автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Повышение эффективности шлифования поверхностей деталей из высоколегированных и жаропрочных материалов изменением конструкции и состава абразивного инструмента

На правах рукописи

Гусакова Лиана Валерьевна

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ШЛИФОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ВЫСОКОЛЕГИРОВАННЫХ И ЖАРОПРОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ ИЗМЕНЕНИЕМ КОНСТРУКЦИИ И СОСТАВА АБРАЗИВНОГО ИНСТРУМЕКТА

Специальность: 05.02.08 - Технология машиностроения

! 1 МАР 2012

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005010821

Ростов-на-Дону 2012 г.

005010821

Работа выполнена на кафедре «Механика» Технологического института ФГАОУ ВПО «Южный федеральный университет», в г. Таганроге.

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор Бутенко В. И.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Тамаркин М.А.

заслуженный работник Высшей школы РФ, доктор технических наук, профессор Киселёв Е.С.

Ведущее предприятие: Волжский институт строительства и

технологий (ВИСТех ВолгГАСУ, г. Волжский, Волгоградская обл.)

Защита состоится «27» марта 2012 г. в «10-00» часов на заседании диссертационного совета Д 212.058.02 в Донском государственном техническом университете (ДГТУ) по адресу: 344000, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина 1, ДГТУ, ауд. 252.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ДГТУ.

Автореферат разослан «15» февраля 2012г.

Ученый секретарь /"> Д-р техн. наук, профессор

диссертационного совета / ^п—^ Бурлакова В.Э.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования.

Научно-технический прогресс в современном машиностроении неразрывно связан с развитием и совершенствованием процессов абразивной обработки, во многом определяющих трудоёмкость изготовления и качество готовой продукции. Постоянное повышение требований к качеству деталей машин, снижение общих припусков на обработку, тенденция к использованию труднообрабатываемых легированных сталей и жаропрочных сплавов обеспечивают процессам абразивной обработки важную роль в выборе способов финишной обработки деталей. Дальнейшее совершенствование процессов шлифования и доводки абразивным инструментом во многом определяется развитием теории этих процессов, на базе которой эффективно осуществляется поиск новых внутренних резервов повышения производительности и качества обработки деталей.

Большое количество научных работ ориентировано на интенсификацию процессов шлифования, направленную на повышение производительности обработки. Однако при этом не всегда в полной мере решаются вопросы обеспечения эксплуатационных показателей качества обрабатываемых поверхностей деталей. Именно поэтому комплексный подход к совершенствованию процессов абразивной обработки поверхностей деталей становится наиболее востребованным, экономически оправданным и технологически обоснованным в современном машиностроении.

В связи с этим разработка мероприятий по повышению эффективности шлифования поверхностей деталей машин из легированных сталей и жаропрочных сплавов является актуальной, требует теоретических и экспериментальных исследований, включая изменения конструкции и состава абразивного инструмента, а также уточнения в методику назначения режимов обработки.

Степень разработанности проблемы.

Вопросами разработки новых конструкций шлифовальных кругов и их составов занимаются научные школы профессоров: В.М. Шумячера, A.B. Королёва, Д.Г. Евсеева, Л.В. Худобина, П.И. Ящерицына, З.И. Кремня, А.Н. Резникова, A.B. Якимова, В.К. Старкова и др.

Целью работы является повышение эффективности процесса шлифования поверхностей деталей из высоколегированных и жаропрочных материалов за счёт изменения конструкции и состава абразивного инструмента. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Аналитическое исследование влияния толщины срезаемого слоя многосекторным шлифовальным кругом разной зернистости и коэффициента трения в зоне обработки на эффективность процесса шлифования.

2. Определение конструктивных параметров шлифовальных кругов, обеспечивающих эффективную обработку высоколегированных и жаропрочных материалов по производительности и качеству получаемого поверхностного слоя детали.

3. Разработка состава абразивной массы для шлифовальных кругов с добавлением дийодида хрома и ферритного чугуна, используемых при обработке высоколегированных и жаропрочных материалов.

4. Проведение экспериментальных исследований конструктивно-технологических разработок по повышению эффективности шлифования поверхностей деталей из высоколегированных и жаропрочных материалов.

5. Разработка практических рекомендаций по повышению эффективности процесса шлифования поверхностей деталей из высоколегированных и жаропрочных материалов.

Предметом исследования является эффективность процесса шлифования по производительности и качеству полумаемого поверхностного слоя детали.

Объект исследования - технологический процесс в части финишной обработки поверхностей деталей машин шлифованием.

Методологической базой исследования являются известные подходы и методы, применяемые для проведения исследований в области технологии машиностроения: металлографические, статистические, расчётно-аналитические.

Теоретической базой исследования являются работы учёных в области обработки материалов шлифованием: A.B. Королёва, Д.Г. Евсеева, Е.С. Киселева, E.H. Мас-лова, Г.Б. Лурье, Н.И. Веткасова, В.М. Шумячера, В.Ф. Безъязычного и др.

Эмпирической базой явились исследования производительности шлифования и качества получаемого при этом поверхностного слоя деталей из высоколегированных и жаропрочных материалов.

Научные результаты, выносимые на защиту;

- эффективность процесса шлифования многосекторным кругом разной зернистости;

- аналитическое обоснование предлагаемой конструкции многосекторного шлифовального круга разной зернистости;

- теоретическое обоснование снижения коэффициента трения в зоне обработки при наличии плёнкообразующих материалов;

- разработанный состав массы для изготовления абразивного инструмента с наличием плёнкообразующего вещества - дийодида хрома;

- алгоритм для расчёта поправочных коэффициентов на продольную подачу и скорость вращения детали с учётом соотношения диаметра круга к диаметру обрабатываемой детали.

Научная новизна результатов исследования заключается в том, что разработано, теоретически обосновано и экспериментально проверено направление повышения эффективности шлифования деталей из высоколегированных и жаропрочных материалов, отличающееся тем, что для повышения производительности процесса шлифования предложен многосекторный круг разной зернистости, а в состав абразивной массы вводится плёнкообразующее вещество - дийодид хрома.

Теоретическая и практическая значимость работы.

Теоретически обоснована, экспериментально подтверждена эффективность процесса шлифования за счёт использования конструкции многосеюгорного шлифовального круга разной зернистости и введения в состав абразивной массы плёнкообразующего вещества, обеспечивающие увеличение съёма металла с обрабатываемой поверхности, снижение температуры в зоне обработки и коэффициента трения, числа и площади прижогов на обработанной поверхности, снижение шероховатости детали.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности.

Выполненная диссертационная работа соответствует паспорту специальности 05.02.08 - «Технология машиностроения» по следующим областям исследований:

- совершенствование существующих 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.

Апробация и реализация результатов диссертации.

Основные положения и результаты выполненной работы докладывались и обсуждались на следующих семинарах и конференциях: Международный науч.-практ. семинар «Практика и перспективы развития партнерства в сфере высшей школы» (г. Таганрог - 2008 г., 2010 г.; г. Донецк, Украина - 2009 г., 2011 г.), Всероссийская научная конференция «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления» (г. Таганрог - 2008 г.); Международная науч.-практ. конференция «Современные направления теоретических и прикладных исследований 2009» (г. Одесса - 2009 г.); III Всероссийская научная конференция молодых учёных «Роль системотехники в инженерных исследованиях» (г. Таганрог - 2009 г.); Международная науч.-техн. конференция «Машиностроение и техносфера XXI века» (г. Севастополь 2011 г.); Международная науч.-техн, конференция «Процессы абразивной обработки, абразивные инструменты и материалы. Шлифабразив-2011» г. Волжский, 2011 г.

Результаты диссертации внедрены в учебный процесс Технологического института ФГАОУ ВПО «Южный федеральный университет» на следующих специальностях: 160201 «Самолёта- и вертолётостроение», 160901 «Техническая эксплуатация летательных аппаратов и двигателей», 261001 «Технология художественной обработки материалов» и использованы при выполнении х/д работы № 14222 «Исследование и разработка эффективных конструкций и составов шлифовальных кругов».

Достоверность и обоснованность результатов подтверждается корректным использованием теоретических и научных разработок, проведённых при исследовании эффективности процесса шлифования, и применением современных методик и средств.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 20 печатных работ, из них 4 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ; получено 3 патента РФ на изобретения и 4 патента РФ на полезную модель (всего 5,64 п.л., лично автором - 3,03 п.л.).

Структура и объём работы.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов по работе, списка литературы из 120 наименований и приложения. Объём работы - 187 страниц машинописного текста, включающего 79 рисунков, 22 таблицы, 75 формул.

Личный вклад автора.

Все основные научные положения и результаты исследований, составившие содержание диссертационной работы и определившие теоретическое обоснование и экспериментальное подтверждение повышения эффективности шлифования за счёт применения предложенной конструкции абразивного инструмента и разработанной абразивной массы, получены автором лично. Экспериментальная проверка полученных в диссертации зависимостей, положений и принципов осуществлялась либо автором самостоятельно, либо при его непосредственном участии.

Результаты совместных исследований, опубликованные в научно-технических журналах и трудах институтов при непосредственном участии автора, используются на предприятиях: ОАО «Ейский станкостроительный завод» (г, Ейск, Краснодарский край), ООО «МеталлПром-инвест» и ОАО «Завод Югмашдеталь» (г. Таганрог, Ростовская обл.).

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, рассмотрены существующие направления повышения эффективности процесса шлифования абразивным инструментом, а также разработки в области изготовления шлифовальных инструментов и ис-

пользования плёнкообразующих веществ в процессах механической обработки материалов, Дана общая характеристика работы и направленность исследований.

Первая глава посвящена обзору существующих подходов к абразивной обработке высоколегированных сталей и жаропрочных сплавов, используемых как в двигателе-строении, так и других областях машиностроения.

Рассмотрены существующие конструкции шлифовальных кругов, разработанные научными школами профессоров: В.М. Шумячера, A.B. Королёва, Д.Г. Евсеева, С.Г. Редько, А.Н. Сальникова, Е.С. Киселёва, Л.В. Худобина, П.И. Ящерицына, З.И. Кремня, А.Н. Резникова, A.B. Якимова, В.Ф. Безъязычного, В.К. Старкова и др. На основании их данных был сделан вывод о том, что развитие и совершенствование процесса шлифования в направлении повышения его эффективности зависит от двух важных составляющих: создание новых абразивных материалов и конструирование из них высокоэффективного абразивного инструмента. Имеются разработки слоистых разнозернисгых и высокопористых шлифовальных кругов.

Проведён обзор существующих методов использования йода и высокопрочного ферритного чугуна в процессах шлифования. Ряд учёных занимались исследованиями по применению йода при обработке титановых сплавов и коррозионно-стойкой стали при шлифовании с применением йодосодержащих СОТС, но применение йода или дий-одидов в абразивных инструментах не исследовалось.

В работах профессоров В.Н. Латышева, А.Г. Наумова, Г.И. Шульги и других учёных высказана возможность использования йода в процессах механической обработки деталей. Однако конкретных результатов и рекомендаций по его применению при шлифовании жаропрочных хромоникелевых материалов в технической литературе не приводится.

Для шлифования наружных поверхностей деталей в металлообработке наиболее часто применяются схемы круглого наружного шлифования с продольной подачей, бесцентрового и плоского шлифования, которые были использованы в дальнейших исследованиях.

Анализ работ вышеуказанных авторов показал, что в практике металлообработки существует достаточно большое число способов повышения эффективности шлифования и достижения заданного качества поверхностных слоев обработанных деталей, однако каждый из них, как правило имеет ограниченную область применения и не может охватить весь спектр материалов, используемых при шлифовании. В связи с тем, что в условиях рыночной экономики появляется конкуренция между производителями за качество изготавливаемых деталей, машиностроительное производство нуждается в новых производительных и экономичных способах повышения надёжности и долговечности деталей, подвергаемых шлифованию.

По результатам обзора и анализа существующих исследований и разработок в области повышения эффективности процесса шлифования поверхностей деталей машин сформулированы цель и задачи исследований диссертационной работы.

Во второй главе выполнено теоретико-экспериментальное обоснование путей повышения эффективности процесса шлифования. Используя типовую схему взаимодействия абразивного зерна шлифовального круга с обрабатываемым материалом, была получена формула определения съёма металла разнозернистым кругом QjA за конечное время обработки г:

QZ _ 10' • Г ■ Уд • 1А ■ Н ■ г • Ки • КL (4 ■ Рх + а] . Р2 +... ■+,а," Р„) Г ■ P^vl + vl+ S2non +S2np + 2vK fö + S2non

где у - плотность обрабатываемого материала детали; уд-скорость вращения детали; Vif- скорость вращения круга; / - глубина шлифования; Snon- поперечная подача; Snp-

продольная подача; H - высота шлифовального круга; г - время шлифования;

g

Кн - - продольная подача в долях высоты шлифовального круга;

II

- = Ь,

коэффициент, учитывающий уменьшение реальной дуги контак-

к

та, вследствие неровности контактирующих поверхностей (здесь Я" ~ исходная шероховатость обрабатываемой поверхности детали; Ьд и уд- параметры опорной кривой профиля поверхности детали); а\,а1>...,а" - зернистость каждого сектора шлифовального круга соответственно; Р],Р2,...,Рп - соответствующее число секторов шлифоваль-

ного круга каждой зернистости, ? = /> + Рг +...+Рп; Г-

daVK

d + DK

- параметр соотно-

шения диаметров шлифовального круга и обрабатываемой детали.

Результаты выполненных по формуле (1) расчётов в сравнении с экспериментальными данными подтвердили целесообразность использования при шлифовании деталей разнозернистых кругов для повышения производительности обработки за счёт увеличения съёма материала и их хорошую сходимость.

По результатам проведённого технологического поиска разработано принципиальное конструктивное исполнение многосекторного разнозернистого круга (рис. 1).

А-А

m і |Н <>ТГ- '1

d т,

Рис. 1. Схема многосекторного шлифовального круга разной зернистости:

1 - крупнозернистый участок;

2 - мелкозернистый участок; 3 - участок абразива меньшей

твёрдости

Шлифовальный инструмент содержит крупнозернистые участки абразива и расположенные за ними участки мелкозернистые, которые попарно разделены участками меньшей твёрдости, при этом длины крупнозернистого и мелкозернистого участка шлифовального круга - одинаковы и каждый из них больше, чем длина участка меньшей твёрдости. Участок мелкозернистого абразива состоит из микрошлифпорошков, участок крупнозернистого абразива - из шлифзерна, участок меньшей твёрдости со-

стоит из шлифпорошка. На разработанную конструкцию многосекторного шлифовального круга разной зернистости получен патент РФ на изобретение № 2395381.

Так как качество обработанной поверхности детали зависит от температуры в зоне обработки, был проведён анализ условий контактирозания абразивных зёрен шлифовального круга с обрабатываемым материалом, позволивший через приведённый коэффициент трения получить формулу определения температуры в зоне шлифования © при наличии плёнкообразующего материала, снижающего коэффициент трения в зоне контакта:

0_O,427-V0n(l+/V-//M) (2)

где LP - скрытая теплота плавления на единичной площадке контакта; ©я - температура плавления контактируемого материала; HB - твёрдость контактируемого материала; /лпл - коэффициент трения плёнки, образующейся на контактных поверхностях в зоне обработки.

Анализ формулы (2) и выполненные расчёты показали целесообразность введения плёнкообразующего материала, обладающего низким коэффициентом трения и снижающего температуру в зоне шлифования. 0. Это позволило разработать состав абразивной смеси для шлифовальных кругов, содержащих 0,5 - 0,7% дийодида хрома (патент РФ на изобретение № 2392109). При температурах выше 400 Тдийодид хрома разлагается, а свободный йод образует с металлом соединения, обладающие низким коэффициентом трения. Снижение температуры в зоне шлифования приводит к уменьшению количества и площади прижогов на обработанной поверхности детали.

Показано, что для повышения эффективности процесса круглого шлифования по показателям производительности, качеству обработанной поверхности при назначении режимов шлифования необходимо учитывать соотношение между диаметром используемого шлифовального круга DK и диаметром обрабатываемой детали dn. Это может быть учтено соответствующими коэффициентами на продольную подачу К3Д и скорость вращения обрабатываемой детали Куд. Алгоритм расчёта указанных коэффициентов приведён на рис. 2.

В третьей главе представлена методика проведения экспериментальных исследований. В экспериментальных исследованиях использовались следующие конструкционные материалы, широко применяемы в авиастроении и двигателестроении: 20ХН2МА, 12Х2Н4А, ХН77ТЮР, ХН62МВКЮ.

Параметры шероховатости обработанной поверхности детали определялись на профилометре мод.130 завода «Протон-МИЭТ» в соответствии с ГОСТ 2789-73. Микротвёрдость материала поверхностного слоя образцов до и после шлифования определялась на микротвердомере ПМТ - ЗМ. В качестве индентора использовалась стандартная алмазная пирамида Виккерса (ГОСТ 9377-81). Возникающие в материале поверхностного слоя обработанных образцов остаточные напряжения определялись по методике H.H. Давиденкова.

Для уменьшения расхода абразивного материала при исследовании эффективности применения дийодида хрома в абразивных кругах эксперименты проводились на абразивных брусках 20x10x100мм, используя метод «обратной пары».

Эксперименты проводились на круглошлифовальном станке ЗМ151, плоскошлифовальном станке ЗБ722 и бесцентровом шлифовальном станке мод. ЗГ185. Исследование эксплуатационных характеристик образцов, подвергнутых различным способам шлифования, осуществлялось на установках для испытания материалов на истирание.

Состояние поверхностного слоя детали, подвергнутой шлифованию, оценивалось по числу прижогов N/7 на площади обработанной поверхности 1& а^ и величине относительной площади прижога.

Измерение средней температуры при обработке поверхности детали при наружном круглом шлифовании проводилось специально разработанным устройством со световодом и фотоэлектрическим преобразователем (патент РФ на полезную модель № 91425). Измерение средней температуры в зоне обработки при плоском шлифовании

Рис. 2. Алгоритм назначения поправочных коэффициентов на продольную подачу и встречную скорость вращения обрабатываемой детали Куд при круглом шлифовании

В четвертой главе представлены результаты экспериментальных исследований эффективности шлифования многосекторным кругом разной зернистости и абразивных инструментов, изготовленных с добавлением дийодида хрома. Были проведены экспериментальные исследования по определению оптимальных конструкций и составов шлифовальных кругов при обработке сталей и сплавов. Результаты исследований,

представленные в табл. 1 показывают, что наибольший эффект по производительности и качеству получаемого поверхностного слоя достигается в случае, если шлифовальный круг состоит из 12 секторов: 4 - крупнозернистых участка; 4 - мелкозернистых; 4 -меньшей твёрдости. Это позволяет сделать вывод о том, что предложенная модель шлифовального круга, состоящая из 12 секторов, является наиболее эффективной.

Таблица 1

Значения показателей эффективности разнозернистого круга в зависимости

от количества секторов

Обрабатываемый материал Кол-во секторов в абразивном круге Показатели эффективности

У, г/г Ка, мкм воет, МПа Ып, шт. %

Сталь 20ХН2МА стандартный круг 4,95 2,12 350 И 35

б 5,12 2,02 340 9 20

9 5,85 1,87 310 8 18

12 6,10 1,63 280 б 10

15 5,73 1,61 280 6 12

Сталь 12Х2Н4А стандартный круг 4,76 2,19 360 13 37

б 4,95 2,05 340 10 20

9 5,29 1,90 320 8 18

12 5,65 1,64 300 5 12

15 5,05 1,65 300 6 17

Сплав ХН62МВКЮ стандартный круг 4,08 2,16 490 15 40

б 4,26 2,03 450 12 33

9 4,58 1,87 400 10 25

12 4,75 1,75 380 7 18

15 4,50 1,72 380 8 22

Сплав ХН77ТЮР стандартный круг 4,05 2,24 510 15 45

б 4,22 2,12 470 13 39

9 4,49 1,93 420 10 30

12 4,65 1,77 400 7 20

15 4,37 1,80 390 8 20

Оценка эффективности применения многосекторного шлифовального круга осуществлялась по числу прижогов на обработанных поверхностях Ип и их относительной площади ЛЫП при шлифовании партии деталей из 5 штук диаметром 40 мм и длиной 360 мм на одних и тех же режимах (рис. 3).

Проведены исследования состояния поверхностного слоя деталей из хромоникеле-вых сталей и жаропрочных сплавов в зависимости от соотношения Ок Шд при их шлифовании с применением режимов, указанных в справочнике, и режимов, учитывающих поправочные коэффициенты К* и Л"'7 (табл. 2).

Анализ результатов выполненных экспериментальных исследований позволяет сделать вывод о существенном улучшении состояния поверхностного слоя деталей по качественным показателям в случае назначения режимов шлифования с учетом поправочных коэффициентов Кд И КУД. Последнее приводит К снижению числа прижогов N[] на площади обработанной поверхности И? см* почти в 2,5 раза и уменьшению до 3-х раз суммарной площади прижога. При этом отмечается существенное уменьшение разброса показателей качества поверхностного слоя деталей и числа прижогов при назначении режимов шлифования с учётом соотношения

1 2 3 4 1 2 3 4

■ Шлифовальный круг постоянной зернистости И Многосекгорный шлифовальный ¡фуг разной зернистости

а б

Рис. 3. Сравнительные данные числа прижогов Nп (а) и их относительной площади Жп (б) на обработанных поверхностях деталей из: 1 - стали 20ХН2МА; 2 - 12Х2Н4А стали; 3 - сплава ХН62МВКЮ; 4 - сплава ХН77ТЮР

Таблица 2

Результаты сравнительных исследований состояния поверхностного слоя детали __после шлифования__

Обрабатываемый Показатели качества

материал Оост, МПа АН, мм На, МКМ Ып, шт АИа %

Справочный режим шлифования

Сталь:

20ХН2МА 330-400 0,38-0,55 1,84-2,05 8-12 30-40

12Х2Н4А 330-390 0,38-0,48 1,80-2,32 8-14 30-45

Сплав:

ХН62МВКЮ 500-650 0,45-0,65 1,60-1,85 12-20 40-50

ХН77ТЮР 480-560 0,40-0,56 1,76-2,03 10-16 35-45

Режим шлифования, учитывающий К„ и Кд

Сталь:

20ХН2МА 320-350 0,35-0,42 1,72-1,85 3-5 10-15

12Х2Н4А 320-360 0,34-0,40 1,68-1,82 3-5 10-15

Сплав:

ХН62МВКЮ 480-520 0,42-0,47 1,60-1,70 4-9 15-20

ХН77ТЮР 450-490 0,38-0,48 1,65-1,74 4-7 15-20

Установлено, что использование при шлифовании кругов, содержащих дийодид хрома, более чем на 20% снижает температуру в зоне контакта (рис. 4). При этом одновременно наблюдается стабилизация температуры в зоне контакта круга с дийоди-дом хрома в зависимости от числа двойных ходов, что способствует уменьшению количества прижогов на обработанной поверхности.

Рис. 4. Зависимость температуры © в зоне контакта шлифовального круга с обрабатываемой поверхностью от числа проходов m при обработке: а - сталей 2ÛXH2MA (кривые 1,2) и 12Х2Н4А (кривые 3,4) абразивным инструментом без дийодида хрома (кривые 1,3) и сдийодидом хрома (кривые 2,4); б - сплавов ХН62МВКЮ (кривые 1,2) и ХН77ТЮР (кривые 3,4) абразивным инструментом без дийодида хрома (кривые 1,3) и с дийодидом хрома (кривые 2,4)

На образцах из сталей 20ХН2МА, 12Х2Н4А и сплавов ХН77ТЮР, ХН62МВКЮ проведены сравнительные исследования характера распределения технологических остаточных напряжений аост по толщине поверхностного слоя с изменёнными физико-механическими свойствами ЛЯ (рис. 5, 6).

0,1 0,2 0,3 0,4 АН,ММ ОД 0,2 0.3 0,4 АН,мм

а б

Рис. 5. Распределение технологических остаточных напряжений аош в поверхностном слое образцов из сталей 20ХН2МА (а) и 12Х2Н4А (б): кривая 1 - при шлифовании стандартным кругом; кривая 2 - при шлифовании многосекторным разнозернистым кругом

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 ДH.mt -100-------

я 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 АН,.«M

Рис. 6. Распределение технологических остаточных напряжений пост в поверхностном слое образцов из сплавов ХН77ТЮР (а) и ХН62МВКЮ (б): кривая 1 - при шлифовании стандартным кругом; кривая 2 - при шлифовании многосекторным разнозернистым кругом

Шлифование проводилось с использованием обычного круга из электрокорунда белого 25А зернистостью 25 на керамической связке К1 с наружным диаметром 400 мм и разнозернистого круга такого же диаметра, но имеющего 12 секторов из абразивных зёрен электрокоруида белого 25 А зернистости 12, 25, 40 на керамической связке К1, Обработка образцов велась на круглошлифовальном станке мод. ЗМ151 с использованием в качестве СОТС «Аквол-5» для сталей 20ХН2МА, 12Х2Н4А и «Укринол-14» для сплавов ХН77ТЮР, ХН62МВКЮ.

По результатам выполненных экспериментальных исследований получены эмпирические зависимости показателей эффективности шлифования (г, Ra, <jeçm) от предела

текучести материала детали <тп и режимов обработки (vM, Snr), которые могут быть использованы технологами при назначении рациональных режимов шлифования:

• при наружном круглом шлифовании многосекторным кругом разной зернистости: Y = 10,384СГ°'|ВУд4965^05 ; Ra = 2,185ст«5%«м5«,г; <г_ = 381;46^-sX,94S£f3 (Ff= 2,47;

ат = (300-500 Ша), мд = (0,3-0,8) м/с, SnP = (0,01-0,05) м/с);

• при шлифовании кругами с дийодидом хрома:

7 = 18,98Sa^SÏÏV ; ^ = 3,564<x«Xf Sjf». = 564,57а^^ХП F/ = 2,47; ат = С300-500 МПа), SBp = (0,01-0,02) мм/de.xoà, Snp = (0,02-0,06) м/с).

Металлографическими исследованиями материала поверхностного слоя деталей подтверждено формирование в нём благоприятной структуры при использовании в процессе обработки многосекторных шлифовальных кругов разной зернистости и абразивных инструментов с дийодидом хрома.

Экспериментальные исследования на установках для испытания материалов на истирание показали, что применение многосекторных шлифовальных кругов разной зернистости позволяет повысить износостойкость деталей в 1,5-1,8 раза. Применение абразивных инструментов с дийодидом хрома также в 1,3-1,4 раза повышает их износо-

стойкость. При этом брак при обработке деталей может быть снижен до 4-х раз в зависимости от размеров и конфигурации деталей.

В пятой главе разработаны рекомендации по применению многосекторных шлифовальных кругов разной зернистости, включающие: рекомендуемые материалы для предложенной конструкции шлифовального круга, параметры балансировки кругов и их технико-экономические показатели.

Промышленные испытания многосекгорных разнозернистых абразивных кругов на керамической связке К1 размерами 150x16x32, 200x20x32, 350x40x127, 400x40x127 и абразивных инструментов, содержащих дийодид хрома, проведены на ОАО «Красный гидропресс» (г. Таганрог), ОАО ТАВИА (г. Таганрог), ОАО «Ейский станкостроительный завод» (г. Ейск), ООО «Завод Югмашдеталь» (г. Таганрог) и ООО «МеталлПром-инвест» (г. Таганрог). Эффективность предлагаемых абразивных инструментов оценивалась по снижению числа бракованных деталей из-за неудовлетворительного состояния их поверхностного слоя по показателям шероховатости и количеству прижогов (рис. 7).

Nд, шт.

140 120 100 80 60 40 20 0

34

15

32

20

21

1 2 1 2 1 2 1 2 12Х2Н4А 20ХН2МА ХН62МВКЮ ХН77ТЮР

- число деталей с неудовлетворительным качеством поверхностного слоя;

- общее число деталей

Рис. 7. Результаты использования разработанных рекомендаций по повышению эффективности обработки деталей шлифованием (по данным ООО «Красный гидропресс», ОАО «ТАВИА»): 1 - стандартными шлифовальными кругами; 2-е использованием разнозернистого или содержащего соединения йода абразивного инструмента

Доказано, что изготовление и применение многосекторных шлифовальных кругов разной зернистости эффективно, когда годовой расход шлифовальных кругов на предприятии составляет не менее 8, а абразивных инструментов с дийодидом хрома - не менее 5. Удельная величина экономической эффективности от использования в про-

мышленных условиях многосекторных кругов составляет: при обработке высоколегированных сталей АЭ = (2,5 + 3,2) руб/мин., при обработке жаропрочных сплавов АЭ = (4,4 -г 6,5) руб/мин.

Удельная величина экономической эффективности от использования при плоском шлифовании абразивных инструментов, содержащих дийодид хрома, составляет: для низкоуглеродистых легированных сталей АЭ = (2,2 + 3,8) руб/мин. для жаропрочных сплавов АЭ = (3,6 + 4,5) руб/мин.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. В результате выполненных теоретических и экспериментальных исследований решена важная научная задача, имеющая существенное производственное и экономическое значение для технологии машиностроения - разработаны и исследованы способы повышения эффективности шлифования поверхностей деталей из высоколегированных и жаропрочных материалов изменением конструкции и состава абразивного инструмента.

2. Теоретически доказано и экспериментально подтверждено повышение в 1,4 -1,6 раза производительности обработки по съёму металла при использовании в процессах шлифования двенадцатисекторных шлифовальных кругов разной зернистости.

3. Разработаны конструкция и состав нового абразивного инструмента разной зернистости, применение которого, обеспечивает уменьшение в 1,5 -1,8 раза шероховатости обработанной поверхности, на 15 - 20% снижает величину технологических остаточных напряжений в материале поверхностного слоя детали и более чем в 2 раза уменьшает число и суммарную площадь прижогов.

4. Впервые теоретически и экспериментально доказана возможность использования в составе массы для изготовления абразивного инструмента дийодида хрома, с помощью которого образуются плёнки, обеспечивающие на 20-30% снижение температуры в зоне шлифования, и как следствие, в 1,5 - 2 раза уменьшает число и суммарную площадь прижогов.

5. Разработаны технологические рекомендации по использованию полученных результатов при шлифовании деталей на металлообрабатывающих предприятиях, включающие:

- применение двенадцатисекторного шлифовального круга с абразивом разной зернистости;

- введение в состав массы для абразивного инструмента 0,6 - 0,7 масс. ч. дийодида хрома;

- учёт поправочных коэффициентов на продольную подачу и скорость вращения обрабатываемой детали при назначении режимов шлифования.

6. Показано, что применение многосекторных шлифовальных кругов разной зернистости и абразивных инструментов с дийодидом хрома экономически целесообразно при годовом расходе шлифовальных кругов соответственно 8 или 5. При этом экономическая эффективность от их использования, оцениваемая по удельному показателю снижения себестоимости одной минуты обработки детали, зависит от объёма щлифо-вальных операций, выполняемых на конкретном металлообрабатывающем предприятии.

7. Приведенные в работе теоретические положения и результаты экспериментальных исследований защищены патентами РФ и могут быть использованы при создании новых абразивных инструментов для повышения эффективности разных способов шлифования деталей и из разных абразивных материалов.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ в изданиях рекомендованных ВАК РФ

1. Бутенко В.И. Совершенствование способов подачи, раздачи и очистки СОТС при шлифовании деталей / Бутенко В.И., Дуров Д.С., Гусакова Л.В. // Металлообработка, -СПб.: Политехника, 2009. - №2 (50). - 0,3 п.л. (лично автором - 0,1 п.л.).

2. Бутенко В.И. Влияние диаметра детали и дисперсии размеров абразивных зёрен на качество поверхностного слоя / Бутенко В.И., Дуров Д.С., Гусакова Л.В. // Металлообработка. - СПб.: Политехника, 2010. - №1 (55). - 0,3 п.л. (лично автором - 0,1 п.л.).

3. Бутенко В,И. Энергетический подход к выбору абразивного инструмента при шлифовании кремнистых сталей / Бутенко В.И., Дуров Д.С., Гусакова Л.В. Ц Металлообработка. - СПб.: Политехника, 2010. - № б (60). - 0,37 пл. (лично автором - 0,12 п.л.).

4. Бутенко В.И. Материаловедческие и конструкторско-технологические направления повышения работоспособности изделий машиностроения / Бутенко В.И., Дуров Д.С., Гусакова Л.В. и др. // Известия ЮФУ. Техн. науки. - Таганрог, 2011. - № 1. - 0,37 п.л. (лично автором - 0,06 п.л.).

в других изданиях

1. Бутенко В.И. Влияние вида шлифования на температуру самоподогрева заготовки / Бутенко В.И., Дуров Д.С., Гусакова Л.В. // Материалы Межрегиональной науч.-техн. конф. «Студенческая научная весна - 2008». - Новочеркасск; ЛИК, 2008. - 0,07 п.л. (лично автором - 0,02 п.л.).

2. Бутенко В.И. Исследование влияния дисперсии электросопротивления материала поверхностного слоя детали на его износостойкость / Бутенко В.И., Гусакова Л.В. // Известия ТТИ ЮФУ-ДонНТУ: Материалы Девятого Международного научн.-практ. семинара «Практика и перспективы развития партнерства в сфере высшей школы»: В 3 кн. - Таганрог: Изд-воТТИ ЮФУ, 2008. - Кн. 3. - № 8. - 0,5 п.л. (лично автором - 0,25 п.л.).

3. Гусакова Л.В. Особенности определения составляющих сил резания при шлифовании абразивным инструментом / Гусакова Л.В. // Известия ТТИ ЮФУ-ДонНТУ: Материалы Девятого Международного научн.-практ. семинара «Практика и перспективы развития партнерства в сфере высшей школы»: В 3 кн. - Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2008. - Кн. 3. - № 8. - 0,4 п.л. (лично автором - 0,4 п.л.).

4. Гусакова Л.В. Формирование математической модели температурного поля заготовки в зоне шлифования / Гусакова Л.В. // IX Всероссийская науч. конф. «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления»: Тезисы докладов. - Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2008. -Т.2. - 0,07 п.л. (лично автором - 0,07 п.л.).

5. Гусакова Л.В. Нестационарность показателей процесса шлифования / Гусакова Л.В. // IX Всероссийская науч. конф. «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления»: Тезисы докладов. - Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2008. - Т.2. -0,07 п.л. (лично автором - 0,07 п.л.).

6. Гусакова Л.В. Влияние изменчивости режущих свойств круга на выходные параметры обрабатываемой детали / Гусакова Л.В., Шашелов A.A. // Инженер. Студенческий науч.-техн. журнал. - Донецк: ДонНТУ, 2008. - №9. - 0,4 п.л. (лично автором - 0,2 п,л.).

7. Бутенко В.И. Направление формирования заданных эксплуатационных показателей качества поверхностного слоя деталей при шлифовании / Бутенко В.И., Дуров

Д.С., Гусакоза Л.В // Материалы Международной науч.-практ. конф. «Современные направления теоретических и прикладных исследований 2009»: Сб. науч. трудов. - Одесса: Изд-во НИПКИ ОНМУ, 2009. - Т. б. - 0,5 п.л. (лично автором - 0,16 п.л.).

8.Бутенко В.И. Исследование особенностей формирования показателей качества поверхностного слоя деталей при различных способах шлифования / Бугенко В.И., Дуров Д.С., Гусакова Л.В // «Практика и перспективы развития партнерства в сфере высшей школы»: Материалы Десятого Международного науч.-практ. семийара: В 2 т. Т.2. -Донецк: ДонНТУ, 2009. - 0,4 п.л. (лично автором - 0,13 п.л.).

9.Бутенко В.И. Перспективы управления эксплуатационными свойствами деталей машин / Бутенко В.И., Гусакова Л.В., Захарченко А.Д. и др. // Известия ЮФУ. Технические науки: Материалы Ш науч.-техн. конф. - Таганрог, 2009. - № 1. - 0,4 п.л. (лично автором - 0,08 п.л.).

10. Гусакова Л.В. Оптимизация режимов шлифования по энергетическим показателям процесса / Гусакова Л.В. // «Практика и перспективы развития партнерства в сфере высшей школы»: Материалы Одиннадцатого Международного науч.-практ. семинара: В 3 кн. - Таганрог - Донецк: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2010. - Кн. 3 - 0,37 п.л. (лично автором - 0,37 п.л.),

11.Бутенко В. И. Влияние йода в составе шлифовального круга на контактную температуру при обработке деталей / Бутенко В.И., Гусакова Л.В. // Современные проблемы механики и её преподавание в вузах: Доклады IV Всероссийского совещания-семинара заведующих кафедрами и ведущих преподавателей теоретической механики вузов Российской Федерации, Новочеркасск, 21 - 24 сентября 2010 г. / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т. - Новочеркасск: ЮРГТУ, 2010. - 0,18 п.л, (лично автором - 0,09 п.л.).

12. Гусакова Л.В. Сопоставление физических параметров температурных полей при разных видах шлифования / Гусакова Л.В, // X Всероссийская науч. конф. «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления»: Тезисы докладов. - Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2010 - Т.2. - 0,07 п.л. (лично автором - 0,07 п.л.),

13.Гусакова Л.В. Шлифование вязких труднообрабатываемых сталей / Гусакова Л.В., Жиленков М.А. // IX Всероссийская науч. конф. «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления»: Тезисы докладов. - Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2010 - Т.2. - 0,07 п.л. (лично автором - 0,03 п.л.).

14.Бутенко В.И., Кулинский А.Д., Гусакова Л.В. Пути повышения работоспособности и увеличения сроков хранения абразивных инструментов / Бутенко В.И., Кулинский А.Д., Гусакова Л.В. // «Практика и перспективы развития партнерства в сфере высшей школы»: Материалы Двенадцатого Международного науч.-практ. семинара: В 2 т. - Донецк: ДонНТУ, 2011. - Т. 2. - 0,4 п.л. (лично автором - 0,13 п.л.).

15. Гусакова Л.В. Шлифовальный инструмент переменной зернистости / Гусакова Л.В. // «Практика и перспективы развития партнерства в сфере высшей школы»: Материалы Двенадцатого Международного науч.-практ. семинара: В 2 т. - Донецк: ДонНТУ, 2011. - Т. 2. - 0,4 п.л. (лично автором - 0,4 п.л.).

16. Гусакова Л.В. Разработка конструкции шлифовального круга разной зернистости // Машиностроение и техносфера XXI века / Гусакова Л.В. // Машиностроение и техносфера XXI века: Сб. трудов XVIII Международной науч.-техн. конф. в г. Севастополе 12 - 17 сентября 2011 г. В 4 т. - Донецк: ДонНТУ, 2011. - Т.1. - 0,18 п.л. (лично автором - 0,18 п.л.).

патенты РФ

1. Бутенко В.И., Дуров Д.С., Гусакова Л.В. Устройство для измерения толщины поверхностного токопроводящего слоя изделия // Патент РФ на полезную модель № 76708, класс G01B 7/06, G01R 27/16. Опубл. 27.09.2008 г. Бюл. № 27. - 0,56 п.л. (лично автором - 0,18 п.л.).

2.Диденко Д.И., Гусакова Л.В. Способ шлифования (варианты) / Диденко Д.И., Гусакова Л.В. // Патент РФ на изобретение № 2355551 класс В24В 1/100, В24В 5/18. Опубл. 20.05.2009 г. Бюл. № 14. - 0,5 п.л. (лично автором г 0,25 п.л.).

3. Бутенко В.И., Гусакова Л.В., Фоменко Е.С, Устройство для измерения температуры металла при обработке поверхности резанием / Патент РФ на полезную модель № 91425, класс G01K 7/00. Опубл. 10.02.2010 г. Бюл. № 4. - 0,43 п.л. (лично автором -0,14 п.л.).

4. Бутенко В.И., Дуров Д.С., Гусакова Л.В. и др. Абразивный круг // Патент РФ на полезную модель № 98705, класс U1 B24D 5/14. Опубл. 27.10.2010 г. Бюл. № 30. - 0,56 п.л. (лично автором - 0,11 п.л.).

5. Бутенко В.И., Гусакова Л.В., Шаповалов Р.Г., Фоменко Е.С. Шлифовальный круг / Патент РФ на полезную модель № 100744, класс U1 B24D 5/14. Опубл. 27.12.2010 г. Бюл. № 36. - 0,56 п.л. (лично автором - 0,14 п.л.).

6. Бутенко В.И., Дуров Д.С., Гусакова Л.В. Шлифовальный инструмент / Патент РФ на изобретение № 2395381, класс B24D 5/14, B24D 7/14. Опубл. 27.07.2010 г. Бюл. № 21.- 0,31 п.л. (лично автором - 0,10 п.л.).

7. Бутенко В.И., Дуров Д.С., Гусакова Л.В., Фоменко Е.С. Масса для изготовления абразивного инструмента / Патент РФ на изобретение № 2392109, класс B24D 3/28. Опубл. 20.06.2010г. Бюл. № 17. - 0,31 п.л. (лично автором - 0,07 п.л.).

Типография ТТИ ЮФУ, ГСП 17А, г. Таганрог, ул. Энгельса, 1. Заказ № /9 . Тираж 100 экз.

61 12-5/2096

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное образовательное

учреждение высшего профессионального образования

«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ В г. ТАГАНРОГЕ (ТТИ Южного федерального университета)

На правах рукописи

Гусакова Лиана Валерьевна

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ШЛИФОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ВЫСОКОЛЕГИРОВАННЫХ И ЖАРОПРОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ ИЗМЕНЕНИЕМ КОНСТРУКЦИИ И СОСТАВА АБРАЗИВНОГО ИНСТРУМЕНТА

Специальность 05.02.08 «Технология машиностроения»

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель д-р техн. наук, профессор Бутенко Виктор Иванович

Ростов-на-Дону - 2012 г.

СОДЕРЖАНИЕ

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ...........................................................5

ВВЕДЕНИЕ...................................................................................9

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ПОСТАНОВКА ЦЕЛИ И ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ........................................................................12

1.1. Особенности абразивной обработки жаропрочных материалов......12

1.2. Виды и характеристики абразивного инструмента.....................20

1.3. Схемы обработки деталей шлифованием..................................24

1.4. Использование кристаллического йода и высокопрочного ферритно-го чугуна при обработке деталей.......................................................31

1.5. Параметры качества материала поверхностного слоя, достигаемые при шлифовании............................................................................35

1.6. Выводы по главе 1, цели и задачи исследований........................39

/

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИКО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПУТЕЙ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССА ШЛИФОВАНИЯ...........................................................................44

2.1. Аналитическое определение производительности обработки по толщине слоя срезаемого шлифовальным кругом......................................44

2.2. Разработка конструкции многосекторного шлифовального круга разной зернистости.......................................................................56

2.3. Аналитическое обоснование эффективности применения плёнкообразующих материалов в шлифовальных кругах....................................61

2.4. Исследование состава абразивной массы шлифовального круга с дийодидом хрома и ферритным чугуном.................. ............................65

2.5. Исследование соотношения между диаметром шлифовального круга и диаметром обрабатываемой детали................... ..............................69

2.6. Выводы по главе 2.............................................................72

ГЛАВА 3. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.........................................................................74

3.1. Характеристика используемых при шлифовании материалов........74

3.2. Методы и средства измерения результатов исследований (измерительные приборы и инструменты)......................................................79

3.3. Технология изготовления и подготовки к испытаниям абразивного инструмента на керамической связке.................................................93

3.4. Методика определения средней температуры шлифования...........99

3.5. Определение электросопротивления материала поверхностного слоя шлифованных деталей..................................................................103

3.6. Методы математической обработки результатов экспериментальных

исследований..............................................................................106

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАЗРАБОТАННЫХ ПУТЕЙ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ШЛИФОВАНИЯ ЖАРОПРОЧНЫХ СПЛАВОВ И ВЫСОКОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ... 111

4.1. Поиск эффективных конструкций и составов шлифовальных кругов при обработке высоколегированных и жаропрочных материалов.............111

4.2. Экспериментальные исследования эффективности шлифовальных кругов по съёму металла и качественным параметрам обработанной поверхности детали...............................................................................117

4.3. Исследование параметров качества обработанной детали с учётом поправочных коэффициентов..........................................................130

4.4. Исследование технологических остаточных напряжений в материале поверхностного слоя шлифованных деталей...................................133

4.5. Исследование эффективности абразивных инструментов с дийоди-дом хрома и ферритным чугуном в составе абразивной массы................137

4.6. Определение возможности использования разработанных путей повышения эффективности обработки при бесцентровом шлифовании деталей...........................................................................................144

4.7. Исследование износостойкости шлифованных поверхностей деталей...........................................................................................147

4.8. Выводы по главе 4............................................................158

ГЛАВА 5. РАЗРАБОТКА ПРАКТИЧЕСКИХ РЕКОМЕНДАЦИЙ И ИХ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ..............................160

5.1. Технологические рекомендации по повышению эффективности шлифования жаропрочных сплавов и высоколегированных сталей..........160

5.2. Определение экономического эффекта от внедрения разработанных конструкций и составов шлифовальных кругов..................................162

5.3. Выводы по главе 5............................................................167

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.....................................................168

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК................................................170

ПРИЛОЖЕНА...........................................................................182

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ:

Ок - диаметр круга, мм;

Овк - диаметр ведущего круга, мм;

с1д - диаметр детали, мм;

Уд - скорость вращения детали, м/с;

Ук - скорость вращения круга, м/с;

увк - скорость вращения ведущего круга, м/с;

уСк - скорость скольжения м/с,

пк— число оборотов круга в мин;

пВк ~ число оборотов ведущего круга в мин;

пд- частота вращения обрабатываемой детали, об/мин;

Бпр - продольная подача, м/с;

5поп ~ поперечная подача, мм/де.ход.;

Бвр ~ подача врезания, мм/де.ход. ;

В - ширина круга в мм;

Бд- доля ширины круга;

Я - высота шлифовального круга в мм\

X - коэффициент, учитывающий проскальзывание детали по ведущему кругу; АН - толщина упрочнённого слоя с изменёнными физико-механическими свойствами, мм;

()м - съём металла шлифовальным кругом г; у - плотность материала детали;

- плотность абразивного материала; 1ср _ толщина слоя снимаемого всеми контактирующими зёрнами по линии контакта круга с обрабатываемой поверхностью детали, мм; т - время шлифования, мин.; у/ - угол контакта круга и детали;

Ьо - длина дуги контакта идеально гладких поверхностей круга и детали, мм; Э - эллиптический интеграл второго рода;

5

Г - параметр соотношения диаметров шлифовального круга и обрабатываемой детали;

t - глубина шлифования, мкм;

3 - количество одновременно контактирующих зёрен, шт;

1ф - среднее расстояние между абразивными зёрнами, мкм;

Кн - продольная подача в долях высоты шлифовального круга;

13 - толщина слоя, снимаемого единичным зерном шлифовального круга;

1Ср - средняя толщина слоя, снимаемого всеми контактирующими зёрнами

шлифовального круга по длине контакта;

аз - размер зерна, мкм;

г/ - величина, эквивалентная фактической площади сечения шероховатой поверхности;

1ду - прямые расположенные на определённом уровне от основания профило-граммы;

Ъ и V - параметры опорной кривой поверхности;

Ь0ф - реальная длина дуги контакта шероховатой поверхности круга и детали, мм;

Кь - коэффициент, учитывающий уменьшение длины дуги контакта; Яа - среднее арифметическое отклонение профиля, мкм; Ятах - наибольшая высота неровностей профиля; мкм; Я2 - высота неровностей профиля по десяти точкам; мкм;

Я^ - начальная шероховатость обрабатываемой детали; а\,а]- зернистость каждого сектора шлифовального круга соответственно;

Р[,Р2,...,Рп - соответствующее число секторов шлифовального круга каждой зернистости;

т3 - масса шлифовального материала в инструменте г;

У3 - объем зёрен, %; Ус - объем связки, %;.

Уп - объем пор, %; /и - коэффициент трения;

- приведённый коэффициент трения;

¡ла - адгезионная составляющая коэффициента трения;

¡лд - деформационная составляющая коэффициента трения;

аСР - сопротивление материала срезу для фактической площади контакта;

НВ - твёрдость контактируемого материала;

а - средний угол, составляемый силой трения с фактической площадью контакта (гол трения);

7" з

Ьр - скрытая теплота плавления металла см ;

0 - температура металла в условиях опыта, °С; &п - температура плавления, °С;

- средний угол, составляемый силой трения с участками контакта, как в присутствии разделительной плёнки, так и без неё;

апл - средний угол, составляемый силой трения с участком контакта с равномерным распределением разделительной плёнки постоянной толщины; V- свободная валентность на ювенильной поверхности; VII- химический радикал;

е - электрон, эмитируемый свежевскрытой металлической поверхностью; /2 - возбуждённая молекула йода; /* - радикал йода;

Кд - поправочный коэффициент на продольную подачу детали; Кд - поправочный коэффициент на скорость вращения обрабатываемой детали;

£>я - дисперсность высокопрочного ферритного чугуна; В а - дисперсность зерна используемого абразива;

- дисперсия электросопротивления материала поверхностного слоя детали, Ом2;

- изменение веса абразивного инструмента, г; Тпр - время между правками шлифовального круга, мин; аост - остаточные напряжения поверхностного слоя детали, МПа; N¡1 - количество прижогов на общей длине образца, шт.; АЫП - величина относительной площади прижога, %; ППР - суммарная площадь прижога поверхности детали в 103 мм2; АО - диаметр кольца образца при измерении остаточных напряжений, мм; 3 - момент инерции поперечного сечения исследуемого кольца; Е - модуль упругости материала, МПа; М0 - момент трения исследуемых образцов в Им; Г - показания самописца в Н;

Яэ - эквивалентный радиус действия силы трения в м; Рос - осевая нагрузка в Н; р - давление прессования, МПа;

тт 2

П- площадь прессования, см .

Япс - электросопротивление поверхностного слоя материала, Ом; ат - предел текучести обрабатываемого материала; Ну - микротвёрдость материала, МПа; У- удельный съём металла;

1( - весовая интенсивность изнашивания поверхности образца по времени, г/час;

т - число проходов, мм/дв.ход.

ВВЕДЕНИЕ

Основной задачей современного машиностроения, является получение долговечных, надежных и конкурентоспособных изделий. Одним из факторов, обеспечивающим данные требования, является получение деталей с высокими эксплуатационными характеристиками. Несмотря на то, что сегодня уже существует немалое количество различных методов финишной обработки деталей, наиболее распространенным в нашей стране и за рубежом остаётся абразивная обработка, а именно - шлифование.

Научно-технический прогресс в современном машиностроении неразрывно связан с развитием и совершенствованием процессов абразивной обработки, во многом определяющих трудоёмкость изготовления и качество готовой продукции. Постоянное повышение требований к качеству обработки деталей машин, снижение общих припусков на обработку, тенденция к использованию труднообрабатываемых легированных сталей и жаропрочных сплавов обеспечивают процессам абразивной обработки важную роль в изготовлении деталей с требуемыми эксплуатационными показателями качества. Дальнейшее совершенствование процессов шлифования и доводки абразивным инструментом во многом определяется развитием теории этих процессов, на базе которой эффективно осуществляется поиск новых внутренних резервов повышения производительности и качества обработки.

Одним из главных направлений развития современного машиностроения является освоение прогрессивных технологий по улучшению показателей качества поверхностного слоя материалов, определяющих эксплуатационные свойства изделий, в том числе связанных с процессами шлифования.

Вопросами повышения качества и производительности процесса шлифования на основе анализа его характеристик занимались E.H. Маслов, В.Н. Михелькевич, С.Г. Редько, A.B. Королёв, Г.Б. Лурье, Л.В. Худобин, В.А. Си-пайлов, Д.Г. Евсеев, Ю.Ф. Шихторин, Г.Вернер, В.Кенига, В.М. Шумячер, В.Ф. Безъязычный и многие другие учёные. Широко известны научные шко-

лы в области развития теории абразивной обработки академика П.И. Ящери-цына, профессоров и докторов технических наук Н.И. Богомолова, Г.Б. Боку-чавы, JI.A. Глейзера, Т.М. Ипполитова, А.И. Исаева, С.Н. Корчака, Е.С. Киселёва, В.Д. Кузнецова, Б.А. Кравченко, Т.Н. Лоладзе, A.A. Маталина, Д.Д. Паншева, A.B. Подзея, А.Н. Резникова, A.B. Якимова. Нельзя не упомянуть о работах С.Г. Бишутина, Ю.Р. Витенберга, Ю.М. Зубарева, З.И. Кремня, В.И. Муцянко, Ю.К. Новосёлова, П.И. Орлова, В.И. Островского, С.А. Попова, Г.И. Саютина, В.А. Хрулькова, Л.Н. Филимонова и др.

Благодаря работам перечисленных учёных достигнуты большие успехи в области изучения качества поверхностного слоя, формируемого в процессе механической обработки и улучшения эксплуатационных свойств детали.

Множество методик оптимизации режимов шлифования на основе разработанных критериев не всегда позволяют обеспечить заданные показатели физического состояния поверхностного слоя, а следовательно и требуемые эксплуатационные свойства деталей машин, изготовляемых из высоколегированных и жаропрочных материалов.

Исследования показывают [1-6], что именно создание в процессе обработки рабочих поверхностей деталей машин условий, влияющих на качество поверхностного слоя деталей, является одним из основных критериев повышения ресурса и качества всего изделия.

Решение этой проблемы имеет своей целью повышение надёжности изделий, их эксплуатационных свойств, показателей качества поверхностного слоя обрабатываемых деталей.

Показатели качества обработанного материала зависят от следующих факторов процесса шлифования:

• качества абразивного инструмента;

• соблюдения технологии шлифования;

• выбора инструмента, учитывающего размер зерен, твёрдость и связку абразивного круга оптимального для того или иного способа обработки;

• тепловые явления при шлифовании;

• учёт соотношения между диаметром круга и диаметром детали при назначении режимов обработки.

Большое количество научных работ направлено на интенсификацию процессов шлифования, однако повышение производительности (например, по съёму металла) ведёт к ухудшению качества поверхностного слоя обрабатываемой детали. Именно поэтому комплексный подход к рассмотрению параметров, влияющих на эксплуатационные показатели, становится наиболее приемлемым, безопасным и необходимым в современном машиностроении.

Всё ещё нерешёнными остаются задачи, требующие глубоких экспериментальных и теоретических исследований, и среди них - повышение эффективности процесса шлифования путём изменения конструкции и состава абразивного круга.

К сожалению, современное состояние промышленного производства абразивных инструментов находится не в лучшем положении. В связи с этим машиностроительные предприятия вынуждены либо предпринимать меры по увеличению сроков службы абразивных инструментов путём, например, их импрегнирования или «сухой» консервации [7], либо повышать работоспособность абразивных инструментов разработкой новых конструкторско-технологических решений.

Исходя из вышесказанного, можно утверждать, что исследования по повышению эффективности шлифования легированных сталей и жаропрочных сплавов изменением конструкции и состава абразивных инструментов актуальны и имеют научную и практическую значимость.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ПОСТАНОВКА ЦЕЛИ И

ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Особенности абразивной обработки жаропрочных материалов

Целью процесса шлифования, как и любого процесса резания, является обеспечение заданных технических требований к обрабатываемой детали при минимальной себестоимости её изготовления. Для решения этой задачи необходимо сформулировать целевую функцию, содержащую параметры режима резания и определяющую цель эффективности процесса. Эффективность может выражаться в зависимости от конкретных условий производства в наименьшей себестоимости операции, максимальной производительности, минимальных затратах на абразивный инструмент и других показателях.

На целевую функцию могут быть наложены следующие технические ограничения: требуемая точность детали после шлифования, предельно допустимая шероховатость поверхности обработанной детали; максимальная контактная температура шлифуемой поверхности, при которой ещё не возникают прижоги; требуемые показатели напряжённого состояния поверхностного слоя материала детали и т.д. При этом следует иметь в виду, что одной из основных особенностей процесса шлифования поверхностей деталей машин является то, что в отличие от лезвийного инструмента абразивное зерно соскабливает материал с обрабатываемой поверхности.

Решение задач, связанных с каждым из указанных ограничений, а также их совместное решение основано на теоретических и экспериментальных исследованиях с учётом свойств обрабатываемых материалов.

В современном машиностроении находят широкое применение такие конструкционные материалы, как стали 20ХН2МА, 12Х2Н4А (ГОСТ 454371) и жаропрочные сплавы ХН77ТЮР, ХН62МВКЮ (ГОСТ 5632-72), относящиеся к материалам IV группы обрабатываемости. Так,