и далее составляют величину порядка 10-15 МПа.

При ГШ пазов в заготовках из сплава ВТ8 применяли круг той же характеристики. Технические требования: отсутствие шлифовочных прижогов; шероховатость поверхности дна паза Яа= 1,5 мкм; радиус паза - 0,30±0,05 мм; формирование в поверхностном слое дна паза сжимающих остаточных напряжений.

Исходя из результатов испытаний рекомендованы два режима ГШ пазов: режим 1 максимальной производительности, выполняемый за два хода стола (черновой с постоянной правкой и чистовой без правки круга); режим 2, обеспечивающий сокращение расхода абразивного инструмента, осуществляется за два хода стола. Испытания показали, что радиус и глубина паза удовлетворяют установленным требованиям, прижоги на обработанной поверхности отсутствуют. При шлифовании на режиме 1 шероховатость обработанной поверхности /?<я=0,9-1,1 мкм, на режиме 2 - &2=1,0-1,3 мкм. В поверхностном слое формируются сжимающие остаточные напряжения, что является преимуществом ГШ по сравнению с маятниковым. Значимых отличий в характере формирования остаточных напряжений при шлифовании на режимах 1 и 2 не установлено.

Имитационное моделирование процесса ГШ с управлением скоростью подачи выполнено на примере шлифования паза. Как показали производственные испытания, в качестве фактора управления целесообразно выбрать обеспечение бесприжо-гового шлифования. Для имитационного моделирования ГШ необходимо задать коэффициент пропорциональности между номинальной мгновенной режущей способностью и силой тока двигателя главного движения; для управления подачей ролика - предельно допустимое значение силы тока, обеспечивающее бесприжоговое шлифование. В результате обработки экспериментальных данных были определены коэффициенты пропорциональности на каждой подаче ролика и предельно допустимое значение силы тока ГШ без силы тока холостого вращения шлифовального круга. Полученные экранные формы приведены на рис. 7.

Рис. 7. Укрупненные графики текущих значений: а - номинальная мгновенная режущая способность; б - сила тока при шлифовании

ГШ начинается с подачи 5^=0,1 мкм/об. При достижении /ш предельно допустимого значения подача увеличивается на 0,1 мкм/об и т.д. На этапе выхода /ш снижается. При достижении нижней предельной границы 5Р снижается на 0,1 мкм/об и т.д., пока Sp не примет минимальное первоначальное значение.

Предложенный способ управления ГШ пазов с изменением подачи правящего ролика по сравнению с процессом, обеспечивающим наибольшую производительность при том же основном времени позволяет сократить расход инструмента в 1,72 раза.

Основные выводы

1. Разработаны математические модели номинальной наработки и номинальной мгновенной режущей способности для всех этапов ГШ плоских поверхностей ШК прямого профиля и программное обеспечение для автоматизации расчетов.

2. При шлифовании с постоянной правкой и условии стабильности рельефа рабочей поверхности круга на всех этапах ГШ заготовок из титанового сплава кругами прямого профиля установлена прямая пропорциональная зависимость силовых показателей процесса (составляющие силы шлифования, сила тока двигателя главного движения) от номинальной мгновенной режущей способности. С использованием полученного коэффициента пропорциональности расчетные значения дь переведены в модельные значения силовых показателей. Для рассмотренных вариантов максимальное относительное отклонение не превышало 15%. Критерием стабильности процесса являеся отношение составляющих силы резания Р/Ру.

3. Разработана методика и специализированная программная система моделирования ГШ и автоматизации управления. На основе твердотельного параметри-ческго моделирования система визуализирует ГШ путем пошаговой анимации, рассчитывает показатели безотказности, моделирует силовые показатели (составляющие силы резания, мощность, силу тока двигателя главного движения) и с введением предельного значения силового показателя управляет ГШ посредством изменения подачи правящего ролика.

С использованием программной системы разработан процесс автоматизированного управления подачей правящего ролика, обеспечивающий сокращение расхода абразивного инструмента на 70% по сравнению с неизменяемой подачей.

4. В результате исследования закономерностей изменения составляющих силы резания, анализа шероховатости обработанной поверхности, состояния рельефа обработанной поверхности установлены следующие особенности глубинного шлифования титановых сплавов:

4.1. При одинаковых режимах шлифования и правки, обеспечивающих формирование одинакового рельефе рабочей поверхности круга, составляющие силы резания на встречной и попутной подачах должны удовлетворять следующим соотношениям: Ру^>Руь', Рта>Рт\ Р-^Р^Р^Руп.

4.2. Фактором, стимулирующим переход к самозатачиванию при ГШ, является ударная нагрузка в момент соприкосновения зерна с обрабатываемым материалом. При попутном шлифовании ударная нагрузка выше, чем при встречном. Поэтому на попутной подаче вероятность перехода абразивного инструмента в режим работы с самозатачиванием выше, чем на встречной, а кромкостойкость абразивного инструмента ниже.

4.3. Установлено, что направление подачи стола оказывает значимое влияние на дисперсию Яа. На встречной подаче при шлифовании с постоянной правкой и без правки разброс значений шероховатости больше чем на попутной. Влияние правки на дисперсию Яа не значимо.

4.4. На основании дисперсионного анализа при сравнении средних показано, что: на попутной подаче Яа меньше, чем на встречной; при шлифовании с постоянной правкой Яа на всей обработанной поверхности, кроме участка выхода круга, можно считать приблизительно постоянной; при шлифовании без правки наблюдается тенденция повышения шероховатости обработанной поверхности по длине образца и снижение её в конце этапа выхода круга. Значимое снижение Яа установлено на этапе выхода на расстоянии 10 мм от конца заготовки.

4.5. Состояние обработанной поверхности при шлифовании без правки круга свидетельствует о более интенсивном адгезионном взаимодействии инструмента и обрабатываемого металла по сравнению со шлифованием с постоянной правкой круга.

4.6. Отличительная особенность рельефа обработанной поверхности при глубинном шлифовании с постоянной правкой состоит в том, что кроме следов резания, адгезионного и когезионного взаимодействия, царапин и кратеров, свидетельствующих о скалывании или вырывании зерна из связки, на поверхности обнаружено большое количество мелких и крупных отдельных царапин, которые можно рассматривать, как отпечатки вершины зерна.

4.7. Значимого отличия в состоянии рельефа обработанной поверхности при шлифовании без правки круга на попутной и встречной подачах не установлено. При шлифовании с постоянной правкой круга состояние рельефа обработанной поверхности на попутной подаче свидетельствует о более высоком адгезионном взаимодействии инструмента с титановым сплавом по сравнению со встречной подачей.

4.8. В результате исследования химического состава шлифованной поверхности в слоях от 100 нм до 1500 нм установлено, что содержание кремния в отдельных участках колеблется от 30 до 64 %, содержание углерода - от 10 до 30 %. Причина столь высокого содержания кремния и углерода объясняется переносом отдельный кристаллов карбида кремния на обработанную поверхность.

5. Разработан технологический процесс ГШ плоских поверхностей и пазов на заготовках из титанового сплава ВТ8 с непрерывной правкой круга. Рекомендуемые абразивные инструменты и режимы обработки испытаны в производственных условиях ОАО «Металлист-Самара» и ОАО «Казанское моторостроительное производственное объединение». Испытания подтвердили их эффективность. Рекомендуемые абразивные инструменты и режимы обработки приняты к расширенным производственным испытаниям и внедрению.

Методика и программное обеспечение расчета показателей безотказности ГШ согласованы с ОАО «Металлист-Самара» и приняты к практическому использованию.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах.

1. Носенко В. А., Носенко С. В. Технология шлифования: монография. -Волгоград: ИУНЛ ВолгГТУ, 2011. - 425 с.

Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

2. Носенко, С.В. Попутное и встречное глубинное шлифование поверхности неполного цикла с периодической правкой круга / В.А. Носенко, В.К. Жуков,

A.А. Васильев, С.В. Носенко // Вестник машиностроения. - 2008. - № 5. - С. 44-50.'

3. Носенко, С.В. Специфика удаления материала на различных этапах плоского глубинного шлифования / В.А. Носенко, В.К. Жуков, С.А Зотова С В Носенко // СТИН. - 2008. -№ 3. - С. 23-27.

4. Носенко, С.В. Закономерности изменения силы плоского глубинного шлифования / В.А. Носенко, С.В. Носенко, А.В. Авилов // Справочник. Инженерный журнал. - 2009.-№ 7. - С. 10-19.

5. Носенко В. А. Наработка и режущая способность круга конического профиля при глубинном шлифовании горизонтальной поверхности /В.А. Носенко, С.А. Зотова, С.В. Носенко // Проблемы машиностроения и надёжности машин -

2009. - № 4. - С. 74-80.

6. Носенко, С.В, Математические модели наработки и режущей способности для различных этапов плоского глубинного шлифования горизонтальных поверхностей кругом прямого профиля / В.А. Носенко, С.В. Носенко // Проблемы машиностроения и надёжности машин. - 2010. - № 4. - С. 92-98.

7. Носенко, С.В. Попутное и встречное глубинное шлифование титанового сплава с периодической правкой круга / В.А. Носенко, С.В. Носенко // Вестник машиностроения. - 2010, - № 10. - С. 66-71.

8. Носенко, С.В. Попутное и встречное глубинное шлифование титанового сплава с непрерывной правкой круга / В.А. Носенко, С.В. Носенко // Вестник машиностроения. - 2010. - № 11. - С. 57-61.

Статьи, переизданные в зарубежных журналах.

9. Носенко, С.В. Deep Grinding of Incomplete-Cycle Surfaces, with Periodic Straightening of the Wheel / В.А. Носенко, В.К. Жуков, A.A. Васильев, С.В. Носенко // Russian Engineering Research. - 2008. - Vol. 28, No. 5. - С. 442-449.-Англ.

10. Носенко, С.В. Removal of Material at Different Stages of Deep Plane Grinding / В.А. Носенко, В.К. Жуков, С.А. Зотова, С.В. Носенко // Russian Engineering Research. - 2008. - Vol. 28, No. 6. - С. 606-610.-Англ.

11. Носенко, С.В. Run and cutting power of a conical-camber disk under creep feed grinding of a horizontal face / В.А. Носенко, С.А. Зотова, С.В. Носенко //Journal of Machinery Manufacture and Reliability. - 2009. - Vol. 38, № 4.-C. 373-378. - Англ.

12. Носенко, С.В. Deep grinding of titanium alloy with continuous wheel correction / В.А. Носенко, С.В. Носенко // Russian Engineering Research. - 2010 - Vol 30 № 11,-C. 1124-1128,-Англ. ' '

13. Носенко, С.В. Mathematical models of operating time and cutting capacity for various stages of flat creep feed grinding of horizontal surface by circle of direct profile /

B.A. Носенко, С.В. Носенко // Journal of Machinery Manufacture and Reliability -

2010. - Vol. 39, № 4. - C. 380-3 85.-Англ.

Свидетельство о регистрации.

14. Свидетельство о гос. регистрации программы для ЭВМ № 2009615802 от 16 окт. 2009 г. РФ. Обработка результатов тарировки и измерения сил шлифования / В.А. Носенко, М.В. Даниленко, Р.А. Белухин, С.В. Носенко, А.П. Митрофанов; ВолгГТУ. - 2009.

Другие публикации.

15. Носенко, C.B. Математические модели показателей надёжности процесса глубинного шлифования поверхности различной ширины и длины / В.А. Носенко, С.А. Зотова, C.B. Носенко // Повышение эффективности механообработки на основе моделирования физических явлений: матер.всерос. науч.-техн. конф./РГАТА им. П.А.Соловьёва. - Рыбинск, 2009. - Ч. 1. - С. 181-187.

16. Носенко, C.B. Математическая модель мгновенной режущей способности при глубинном шлифовании крутом прямого профиля / C.B. Носенко // Научный потенциал студенчества в XXI веке : матер.TV междунар. науч. конф. студ., аспир., молод.учёных. Т. 1. Естеств. и техн. науки / Сев.-Кав. гос. техн. ун-т. -Ставрополь, 2010. - С. 289-290.

17. Носенко, C.B. Математические модели показателей надёжности для различных этапов плоского глубинного шлифования кругом прямого профиля / В.А. Носенко, C.B. Носенко // ВюникСевНТУ. Вип. 107: Машиноприладобудування та транспорт : зб. наук.праць / Севастоп. нац. техн. ун-т.- Севастополь, 2010,- С. 174178.

18. Носенко, C.B. Особенности изменения показателей надёжности на различных этапах глубинного шлифования / C.B. Носенко // Молодёжь и наука XXI века : матер. III междунар. науч.-пракг. конф. (23-26 нояб. 2010 г.) / ФГОУ ВПО "Ульяновская гос. с.-х. академия" [и др.]. - Ульяновск, 2010. - T. IV. - С. 87-90.

19. Носенко, C.B. Разработка плоского глубинного шлифования заготовок из титанового сплава с учетом многоэтапности процесса / C.B. Носенко // Машиностроение и техносфера XXI века: сб. тр. XVIII междунар. науч.-техн. конф., г. Севастополь, 12-17 сент. 2011 г. : в 4 т. Т. 2 / Донецк: ДонНГУ, 2011. Т. 2. - С. 264268.

20. Носенко,C.B. Повышение эффективности глубинного шлифования титановых сплавов / В.А. Носенко, C.B. Носенко // Машиностроительные технологии и техника автоматизации — 2012 : сб. тр. междунар. науч.-техн. конф., посвящ. 80-летию ГИУА, г. Ереван, 9-15 июля 2012 г. / Гос. инж. ун-т Армении (Политехник) - Ереван, 2012. - С. 98-103.

21. Носенко, C.B. Закономерности изменения некоторых показателей безотказности глубинного шлифования на переходном этапе / C.B. Носенко, Ю.Н. По-лянчиков, В. А. Носенко, J1.JI. Кременецкий // Фундаментальные проблемы техники и технологии "Технология - 2012" : сб. тез.и аннотаций науч. докл. XV междунар. науч.-техн. конф., г. Орёл, 5-8 июня 2012 г. / Технол. ин-т им. H.H. Поликарпова ФГБОУ ВПО "Госуниверситет - УНПК". Орёл, 2012. - С. 196-198.

Подписано в печать 2013г. Заказ № 25% Тираж 100 экз. Печ л 1 0

Формат 60 х 84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Типография ИУНЛ Волгоградского государственного технического университета. 400005, г. Волгоград, ул. Советская, 35

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

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ГЛУБИННОГО ШЛИФОВАНИЯ ЗАГОТОВОК ИЗ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НЕПРЕРЫВНОЙ ПРАВКИ КРУГА И НОВОГО КРИТЕРИЯ УПРАВЛЕНИЯ

Специальность 05.02.07 - Технология и оборудование механической и физико-технической обработки

04201360644

На :и

Носенко Сергей Владимирович

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

д. т. н., профессор

Юрий Николаевич Полянчиков

Волгоград - 2013

Содержание

Обозначения я сокращения......................................................................................................................4.

Введение....................................................................................................................................................................6

Глава 1. Литературный обзор. Цели и задачи исследования......................................10

1.1. Свойства и области применения титановых сплавов....................................................10

1.2. Глубинное шлифование труднообрабатываемых материалов..............16

1.3. Глубинное шлифование титановых сплавов..........................................................24

1.4. Показатели безотказности глубинного шлифования..................................................28

1.5 Выводы........................................................................................................................................................39

1.6 Цели и задачи работы..................................................................................................................4}

Глава 2. Разработка математических моделей показателей безотказности глубинного шлифования плоских поверхностей кругом прямого профиля........................................................................................................................................................................................42

2.1. Площадь продольного сечения срезаемого слоя........................................................42

2.2. Математические модели показателей безотказности на этапе врезания и постоянной длины дуги контакта............................................................................44

2.3. Математические модели показателей безотказности на этапе выхода........................................................................................................................................................................49

2.4. Математические модели показателей безотказности

на переходном этапе..........................................................................................................................................................53

2.5. Влияние режимов шлифования и радиуса круга на показатели безотказности на этапах врезания и выхода............................................................................57

2.6 Обобщенные математические модели показателей безотказности при шлифовании заготовок различной длины................................................................71

2.7 Выводы......................................................................................................................................................78

Глава 3. Методика проведения исследований....................................................................80

3.1. Методика исследования процесса шлифования..................................................................80

3.2. Методики исследования качества обработанной поверхности............84

Глава 4. Встречное и попутное шлифование без правки и с постоянной

правкой круга......................................................................................................................................................99

4.1. Факторы, влияющие на силу резания..........................................................................99

4.2. Закономерности изменения составляющих силы резания при попутном шлифовании без постоянной правки круга........................... 103

4.3. Закономерности изменения составляющих силы резания при встречном шлифовании без постоянной правки круга..................... 109

4.4. Влияние постоянной правки на составляющие силы резания....... 115

4.5. Результаты исследования шероховатости обработанной поверхности...................................................................................... 134

4.6. Исследование рельефа и химического состава шлифованной поверхности............................................................................. 146

4.7. Выводы.................................................................................................... 155

Глава 5. Производственные испытания и внедрение процесса глубинного шлифования............................................................................ 159

5.1. Исследование особенностей глубинного шлифования плоских поверхностей ............................................................................ 159

5.2. Отработка процесса глубинного шлифования плоских поверхностей с учетом ограничения мощности двигателя главного движения... 164

5.3 Отработка процесса глубинного шлифования пазов................... 173

5.4 Анализ качества поверхности при глубинном шлифовании......... 177

5.5 Имитационное моделирование процесса глубинного шлифования... 179 5.6. Выводы.................................................................................................... 187

Общие выводы.................................................................................................. 190

Список литературы.......................................................................................... 193

Приложени А. Методика расчета показателей надежности плоского глубинного шлифования....................................................................................... 205

Приложение Б. Акт производственных испытаний на ОАО «Металлист-

Самара».................................................................................... 214

Приложение В. Акт производственных испытаний на ОАО «Казанское

моторостроительное предприятие................................................... 216

Приложение Г. Акт внедрения монографии «Технология шлифования»... 218 Приложение Д. Акт внедрения учебного пособия по дисциплине «методы и средства измерения испытания и контроля»................................ 219

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

шк Шлифовальный круг

сож Смазочно-охлаждающая жидкость

сотс Смазочно-охлаждающее технологическое средство

Глубина шлифования, мм

р. Вертикальная составляющая сил резания, Н

Рг Горизонтальная составляющая сил резания, Н

К„ Коэффициент режущей способности

5М Максимальная кромкостойкость, мм

0 Температура шлифования, С0

V Скорость главного движения (скорость вращения абразивного инструмента), м/с

Скорость подачи стола, мм/мин

кш Коэффициент шлифования

К0 Коэффициент режущей способности

Я, Среднее арифметическое отклонение профиля шероховатости поверхности, мкм

г Радиус закругления шлифованного паза, мм

Ь Номинальная длина дуги контакта, мм

тах Максимальная длина дуги контакта, мм

И Диаметр наружной поверхности шлифовального круга, мм

я Радиус наружной поверхности шлифовального круга, мм

н Высота, мм

1 Длина заготовки, мм

к Ширина заготовки, мм

3 Центральный угол,0

т Время шлифования на этапе, с

фь ф2 Центральные углы между вертикальной осью круга и точкой соответственно начала и конца номинальной дуги контакта,0

фРЬ ФР2 Центральные углы, определяющие начало (нижний индекс «1») и конец (нижний индекс «2») номинальной дуги на этапе врезания, 0

ФВЬ ФВ2 Центральные углы, определяющие начало (нижний индекс «1») и конец (нижний индекс «2») номинальной дуги на этапе выхода, 0

ФДЬ фД2 Центральные углы, определяющие начало (нижний индекс «1») и конец (нижний индекс «2») номинальной дуги на этапе переходном этапе, 0

и Длина шлифования на этапе (путь шлифования), мм

Площадь номинального поперечного сечения слоя материала, удаляемого за один оборот круга, мм

А/, Перемещение заготовки за время одного оборота круга, мм

Приведенная наработка за один оборот круга, мм2

Ах Время одного оборота круга, с

Площадь номинального сечения на участке постоянной длины дуги контакта, мм2

Площадь номинального сечения на участке врезания, мм2

^ Площадь номинального сечения на участке выхода, мм2

У Наработка, мм

Уъ Приведенная наработка, мм

Ко Приведенная наработка на этапе врезания, мм

Уъп Приведенная наработка на этапе постоянной длины дуги контакта, мм2

Уъ в Приведенная наработка на этапе выхода, мм

^Ьрт Максимальная приведенная наработка на этапе врезания, мм

^Ьпш Максимальная приведенная наработка на этапе постоянной длины дуги контакта, мм2

^Ьвт Максимальная приведенная наработка на этапе выхода, мм

а Режущая способность, мм /с

а 2 Приведенная режущая способность, мм /с

Приведенная режущая способность на этапе врезания, мм /с

0Ьп Приведенная режущая способность на этапе постоянной длинны дуги контакта, мм /с

0Ьв Приведенная режущая способность на этапе выхода, мм /с

бьрт Максимальная приведенная режущая способность на этапе вре- ¿у зания, мм /с

бьвт Максимальная приведенная режущая способность на этапе выхода, мм /с

Я Мгновенная режущая способность, мм /с

Яь Приведенная мгновенная режущая способность, мм /с

Яър Приведенная мгновенная режущая способность на этапе врезания, мм /с

ЧЬп Приведенная мгновенная режущая способность на этапе постоянной длинны дуги контакта, мм2/с

Чы Приведенная мгновенная режущая способность на этапе выхода, мм2/с

^Ьргп Максимальная приведенная мгновенная режущая способность на этапе врезания, мм /с

¿7Ьпт Максимальная приведенная мгновенная режущая способность на этапе постоянной длинны дуги контакта, мм2/с

*7Ьвт Максимальная приведенная мгновенная режущая способность на этапе выхода, мм /с

5п Подача на правку, мкм/об

ВВЕДЕНИЕ

Титановые сплавы используются в различных отраслях народного хозяйства, и области их применения постоянно расширяются. Из сплавов на основе титана, как правило, изготавливают особо ответственные детали, к качеству поверхности которых предъявляют исключительно высокие требования. Поэтому вопросам формообразования деталей, в частности шлифованием, уделяется большое внимание.

К числу наиболее перспективных направлений формообразования относится глубинное шлифование, сочетающее высокое качество поверхности детали с высокой производительностью. Особенно эффективным считается глубинное шлифование (ГШ) с непрерывной правкой круга. Тем не менее, влияние непрерывной правки на процесс ГШ титановых сплавов исследовано недостаточно.

Современные станки для ГШ представляют собой автоматизированные системы, отвечающие требованиям гибкого машиностроительного производства. Одной из главных задач обеспечения функционирования такого производства является создание критерия, с использованием которого управляющая программа проектирует процесс. Например, при резании и фрезеровании анализируется толщина срезаемого слоя и на этой основе с учётом априорной информации осуществляется управление процессом.

В связи с этим цель данной работы заключается в повышении эффективности плоского ГШ заготовок из титановых сплавов с использованием непрерывной правки абразивного инструмента и нового критерия управления процессом.

Для достижения поставленной цели были определены следующие задачи:

с использованием объема удаляемого материала разработать критерий управления процессом ГШ и исследовать влияние условий шлифования плоских поверхностей кругом прямого профиля на предложенный критерий управления процессом;

исследовать влияние непрерывной правки шлифовального круга на показатели процесса с учетом направления продольной подачи заготовки;

разработать методику и программное обеспечение для моделирования управления процесса ГШ с использованием нового критерия;

разработать процессы плоского ГШ изделий из сплавов на основе титана с непрерывной правкой абразивного инструмента.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения с выводами, списка литературы и приложений.

В первой главе дан аналитический обзор результатов работ, посвященных ГШ и в целом проблеме шлифования титановых (Н.И. Богомолов, Г.В. Бокучава, Д.И. Волков, Т.Н. Лоладзе, Г.Б. Лурье, В.Ф. Макаров, E.H. Маслов, В.А Носенко, В.А. Полетаев, Г.И. Саютин, С.С. Силин, В.К. Старков, S.Malkin, R. Hood, J.G. Wager). Показаны преимущества глубинного шлифования и перспективность данного направления формообразования, особенно с использованием непрерывной правки круга. Тем не менее, еще многие аспекты глубинного шлифования требуют более глубокого изучения. Это относится к особенностям встречного и попутного ГШ, влиянию непрерывной правки круга, поведению эксплуатационных показателей на различных этапах процесса.

В выводах сформулированы цель и задачи работы.

Вторая глава посвящена разработке математических моделей номинальной наработки V, номинальной режущей Q и мгновенной режущей q способностей для ГШ плоских поверхностей кругом прямого профиля, исследованию влияния режимов шлифования, длинны заготовки и диаметра абразивного инструмента на данные показатели.

В третьей главе изложена методика проведения исследований.

В четвертой главе приведены результаты исследования процесса ГШ титанового сплава ВТ8. Исследовано влияние направления подачи стола и правки на составляющие силы резания. Установлена и подтверждена экспериментально связь между приведённой мгновенной режущей способностью и

составляющими силы шлифования. Описано программное имитационное моделирование процесса, написанное на языке С#, позволяющее моделировать плоскую модель глубинного шлифования в реальном режиме времени. Исследована шероховатость и топография поверхности.

В пятой главе приведены результаты исследования ГШ плоских поверхностей заготовок из титанового сплава ВТ8 на станках-полуавтоматах модели ЛШ220 с мощностью привода главного движения 18,5 и 36 кВт. Определены режимы ГШ, обеспечивающие максимальную производительность и минимальный расход абразивного инструмента, составлена диаграмма подави правящего ролика. Приведены результаты производственных испытаний на ОАО «Казанское моторостроительно производственное объединение» и ОАО «Металлист-Самара».

Данная работа является итогом научных исследований проведенных в лабораториях кафедр «Технология и оборудование машиностроительных производств» Волжского политехнического института (филиала) Волгоградского государственного технического университета и «Технологии машиностроения» Волгоградского государственного технического университета. Экспериментальные исследования и производственные испытания проведены на ОАО «Казанское моторостроительное производственное объединение» и ОАО «Металлист-Самара».

Акты производственных испытаний приведены в приложениях диссертационной работы. Методика расчета показателей надежности плоского глубинного шлифования согласовано с ОАО «Металлист-Самара» и также приведена в приложении. Монография «Технология шлифования» и учебное пособие с грифом УМО АМ «Название», содержащие отдельные результаты работы внедрены в учебный процесс в Волжском политехническом институте на кафедре «Технология и оборудование машиностроительных производств».

Работа в полном объеме была представлена и одобрена на расширенном заседании кафедры «Технология машиностроения» ФГБОУ ВПО «ВолгГТУ» (Волгоград, 2013).

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЯ

Шлифование - самый распространённый и эффективный технологический процесс обработки материала [1-8]. Главным движением при шлифовании является вращение инструмента. Шлифование является разновидностью абразивной обработки, которая в свою очередь относится к разновидностям обработки материалов резанием.

Резание - это обработка материалов с целью придания им заданной формы и размеров требуемой точности в результате срезания припуска и превращении его в стружку [9]. При лезвийной обработке форма режущего клина (лезвия) и его положение относительно обрабатываемой поверхности определены. При шлифовании срезание стружки происходит отдельными зернами, не имеющими строгой формы и расположения. Поэтому, несмотря на одинаковую физическую сущность процесса, шлифование по сравнению с лезвийной обработкой имеет ряд существенных отличий: случайное расположение большого количества зерен на рабочей поверхности круга; отсутствие правильной геометрической формы зерен; малая и изменяющаяся по длине дуги контакта глубина резания отдельным зерном; большая доля работы трения в общей работе шлифования; высокая скорость резания [4]. Шлифование называют еще процессом массового скоростного микрорезания обрабатываемого материала большим количеством зерен.

1.1. Особенности шлифования сплавов на основе титана

Технический прогресс в ведущих отраслях промышленности и, прежде всего в авиации, ракетостроении и космической технике, энергетическом, нефтяном и химическом машиностроении в значительной степени определяется использованием в конструкциях механизмов и машин сплавов на основе титана.

Титан относится к ¿/-переходным элементам, у которых после завершения формирования наружной ¿-оболочки происходит заполнение нижележащей ¿/-оболочки [10]. Титан относится к числу распространенных элементов. Содержание его в земной коре составляет около 0,6 %. Для сравнения содержание железа около 5,1%, никеля - 810"3 %, вольфрама - 10~4 %, золота - 510"7 % [11]. По использованию в качестве конструкционного материала титан занимает четвертое место вслед за железом, алюминием и магнием.

Титан является полиморфными материалом, способным существовать в различных кристаллографических состояниях. В нормальных условиях титан имеет гексагональную плотноупакованную (ГПУ) структуру. С увеличением температуры, давления или в результате введения легирующих элементов �