автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Повышение точности и качества деталей при электроконтактно-дуговой абразивной обработке инструментом с прерывистой поверхностью

Сзнкт-ПетерЗургский государственный технический университет

ПОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТИ К КАЧЕСТВА ДЕТАЛЕЙ ПРИ ЭЛЕКТРОКОНТАКТНО -ДУГОВОЙ АБРАЗИВНОЙ ОБРАБОТКЕ ИНСТРУМЕНТОМ С ЛРЕРШМСТОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ

Специальность: 05.02.09 - Технология машиностроения

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи Для служебного пользования Экз. Я _

2

КАЗАНЦЕВ Александр Геннадьевич

УДК 621.9.048

Санкт-Петербург 1992

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном техническом университете.

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Л.А.Ушодарсквя.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Е.А.Глаговский,

кандидат технических наук, доцент О.Н.Шишев.

Ведущая организация: п.о. "Ленинградский металлический

завод".

Заадета состоится "22" декабря 1992 г. в 16 часов на заседании специализированного совета . Д 053.38.15 в Санкт-Петербургском государственном техническом университете по адресу: 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29.

Ваши отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим присылать на - имя ученого секретаря специализированного совета Д 063.38,16.

С диссертацией мокно ознакомиться в фундаментальной библиотеке университета.

Автореферат разослан /¿г- // _ 1992 г.

Ученый секретарь специализированного

совета Д 063,38.16,

кандидат технических наук, доцент

И.А.Сенчило

ПОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТИ И КАЧЕСТВА ДЕТАЛЕЙ ПРИ ЭЛЕКТРОКОНТАКТНО-ДУГОВОЙ АБРАЗИВНОЙ ОБРАБОТКЕ ИНСТРУМЕНТОМ С ПРЕРЫВИСТОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ •

Актуальность работа. Современная • промышленность располагает большим разнообразием металлов, относящихся к категории труднообрабатываемых. Машиностроение имеет в своем арсенале различные метода обработки таких материалов, к числу которых относится и комбинированная злэктрсконтактно-дуговая абразивная обработка (ЭКДАО) плоски поверхностей (рис. 1,а). Объединяя в себе дез различных по физической сущности процесса: электроконтактно-дугоЕую обработку (ЗКДО) и шлифование, ЭКДАО сочетает в себе высокую производительность ЭКДО с получением шлифованной поверхности. Однако, несмотря на явные преимущества, которыми обладает процесс ЭКДАО, не всегда • удается получить детали, ■отвечавшие необходимым требованиям по качеству и точности, что препятствует более • широкому внедрению данного ■ способа в прошшлениость. Вопроси теории и практики использования ЭКДАО отстают от уровня, нз котором находятся другие методы обработки, поэтому применение его в производстве затруднено и требуется проведение дальнейших исследований по повышению точности и качества деталей, что и определяет актуальность данной работы.

Цель работа. Повышение, точности и качества плоских деталей за счет применения компилированного инструмента с прерывистой рабочей поверхностью и установления взаимосвязи между технологическими параметрами процесса.

Методика исследований. Теоретические исследования проводились с использованием научных основ технологии- машиностроения, теплофизики, металловедения,' тоории . вероятности, вычислительной техники и теории планирования экспериментов. .

Экспериментальные исследования выполнялись на специальной лабораторной установке для ЭКДАО, созданной.на базе вертикально- ■ фрезерного станка мод. 6М12П, оснащенной источником технологического тока . типа- ВМГ-5000. Исследования электрических

параметров процесса и сил обработки с регистрацией сигналов тензометричесхсго усилителя "1'А-5" осуществлялись с помещай светолучевого ссциллографз Н-П7. Металлографические наследован!:.': проводились на электронном микроскопе ■ ЭМ-200, микротвердость определялась на приборе ПТМ-2. Остаточные напряжения ^ поверхностных слоях заготовки изучались на -приборе типа "Пиан-2" по методу Дазиденковэ. Шероховатость поверхности после ЭКДАО оценивалась на профилогрзфз-профкоме тре мод. 201. При отпимнзацип параметров, теоретических исследованиях, анализе экспериментальных данных к оценки их достоверно ста применялись ЭВМ.

Научная новизна.

разработана таоретнко-зкепэрименталькая модель, устанавливающая взаимосвязь и закономерности параметров точности и '.качества от режимов к условий процесса, а также позволяющая выявить доминирующие состзвлякзиц'э возникающих погрешностей;

- установлены основе закономерности зависимостей сил, износа КСМЗКНКрОВЗККОГО 1£КС?руМ9НТЗ II ЗКЗрГОГЙЧЭСХИХ ПйрЗМЭТрОВ ОТ УСЛОВИЙ

Практическая ценность. Результаты исследований позволяют рекомендовать. метод ЭКДО) нз получистоЕнх и чистовых операциях обработки деталей из труднообрабатываемых сталей.

К практическому использованию предложены:

- конструкция комбинированного инструмента с прерывистой рабочей поверхностью;

- программное обеспечение, позволявшее определить точность и рациональные режима обработки деталей в зависимости от параметров процесса;

- рекомендации по определению припуска при комбинированной обработке и посла ЭКДАО;

- техническое задание на проектирование установки для •■ комбинированной'обработки плоскюс деталей;

Реализация результатов работы. Результата исследований • внедрена на Череповецком металлургическом комбинате им. 50-летия . СССР для обработки макрошлифов с ожидаемым экономическим эффектом 67 тыс.. рублей е год. Проведены производственные испытания комбинированного инструмента' и принято к использованию техническое задание на проектирование установки ЭКДАО плоских деталей на ПО им. . 2

К.Маркса. Соответствующие акты прэдстаЕлэнн е работе.

Агообзция работы. Основные положения диссертаций докладывались и обсуждались: нз научно-технической конференции "Прогрессивные технологические процессы обработки металлов и их автоматизация" (АлтПИ, 1989г.); на постоянно действующих • -научно-технических семинарах "Повышение эффективности применения электрофизически и электрохимических методов, обработки материалов (ДДНТП, 1990г., (Х^Ерзль, декабрь); ка нзучно-техническом сэг.?пл2рэ ''Сггхт применения экологически чистых электрофизических методов обработки" • (ЛДКГП, 1991г.); кз республиканской научно-технической ксн£*зр5кции "СовераенстЕСЕЗкке технологических процессов изготовления деталей машин" (Курганский ДНГП, 1991г.); на Всесоюзной научно-технической конференции "Остзточнке напряжения ■ - резерв прочности в Машиностроении" (Ростов-на-Лону, 1991г.); на постоянно действующих научно- технических семинарах кафедра "Технология конструкционных материалов" СШГТУ (1939-1992 гг.). По материалам диссертационной работы прочитана лекция для работников промышленности в ДЩГП (1991г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 печатных работ.

Структура к обгем наботы. • Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных нз 136 страницах машинописного текста, 96 рисунков, 7 таблиц, приложений и списка ЯИТврЗТУрЫ 124 К2»34вйОВ2ККЙ»

. В рзботе приняты сокращения: ЭКДО - электроконтактно-дуговая збработкэ; ЗКДАО - элктрононтактно-дуговая абразивная обработка; ЭИ о^з^сТ^Уи'^Н?' тЗП ~ ' МЗ««ЭЛЗКТ^ОДЫЫ»! ГП^ОМбХуТСКу РЖ "* эабочай жидкость; ЗТВ - зона термического влияния; ОН - остаточные гапряжения; ИП - источит питания.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосноЕЫЕзется актуальность тема диссертационной )аботп с учетом основных направлений развития машиностроения и [риводится в сжатой ферме изложение основных результатов научной, йбота, представленных-нз защиту..

В перьсй главе' содержится обзор и анализ рас5ст, посвященных различным методам обработки плоских поверхностей деталей. Показано, что наиболее эф^ектишш?.! способом при изготовлении деталей из труднообрабатываемых материалов является процесс ЭКДАО, отличающейся высокой производительность». Наряду с явными преимуществами данного метода обработки металлов не всегда удается получить детали, отвечающие' заданным требованиям по точности л качеству поверхности, что прзпятствует • более вирокому распространению данного способа в промышленности.

■В результате анализа трудов Б. Я. Борисова, В.Б.Витл1ша, Л.С.Давидова, Д.А.Ушомпрской, В.К.Семенова, В.®.Муравьева,

• Е.М.Еихмана,, Н.К.Сотеева и других ученнх, выявлены факторы, вляяшще на взнос инструмента, энергоемкость, производительность,

, точность "и качество обработанной поверхности. Однако, настоящими исследованиями еще не достигнуто того уровня точности и качества поверхности деталей, которые способствовал! более интенсивному внедрен;«) процессз в производство. В публикациях отсутствуют комплексные исследования факторов, влияющих на точность и качество ЭКДАО, .влияние режимов и условий обработки на силы и износ комбинированного инструмента. Выявлена возможность дальнейшего совершенствования конструкции инструмента и установки.

В связи с зтш сформулированы основные задачи,-решение которых необходимо для достижения поставленной вкпе цели:

создзть теоретико-экспериментальную модель параметров точности обработки;

- определить рациональные параметру конструкции инструмента и исследовать его стойкость от условия обработки;

- определить зависимости сил от регамов ЭКДАО;

■ ' исследовать зависимости параметров качества и точности обработанных детвле^ от режимов и условий процесса;

- оптимизировать основные' технологические релот,5ы обработки.

Во второй главе ' приведены результаты исследований

• характеристик дугового разряда в межэлектродном промежутке (МЭИ), .по выбору конструктивных элементов комбинированного инструмента и

его стойкости, а также сил обработки при ЭКДАО.

Установлено, что возникновению дугового разряда предшествует кратковременный контакт между электродом и .' заготовкой,

продолжительность которого составляет до 15 % от общего времени действия разряда; в . зависимости от реттазв обработки гремя существования дуги находится в пределах 6-.9. ■'

Кз основе проведенных экспериментов подучено, что рзцкокзлькьгсн конструктивные: параметрами рабочей поверхности ЭИ является инструмент с пгзами единой Ел до 6 та, шагал 1п = 35...40 мл и углом наклона с^ = 40...<5°'В сторону, противоположную направлению вращения (рис.' 1,0).

Исследование износа ЭИ (т,^) из стали Ст.З в зависимости от скорости подачи V к вргаеккя 7 , напряжения Сц, глубины обработки ширины заготовки В, к теплофигкческкх характеристик обрабатываемого материала покзззлт, что наибольшее влияние

&ид А

Рис. IПринципиальная схема процесса ЭКДАО (а) и вид электрода с прерывистой рабочей поверхностью !б): I - заготовка; 2 - электрод; 3 - .абразивный инструмент; 4 - рабочая ждкость.

оказывав? 1Т , \гд к коэффициент температуропроводности а, ' с увеличением которых повышается к соствляет от 5 до II Ж объема удаленного материала. Е результате математической обработки экспериментальных данных построена регрессионная модель:

111,7 Б°>31 Ф34 а0-74 --к--§--,%. (I)

уО, 17 зн

С учетом су^эствуетгх рекомендаций по глубинному шлифования к на основании проведенных экспериментов, в дальнейших исследованиях применялся сборный' зорэзпвнй инструмент. из сегментов типа 60 по ГОСТ 2464-32 из элентрокорундз марки ' 94А, со сферокорундоЕыми включениями, твердостью СП, на бакелитовой связке.

Изучение износа абразивного инструмента позволило определить зависимость,коэф5нДпзнта Елнфовзнпя К от параметров процесса:

1,45

.К = - ■ , (2)

+С,48 ,,0,13 пО.Об „0.13 „0,16 абр 'з сз 'а:: а

где +-а0р'- глубина пдкфования, ьа*.

Для исследуемых условкй обработки величина К изменяется в

пределах 2,2.". .4.

Исследование сил обработки при ЭКДАО показало, что основное

влияние на 'характер изменения суммарной силы П&к "от" дугового

процесса оказыЕэат параметры И , В3 и V . Увеличение В3 и V , и

уменьшение приведет к возрастанию значения в пределах

40...120 К. Экспериментально установлено, что нормальная

составляйся Р,, равна: -'эд

ав О(Е0,62 ^.0,43 „0,66 „0,22 0,32

5и Т10,94

"хх.

При этом получены соотношения:

Р. = (1,1...Г,4)Р ,Н; (4)

ви ' ' "'эй

= (I,3...I,6)P„ , Я . (5)

j 311

сллз рвззкия ггри плл'фовйч^с'* R ссст2еля8т около ^o % om сум?,?2ркой к о м 5 иш «г- 032 чз * с it обработки R^i» Кормэльн°я

составляющая Ру с;!лу Яа определяется, как

3,56 3°'е5 t^37 V?'53 . Р - ---^—s— , Н , (6)

где V„öp - скорость врадэкия абразивного инструмента, м/с.

В исследуемом диапазоне режхсв Р„ = 150...500 Н и связана с

•"а

остальными составляющими й„ соотношения;®:

Р„ = (1,1...1,3) ?„ , К; ■ (7)

"а 'а

Ру = (1,4... I,S)P„ , К. (8)

G С

3 третьей главе разработана теоретико-экспериментальная модель определения суммарной погрешности ' обработки • плоских поверхностей деталей.

Основной цел1-ю* создания модели является прогнозирование результатов погрешности гозволс!?п9^ снредй,гпть Д^ и ее зависимость от параметров ггосцесса

В состав моде.^и еходят погрешности, вызванные:

- размерным износом комбинированного инструмзнта ДП;

- деформациями технологической систеш (ТС) под действием силы обработки ДРу;

- тепловыми деформациями ТС ДТ;

- неточностью настройки A,rf, установки Ду и геометрической неточностью модернизированного станка Д .

Для определения составляющих Дг, теоретически и экспериментально били определены зависимости искомнх величин от ззкимов обработки;

Необходимым условием стабильности процесса ЭКДАО является завенстко размерных кзносоз абразивного инструмента ¿haijp и (лектрода ДПЭИ

7

. . : о)

Величина Aiinrt„ определяется, как

ih„a - Bg 1з te(?P , мм , (Ю)

К bEdp ns5p

где 1„ - длина заготовки, am: п„„_ - соответственно площадь

о 0 с jy ¿L-y

поперечного сечения (к,Г) и количество абразивных сегментов в инструменте, ст.

Размерный износ электрода равен

° ь t *Y

дл = -" ^ " , КМ , (И)

: в0К г3.л пэ,, юо

"*ЗИ' "эй* "зи их. число в инструменте, ст.

Величина деформации ЛРу определяется в основном нормальной

суммарной силой -'Р , которая' состоит из сил при

электроконтактно-дуговом процессе Р и при шлифовании Р :

'эй *а

^ Г~ Чи 4 РУа' Н-

Тепловые деформации ТС AT в больней- степени определяются деформациями тпгадеяького узла от трения подвизкных деталей Ы и прохождения электрического тока по гоковедуцкм частям 41 :

at = лгм 4 д?э,

Величина А1э определяется:

9

R t

¿z * г а -ь., mm (12)

d Cm'

где I - начальная длина шпинделя, мм; а+ - коэффициент линейного расширения, I/°C;. 1р - сила тока, А; К - сопротивление, Ом; тэ -время обработки электродом, с; С - удельная теплоемкость, Дз'/(кг °С); га - масса, кг.

Испдльзуя • принцип суперпозиций, суммарная погрешность •комбинированной обработки описывается выражением:

д2 = вз V (Ьзтв + на> +

" 4 п " айр "абр

г

[г0(1 - е ^и,

1

о

г в т хр " 1Э

'С п

+ дн + Ду +- ¿0 1 т;, км , (13)

где Ь. в, И,, - соответственно глубина ЗТВ и шероховатость поверхности посла обработки электродом, мм; I - удлинение шпинделя при установившемся режиме, мм; ты • - время комбинированной обработки, с; 11 - случайная составляющая погрешности, ми.

Из результатов расчетов следует, что размерный износ ЛЬ комбинированного инструмента составляет порядка 70 %, а остальные составляющие - до 15 % от А,.

Экспериментальные исследования зависимости Д^ от режимов обработки показали, что с уменьшением напряжения, скорости'подачи, кирикы электрода и увеличением скорости вращения инструмента точность обработки .повивается и соответствует 9...11 гаалитету по СТ СЭЗ 145-77 и 10...II степени точности по ГОСТ 24643-81.

Четвертая глава посвящена исследовании параметров качества поверхности деталей после комбинированной обработки электродом и абразивны?,и сегментами.

При ЭКДАО сталей аустенитного класса (12Х18Н1ОТ) шлифованием полностью удаляется слой со структурными изменениями, образовавшийся после ЭКДО, глубина которого й составляет 0,3...0,6 км. Установлено, что наибольшее влияние на величину ¡гс при ЭКДО оказывает напряжение источника питания и скорость подачи заготовки Уд. Применение электрода с прерывистой рабочей поверхность» уменьшает !г0 нз 25...30' 5! го сравнению с обработкой сплошным инструментом. . . .

Исследования остаточных напряжений (ОН) после ЭКДАО показало, что в поверхностном слое стали 12Х1ВН10Т на глубине Лон= 0,3/. .0,35 мм формируются растягивающие ОН с максимальным значением б ах = 220.. .240 !,Ша. В процессе комбинированной обработки посла авэктрода - ®г>шс= 320...250 Ща, Ьон=0,3...0,55 мм;

" ' ' 9

причем применение Эй с прерывистой рабочей поверхность»- позволяет СНИЗИТЬ В9ЛИЧИНЫ 0тах И Ьон до 25

При обработке . высоколегированных. сталей абразивный инструмент полностью удаляет зону термического влияния (ЗТВ), Образовавшуюся после обработки электродом, которзя характеризуется пониженной величиной микротЕердости Нт на 15...20 % и глубиной ЬНу= 0,35...О,6 мм. После комбинированной обработки формируется слой с глубиной до 0,35 та и максимальной микротЕердостыз Ну = 3000...3200 МПа. Показано, что аз .величину ЗТВ можно принимать глубину слоя с измененной Ну, то есть ¡1Ну = Ь,7Е.

Установлено, что применение электрода с прерывистой рабочей поверхностью позволяет снизить ве&гшну ь • на 25.'. .30 %. Эмпирическая зависимость глубины ЗТЗ после ЗКДО имеет вид:

1,33 10^ «^65^.43^.85 ■

11птр = -ь-Ш-, мм . (14)

"тв уО.ЗЗ уО,41 *

з аи

Шероховатость поверхности деталей после комбинированной* обработки характеризуется параметром На = 1,25...2,5 • мкм и определяется:

П Л П ОО

I ю - Г -4

Еа = -2-, мкм . (15)

Я 16 0 52

^абр"

Показано, что ' в' продессэ 3!Ш0 припуск под шлифовальный инструмент, определяемый шероховатостью поверхности и глубиной ^зтв' Увеличивается с ростом напряжения и^ и уменьшением скорости ■ подачи V , и для сталей типа 12Х18К10Т не превышает 1,0 мм. После поучистовой комЗйккровзнной с^рзСотки ввл/чик^ припуск3 под последующа операцию ззеисит преимущественно от пространственных отклонений обработанной поверхности и не превышает 0,40 мм.

процесса ЭКДАО . и приведены результаты работ для' практического использования, в производстве,

За критерий оптимизации комбинированного метода обработки принята - технологическая себестоимость операции с учетом

ограничений по точности и качеству-обработанной поверхности.

Рассмотрены два варианта определения целеЕой функции:

- для чистовой оперении -

F = Fj - Шг.; (16)

- дая получистоЕой операции -

F = Рх'+ Г2 - rain, (17)

где Fj - технологическая себестоимость операции ЗКДАО;

- технологическая себестоимость последующей -операции после ЭКДАО.

Величины Fj и F2 включают н себя затраты , на оплату труда основных рабочих, а также расходы на электроэнергию, инструмент, амортизацию к ремонт оборудования.

Рациональные режимы определялись с учетом выполнения условия равнства размерных взносов электрода и шлифовального инструмента и ограничений в диапазонах изменения независимых переменных, которые установлены в соответствии с проведенными исследованиями:

30 $ S 42 В; 0,83 < Vg £ 2,5 мм/с;

10 « ВдИ « 20 мм; I ^ 5,0 кА; Узя = 24 м/с.

Расчеты проводились с использованием ЭВМ с. помотав метода деформируемого многогранника (Налдера-Мзда) е сочетании с методом начисления штрафных функций. На рис. 2 представлена зависимость рациональных режимов ЭКДАО деталей из стали 12Х18Ш0Т от глубины обработки t

Результата расчетов рациональных режимов показывает, что с увеличением глубины обработки необходимо уменьшать величину скорости подачи V , увеличивать напряжение холостого хода источника питания Ujjj. и ширину электрода Вэи. Рациональные режимы чистовой обработки деталей шириной до 70 мм из высоколегированных сталей, обеспечивавдие точность по 9.. .11 квэлитету и шероховатость поверхности, характеризуемую параметром Ra = * 1,25. ..2,5' мкм, следующие: и^ = 30...34 В, 7д = 1,67...2,5 мм/с, Вди = 10...14 мм при VSII = 24 да/с. Глубина обработки электродом t8H = 3...5 мм.

Разработан алгоритм и программа для расчетов с использованием ЭВМ серии ЕС, позволяющая определить точность обработки в зависимости от условий и режимов процесса ЗКДАО.

Создана установка для комбинированной обработки макрошлифов и

образцов для механических испытаний на Череповецком металлургическом комбинате, ожидаемый экономический эффект от внедрения которой в технологическом процессе производства макроилифоз составил 67 тыс. рублей в год по ценам на 01.01.91 г.

вэи ым

18

14'

УЭ>

мм

2,5"

1,6Г

ю !овз зо

XX

38

34

вэи /

"Ди£х

-У

гэи,мм

3 4 5 6 7

Рис. 2. Рациональные режимы ЭКДАО деталей из стали 12П8Ш0Т.

В приложении приведены: электрическиая схема измерения составляюадах сил резания и ее тарироЕОЧные характеристики; примеры осцилограмм тока; таблицы исходных данных и блок-схема алгоритма программы для оптимизации параметров прсцессз ЭКДАО; программа для' опрвделдения точности обработки от режимов и условий процесса; техническое задание на проектирование установки для комбинированной обработки плоских поверхностей; акты, подтверждающие практическое использование результатов работы.