автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Повышение качества деталей и эффективности операций абразивной резки металлов центробежной подачей СОЖ в зону обработки

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ.ВЫСШЕЙ ШКОЛЫ И ТЕХНИЧЕСКОЙ ПОЛИТИКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

МОСКОВСКИЙ ИНСТИТУТ ПРИБОРОСТРОЕНИЯ

На правах рукописи

БЛУРЦЯН Давид Рафикович

ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ДЕТАЛЕЙ И ЭФ5ЕКТИВНОСТИ ОПЕРАЦИЙ АБРАЗИВНОЙ РЕЗКИ МЕТАЛЛОВ ЦЕНТРОБЕЖНОЙ ГОДАЧЕЙ СОЖ В ЗОНУ ОБРАБОТКИ

Специальность 05.02.08 - Технология машиностроения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1992 г.

? О

Г с/ с// О ^

Работа выполнена в Московском институте приборостроения на каф "Комплексная механизация и автоматизация технологических проце механической обоаботки и сборки".

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор А. А. Михайлов

Официальные оппоненты: доктор те*нических наук, профессор Е Н. Подураев,

кандидат технических наук, доцент Л П. Товшик

Ведущее предприятие: завод "Кеукуг"

Зашита диссертации состоится " " ¿/'О^/Я "1992 г.

в _часов на заседании специализированного совета К 063.93.

в Московском институте приборостроения по адресу: 107846, Москва, ул. Стромынка, 20.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МШ. Отзывы направлять по указанному адресу

Автореферат разослан "_"_"1992 г.

Ученый секретарь специализированного Совета // кандидат технических наук, доцент А. Ц, Дальска

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диктуется необходимостью повышения качества поверхностных слоев обработанных деталей и эффективности одной из наиболее распространенных в машиностроении операций - разрезания металла с использованием отрезных абразивных кругов.

Существующие технологические процессы абразивной резки металлов не обеспечивают достаточно эффективного отвода тепла, образующегося при резании, что приводит к снижению стойкости инструмента и к образованию дефектов в слоях металла заготовок, прилегающих к поверхностям pesa, а также ограничивает возможность интенсификации режимов обработки.

Пелыо работы является повышение качества деталей и эффективности операции абразивной резки металлов.

Методика исследований строилась н". базе современных научных основ технологии машиностроения с учетом законов механики, гидродинамики и сопротивления материалов. Обработка результатов экспериментальных исследований осуществлялась с. использованием методов статистического анализа и средств вычислительной техники.

Научная новизна. Проведена оценка возможности повышения качества деталей и эффективности операции абразивной резки металлов путем обеспечения гарантированного подвода СОЖ в зону обработки. Вскрыты закономерности, связывающие стойкость инструмента и параметры качества поверхностных слоев обработанных деталей с технологическими параметрами операции абразивной резки металлов. Разработаны научно-обоснованные рекомендации по построению технологической операции абразивной резки металлов. Для обеспечения гарантированного подвода СОЖ в зону обработки модернизирована конструкция отрезного инструмента и оснастки для подачи СОЖ. выявлены зависимости стойкости абразивных кругов и качества деталей от числа и размеров каналов в отрезном инструменте. Разработанные конструкции защищены авторскими свидетельствами.

Практическая ценность работы. Разработана и внедрена в производство технология промышленного изготовления отрезных кругов с внутренними каналами для подачи СОЖ в зону резания. Разработаны методики прочностных и гидравлических расчетов геометрических параметров отрезных кругов с каналами, позволяющие обеспечить необходимое качество поверхностных слоев разрезаемых заготовок и высокую эффективность операции абразивной резки металлов. Исследован и внедрен в производство технологический процесс разрезания металлов с •

центробежной подачей СОЖ в зону обработки, обеспечивающий повышение стойкости абразивного инструмента и качества поверхностных слоев обработанных деталей.

Реализация работа. На ведущем предприятии освоен промышленный выпуск отрезных абразивных кругов 4С0х4х32 с 20-ю внутренними кана лами. Разработанный технологический процесс абразивного разрезания заготовок с подводом СОЖ через каналы а отреаяом круге внедрен на заводе "Жемчуг". Суммарный экономический эффект от внедрения составил 22916.64 руб. (в ценах 1991 г.). Внедрение указанного технологического процесса абразивного разрезания металлов включено в оргтехплан Муромского стрелочного завода.

Апробация работы. Результаты работы были доложены и обсуждены на Московской межвузовской конференции "Технология 88", областной научно-технической конференции "Молодые ученые - народному хозяйству", Владимир, 1987 г. , на региональной научно-технической конференции "Нестандартное оборудование, оснастка, механизация и прогрессивная технология машиностроительного производства", Владимир, 1389 г. . на Всесоюзной конференции молодых ученых и специалистов "-От новых технологий производства абразивного инструмента и обработки - к техническому прогрессу в машиностроении". Лениград. ЕКИИАШ, 1989г. , на научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава Владимирского политехнического института, Владимир, 1990г, на Всесоюзной научно-технической конференции "Актуальные проблемы машиностроения-на современном зтапе", Владимир, 1991 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ, в том числе получено 2 авторских свидетельства и 2 положительных решения Государственной научно-технической экспертизы изобретений.

Структура й объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 разделов и заключения. Работа содержит 119 страниц машинописного текста, 8 таблиц, .56 рисунков, списка литературы из 118 наименований и 6 приложений на 15 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении кратко сформулирована проблема исследования и пути ее решения.

В первом разделе проведен анализ технологических факторов, влияющих на качество деталей и на эффективность операции абразивной резки металлов, рассмотрены существующие возможности повышения эффективности абразивной резки путем совершенствования обору-

дования, оснастки, отрезного инструмента и назначения оптимальных " режимов обработки. Показано, что основной особенностью процесса и схемы абразивной резки является отсутствие условий для надежного подвода смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ) в зону обработки. Проникновению СОЯ в зону обработки препятстуют мощные воздушные потоки, генерируемые при вращении отрезным кругом. Доля тепла, отводимого жидкостью, оказывается ничтожно малой. Отсутствие СОЯ в зоне контакта абразива и металла не позволяет в полной мере использовать все ее функциональные возможности, что резко снижает эффективность операции абразивной резки металлов и приводит к образованию дефектов в поверхностных слоях обработанных деталей. Отмечается, что наиболее существенного улучшения показателей эффективности процесса абразивной резки можно достичь при использовании центробежной подачи СОЛ через внутренние каналы в отрезном инструменте. Сделан -вывод о том, • го наиболее рациональной является конструктивная схема отрезного круга с внутренними прямолинейными .радиальными каналами полукруглой формы, расположенными на торцевых поверхностях инструмента и не доходящими до центрального отверстия отрезного круга. На основании проведенного анализа сформулированы цель и задачи исследований.

Во втором разделе представлены обшая методика исследований и условия проведения экспериментов.

Экспериментальные исследования проводились на серийном абразивно-отрезном стенке мод. МФ-332 с использованием модернизированной технологической оснастки для подачи СОЖ и отрезных кругов 400x4x32 14А50НСТЗБУ с 10-ю и 20-ю внутренними каналами для подвода СОЖ в зону обработки. В качестве СОЖ использованы 3% содовый водннй раствор, ЗХ раствор эмульсола в воде, 1.3% водные растворы жидкостей Аквол-16 и Нифирин. В качестве образцов использованы заготовки из стали М75 ГОСТ 6944-63 и стали 45.

Обработка результатов производилась с применением методов статистического анализа и средств вычислительной техники.

В третьем разделе представлен сравнительный анализ механической прочности серийных отрезных кругов и кругов с каналами для СОЖ. Определены величины и картины распределения напряжении,, возникавших в отрезных кругах при их испытаниях и эксплуатации. Вскрыты теоретические- зависимости напряжений в отрезных кругах от числа,и размеров каналов для СОЖ. Выявлены опасные сечения абразивных кругов. По результатам проведенных исследований разработа-

ны рекомендации по конструктивному выполнению отрезных кругов с каналами для СОЯ

Выяснилось, что наиболее нагруженными при испытаниях и при эксплуатации кругов участками являются зоны центрального отверстия. дна и начала каналов. Для проведения экспериментальных исследований рекомендовано использовать отрезные абразивные круги с 20-ю полукруглыми каналами радиусом не более 2,0 мм.

В четвертом разделе выполнены исследования гидродинамических параметров технологической оснастки для центробежной подачи СОЖ в зону обработки. Рассматриваемая оснастка представляет из себя двухступенчатый центробежный нагнетатель, первой ступенью которого является планшайба с лопастями,, а второй - абразивный круг с каналами для перемещения СОЕ

Проведенные.расчеты показали, что наиболее значительная часть суммарного напора жидкости создается вращающимся абразивным отрезным кругом с каналами для СОЖ.

В пятом разделе проведены экспериментальные исследования процесса абразивной резки металлов с центробежной подачей СОЖ в зону обработки. Рассмотрены конструкции технологической оснастки и отрезных кругов,защищенные авторскими свидетельствами N 1627387, 1549736 и положительными решениями Государственной научно-технической патентной экспертизы N 4687189/31-08 от 05.05.39 г. и N 4341038/08 от 20.06. .90 г. В качестве основной конструкции отрезного инструмента используется абразивный круг, представленный на рис. 1. СОЖ, подающаяся из симметрично расположенных патрубков. захватывается лопатками планшайб, расположенных по торцам отрезного круга, и по каналам в абразивном инструменте перемещается з зону обработки.

Проведение прочностных испытаний указанных кругов показало их высокую механическую прочность. Круги с 20-ю каналами радиусом 2 мм успешно выдержали испытания на частоте вращения 10200 мин-1 при испытательных частотах вращения 5000 мин-1 (по ГОСТ 12.3.028-82).

Проведенные грочностные испытания отрезных кругов с 8-ю и 16-ю каналами заведомо больших размеров (площадь поперечного сечения канала равна 25 мм подтвердили правильность теоретических расчетов опасных сечений отрезного инструмента, выполненных в третьем разделе данной работы.

Сравнительные стойкостные испытания показали, что при резке с центробежной подачей СОЖ коэффициент шлифования - отношение

.Планшайбы и отрезной абразивный круг с внутренними каналами для центробежной подачи СОЖ в зону обработки

Рис,1

Изменение шкротвердости металла по глубине

W,

L*

8000

еоаа

ШО

гооо

1 - резка с центробежной подачой OOS;

2 - резка серийннм ' "плотным кругом, СОЖ - поливом;

3 - резка крутой с 2С£® каналами, СОЖ - поливом

Рис?2

V-

а N, \ ~ -О--- \

\ X

\ \ о \ V

U/ —Л--- Л

44 Ц8 <г <<5 /,>/о?л/

-Лъема снятого металла к объему изношенного аСрааизного инструмента - в 1,5 раза больше коэффициента шлифования при резке традиционным методом (с подачей СОЖ поливом) и в 9,8 раз больше,чеы при резке без использования СОХ. При этом, наилучшие показатели бьиш получены при резке с использованием в качестве СОЖ жидкостей, имеющих хорошие смазывающие свойства (Аквол-16, Нифирин).

Исследования влияния технологических факторов на качество поверхностных слоев обработанных заготовок выявило следующие закономерности: шероховатость обработанных поверхностей (в частности. параметр Иа) в целом снижается от зоны входа абразивного крута в заготовку в направлении зоны выхода инструмента из .-разрезаемой заготовки. Использование технологического процесса -абразивной резки с центробежной подачей СОЖ в зону обработки приводит к некоторому смещению центров группирования величин 1?а ¿в сторону :их больших значений (до Ка 2,0... 2,5 мкм). В то же .время при резке с центробежной подачей СОЖ значения средних ¡шагов неровностей 3 -й Эшниже, чем при резке без использования СОЖ.

Наибольшее влияние на величину неровностей профиля оказывает скорость движения подачи отреаногб круга, увеличение которой в пределах 0.05...0.45 м/мин при центробежной подаче СОЖ в зону обработки приводит к увеличению значений среднего арифметического отклонения профиля Иа на 37 - 42 а величин наибольших высот неровностей профиля Яшах - более, чем в два раза. По результатам проведенных экспериментов не удалось выявить заметной взаимосвязи между технологическими факторами обработки и величиной относительной опорной длины профиля Ьр.

Использование технологического процесса резки с центробежным подводом СОЖ кругами 14А50НСТЗБУ с 20-ю внутренними каналами при высоких скоростях подач инструмента позволяет сущесвенно снизить возможность образования прижэгов и обеспечивает получение шероховатости обработанных поверхностей не более Иа 2.0... 2.5 мкм.

Сравнительные исследования различных технологических процессов абразивной резки свидетельствуют о том, что резка с центробежной подачей СОЖ позволяет резко уменшить глубину дефектного слоя металла ( до 0.02... 0.06 мм) или вовсе исключить его образование.

Наибольшее влияние на микротвердость металла в зоне реза оказывает величина расхода СОЖ через отрезной инструмент. Исполь зование малых расходов СОЖ приводит к образованию мартенситных

структур на глубину до 0.5... 1.0 мм. При резке заготовок стандартными сплошными кругами с подводом СОЖ поливом и при резке без использования СОЛ глубина дефектного слоя достигает 2.5 мм. Бездефектная микроструктура поверхностных слоев образцов получена при резке заготовок с максимальными расходами СОЖ через отрезной инструмент и скоростях подачи порядка 0.45 м/мин. Повышение качества поверхностных слоев обработанных деталей при реализации процесса абразивной резки с центробежной подачей СОЖ в зону обработки происходит не только в результате изменения схемы подвода.СОЖ. но и за счет прерывистости режущей поверхности отрезного круга, обусловленой наличием в нем внутренних каналов для СОЖ ( рис. 2 ).

В кестом разделе представлены технико- экономические расчеты и рекомендации по построению технологического процесса на операции абразивной резки металлов с центробеясной подачей СОЯ в зону обработки. Проведенные расчеты себестоимости отрезных кругов показали, что при изготовлении абразивных инструментов с внутренними каналами дополнительная прибыль от экономии материалов составляет 4500 рублей в год (в ценах 1991 г.). Суммарный экономический эффект, складывающийся из прибыли от продажи отрезных кругов с каналами и эконом»! при внедрении разработанного технологического процесса абразивной резки на базовом предприятии, составляет 22916.64 рубля (в ценах 1991 г.).

ОЕЕИЕ ВЫВОДЫ

1. Проведенный анализ научно-технической и патентной литературы показал, что тепловой фактор является одной из основных причин низкого качества обработанных деталей и низкой эффективности операции абразивной резки металлов. Использование традиционных методов подачи СОЖ к разрезаемым заготовкам не позволяет в полной мере реализовать все ее функциональные возможности, что резко сникает эффективность использования СОЖ.

2. С целью повышения качества обработанных деталей и эффективности операции абразивной резки металлов разработан тегчоло-гический процесс абразивной резки с центробежной подачей СОЖ в зону обработки, характеризующийся использованием новой технологической оснастки для подачи СОЖ к разрезаемым заготовкам, нового отрезного абразивного инструмента, а также более интенсивными режимами обработки. В качестве основной конструкции отрезного инструмента для реалг^ации процесса абразивной резки

металлов с центробежной подачей СОХ в гону обработки необходимо использовать абразивный круг с радиальными внутренними прямолинейными каналами постоянного сечения полукруглой формы.

3. В результате проведения теоретических и практических исследований прочностных параметров отрезного абразивного инструмента с каналами для подачи СОЖ в зону обработки выяснилось, что наиболее нагруженными при испытаниях и эксплуатации HBcfpyweníS участками являются зоны центрального отверстия, дна » начала ка^ налов в отрезном круге. Для обеспечения высокой механической прочности отрезного круга с каналами для СОЖ. аналогичного серийному кругу диаметром 400 мм, число каналов йе- до'ЛЖю ггревй' шать 20 при радиусе каналов 2,0 мм. Отрезные круги указанных параметров имеют более, чем двухкратный1 запас прочности íf могут эксплуатироваться на скоростях резаний до 80 wc.

4. Проведенные расчеты показали, что наиболее существенное влияние на гидродинамические параметры оснастки для подачи СОЖ оказывают размеры поперечного сечения каналов (радиусы каналов) в абразивных кругах. Уменьшение радиусов полукруглых каналов с 2,0 до 1.5 мм приводит к снижению расхода СОЖ, перемещаемого через рассматриваемую оснастку? в Б раз. Изменение числа каналоа в круге с 30-ти до 20-ти приводит к снижению расхода СОЖ в 1.5 раза Основная часть (957.1 суммарного напора СОЖ создается в результате разгона жидкости.в каналах отрезного круга Одновременно. наиболее крупные потери напора происходят в результате трения при перемещении СОЖ по каналам абразивного круга.

5. При реализации процесса абразивной резки металла с центробежной подачей СОЖ в зону обработки возрастает коэффициент шшфования - отношение объема снятого металла к объему изношенной части абразивного круга. Его значение увеличивается по сравнению с резкой с подачей СОЖ поливом в 1,5 раза, а по сравнению с резко без использования СОЖ - в 9,8 раза. Резка заготовок с центробежно подачей СОЖ позволяет отказаться от использования дополнительных устройств по поддержанию постоянной скорости резания при износе отрезного круга, так как стойкость кругов при изменении скорости .резания с 50 м/с до 25 м/с изменяется лишь на 6 X.

6. Использование технологического процесса абразивной резки с центробежной подачей СОЖ в зону обработки при скоростях подачи круга 400x4x32 14А50НСТЗБУ порядка 0,20...0,70 м/мин позволяет существенно снизить вероятность образования прижогов торцев раз-

резанных заготовок и обеспечивает получение шероховатости обработанных поверхностей не более 2,0...2.5 мкм.'

7. При резке необходимо использовать максимальные величины расходов СОЯ. обеспечиваемых технологической оснасткой для центробежной подачи СОЯ в зону обработки. В качестве СОЖ необходимо использовать водные растворы, обладающие повышенными смазывающими свойствами (типа Аквол-16,• Нифирин).

8. При резке с центробежной подачей СОЖ в зону обработки ■>тмечается минимальная величина и глубина изменения микротвердости поверхностных слоев металлов обработанных заготовок. Глу-Сина дефектного слоя ,це превышает О.Об мм. Повышение качества поверхностных слоев металлов происходит не только в результате изменения схемы подвода СОЯ, но и за счет прерывистости режущей поверхности отрезного круга, обусловленной наличием в нем каналов для СОЖ. При резке металлов с центробежной подачей СОЖ в отличие от резки без охлаждения или с подачей СОД поливом наблюдается образование сжимающих остаточных напряжений в поверхностных слоях обработанных заготовок.

9. Для обеспечения максимальной производительности абра- . зивной резки металла данную операцию необходимо осуществлять с использованием высоких скоростей подачи инструмента. Ввиду отсутствия ограничений по качеству обработанных деталей при резке с центробежной подачей СОЖ повышение производительности обработки ограничивается лишь малой мощностью привода вращения отрезного крута (15 КВт). Для дальнейшего повышения производительности процесса абразивной резки металлов путем интенсификации режимов обработки необходимо использовать абразивно-отрезное оборудование с более мошными приводами вращения абразивного инструмента.

10. Несмотря на некоторое повышение трудоемкости изготовления отрезных кругов с каналами для СОЖ, их себестоимость ниже себестоимости аналогичных стандартных сплошных кругов за счет уменьшения объема используемой абразивной массы (ввиду наличия в кругах каналов для СОЖ). Ожидаемый суммарный экономический эффект, складывающийся из прибыли от продажи отрезных кругов с ..аналами и экономии при внедрении разработанного технологического процесса абразивной резки металлов на базовом предприятии, составляет 22916,64 рубля (в ценах 1991 г.).

Содержание диссертации отражено в следующих опубликсзанных работах:

¡г

J. Сборный абразивный инструмс-нт / Е Г. Гусев, Д. Р. Блурцян, Л. В. Силин/. Авторское свидетельство N 1449736. Е и. N 10, 1990 г.

2. Кожух отрезного круга / В. Г. Гусев, Д. Р. Блурцян, И. Е Борисов/. Авторское свидетельство N 1627387,Б. и. N 6,1601 г.

3. Абразивный инструмент / R Г. Гусев, Д. Р. Блурцян, Ф. Н. Тереш-кин/. Положительное решение N 4687189/31-08 от 05.05.89 г.

Отрез..ой абразивный круг /В. Г. Гусев, Д. Р. Блурцян, ф. Н. Те рея-кик/. Положительное решение N 4841033/08 от £0.06. ВО г.

В."Тусев ЕГ. .Блурцян ДР. Влияние ваЗорнсП поверхности.сегментов .сборных абразивных кругов Hj давление сма.ючно-охлаждающей жидкостг .в зоне резания. Тезисы доклада на научно- технической 4ерендаи "Иэлодые ученые - народному хозяйству", Владимир, .1Û8? -г.

6. Тусев К Т.. Блурцян Д. Р. Совершенствование техиддогдееских процессов.абразивной отрезки металлов. Тезисы доклада иа научно-технической конференции "От нови-.: технологий производства абразивного инструмента и обработки - к техническому црцгрериу -в машиностроении", Яеяиыдад. 1689 г.

7. Гусев Е Г., ТЗлурцян Д. Р. Комплексное исследование качества торцевых поверхностных слоев контррельсов при абразивной резке. Те- • аисы доклада на региональной научио-тохтаческой конференции "Нестандартное оборудование, оснастка, механизация и прогрессивная технология машиностроительного 'производства", Владимир, 1989 г..

8. Гусев ЕГ., Блурцян Д. Р.Серов Е А.Оценка возможности применения отрезных абразивных кругов с каналами для подвода СОЖ в зону резания. Исследования в области инструментального производства и обработки металлов резанием. Сборник научных трудов. Тула. 1990г.

9. Блурцян Р. Е . Залазинский М. Г.. Блурцян Д. Р. Прибор для определения остаточныл напряжения. Информационный листок N 190-89, Владимир,1989 г.

10. Гусев Е Г.. Малясов Е Е , Блурцян Д. Р. Совершенствование системы подвода СОХ на абразивно-отрезных операциях. Материалы межрегионального Яс»учно-технического семинара "Повышение надежности и долговечности выпускаемой продукции технологическими методами в малинocTDçewM". Орел, 1991 г.

11. Гусев R Г., Блурцян Д. Р. Анализ конструктивных схем отрезных абразивных 'футов с центробежным подводом СОЖ Материалы межрегионального научно-технического семинара "Повышение надежности

и долговечности выпускаемой продукции технологическими методами в машиностроении-, Ope л,- 1991 г.

12. Гусев Е Г., Блурцян Д. ?. повышение эффективности аоразив-ной резки металла путем центробежной подачи COS в аону обработки. Тезисы доклада на Всесоюзной научно-технической конференции "Актуальные проблемы машиностроения на современном этапе", Владимир, 1991 г. ---;—-.