автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Разработка и исследование плоского алмазного шлифования деталей из титановых сплавов

/

Ижевский государственный технический университет

На правах рукописи

Чумакова Елена Валентиновна

УДК 621.923

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПЛОСКОГО АЛМАЗНОГО ШЛИФОВАНИЯ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ

Специальность 05.02.08 - Технология машиностроения

Диссертация на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Научный руководитель д. т.н.

Г.Х.Юсупов

Ижевск - 1998

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ

5

ГЛАВА 1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ОБРАБОТКИ 8 ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ

1.1. Свойства титановых сплавов и требования 8 к деталям из титановых сплавов

1.2. Пути повышения эффективности обработки 17 титановых сплавов

ВЫВОДЫ, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 26

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИЙ АЛМАЗНЫХ КРУГОВ 28 С ВНУТРЕННИМ ПОДВОДОМ СОТС .

2.1. Теоретические предпосылки исследования 28 работоспособности алмазных зерен

в зависимости от способа подвода СОТС

2.2. Конструктивные особенности алмазных 35 кругов с внутренним подводом СОТС

2.3. Исследование работоспособности 37 разработанного инструмента

ВЫВОДЫ

45

ГЛАВА 3.

ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ ШЛИФОВАНИИ КРУГОМ С ВНУТРЕННИМ ПОДВОДОМ СОТС В ЗОНУ РЕЗАНИЯ

47

3.1. Уравнение теплопроводности для случая 49 шлифования алмазным кругом с внутренним подводом СОТС в зону резания

3.2. Методика выбора основных элементов 56 режущей части кругов с внутренним подводом СОТС

3.3. Экспериментальные исследования 58 температуры в зоне резания

3.3.1. Информационно-измерительная система 58

3.3.2. Датчики измерения температуры 60 ВЫВОДЫ 65

ГЛАВА 4. ПОКАЗАТЕЛИ РАБОТОСПОСОБНОСТИ АЛМАЗНЫХ 66 КРУГОВ С ВНУТРЕННИМ ПОДВОДОМ СОТС

4.1. Исследования сил резания 66

4.1.1. Расчетно-экспериментальный метод 66

4.1.2. Измерения сил резания 73

4.1.3. Зависимость сил резания от режимов 79 шлифования

4.2. Исследование стойкости алмазных кругов 83 ВЫВОДЫ 88

ГЛАВА 5. ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНОГО 89

СЛОЯ ДЕТАЛЕЙ

5.1. Формирование шероховатости поверхности 89

5.2. Формирование остаточных напряжений 93 в поверхностном слое деталей из титановых сплавов

5.3. Упрочнение титановых сплавов 97 при шлифовании

5.4. Исследование фазово-структурного 100 состояния поверхностного слоя

5.5. Вероятностная оценка сопротивления 103 усталости

МЕТОДИКА ВЫБОРА РАЦИОНАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ ШЛИФОВАНИЯ 108

ВЫВОДЫ 111

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ ИЗ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 115

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 117

ПРИЛОЖЕНИЯ

1. Тарировочные характеристики термопар 133

2. Программа выбора основных элементов режущей части специального алмазного круга 134

3. Программа "Регрессия" 157

4. Программа выбора рациональных режимов резания 171

ВВЕДЕНИЕ

Задача получения конкурентоспособной продукции и повышения технического уровня отечественных машин непосредственно связана с обеспечением требований надежности и долговечности как отдельных узлов и деталей, так и изделия в целом.

Решение этой задачи невозможно без использования прогрессивных методов обеспечения качества и повышения производительности механической обработки, в том числе и абразивной, а также разработки и внедрния новых конструкций режущих инструментов.

Особенно актуальна задача повышения эффективности абразивной обработки в технологиях изготовления деталей из труднообрабатываемых материалов. По сравнению с известными сплавами из железа, никеля и алюминия труднообрабатываемые материалы обладают комплексом отличных физико-механических и эксплуатационных свойств, из которых можно выделить высокую коррозионную стойкость, усталостную прочность и износостойкость.

К группе труднообрабатываемых материалов относятся и титановые сплавы. При малом весе они характеризуются высокой прочностью, виброустойчивостью и коррозионной стойкостью. Однако особенности структуры и высокая химическая активность титановых сплавов делают достаточно сложной обработку, так как при высоких температурах, сопровождающих механическую обработку, большая химическая активность титана приводит к образованию в поверхностном слое деталей необратимых дефектов, недопустимых по эксплуатационным требованиям.

В настоящее время в машиностроении наблюдается тенденция снижения объема черновых и обдирочных операций и увеличения доли

финишных операций, среди которых одним из самых точных и производительных является шлифование. Именно на этапе финишной обработки и формируется поверхностный слой деталей, от которого зависят эксплуатационные характеристики. В то же время шлифование - один из самых теплонапряженных процессов.

Для обеспечения требуемых эксплуатационных характеристик в существующих технологиях операции шлифования производятся на заниженных режимах резания с последующей ручной доводкой. Производство деталей по таким технологиям очень трудоемко, что увеличивает себестоимость как отдельных деталей, так и изделия в целом. При увеличении объемов производства затраты возрастают еще больше. Однако уменьшить эти затраты возможно за счет установления оптимальных режимов резания, которые по мнению Л.А. Панькова, П.И.Ящерицына, А.Н.Резникова [ 64,82,132 ] позволяют обеспечить не только высокую производительность, но и высокую точность и чистоту обработки, а также улучшить эксплуатационные свойства деталей.

Операции шлифования на оптимальных режимах резания при обработке титановых сплавов наиболее эффективны при использовании инструментов из сверхтвердых материалов - СТМ, которые по сравнению с абразивами обладают высокой микротвердостью, износостойкостью и химической стойкостью [ 22,43,47,61,89,95 ]. Наиболее перспективны алмазные круги. Но в технологиях обработки титановых сплавов эти круги должны использоваться только в сочетании с дополнительными мероприятиями по снижению теплонапряженности процесса резания.

Большое значение в процессе шлифования титановых сплавов имеют состав и способ подачи в зону резания смазывающе-охлаждаю-

щего технологического средства - СОТС. Рациональный выбор состава и способа подачи СОТС позволит снизить теплонапряженность процесса шлифования, улучшить показатели качества обработки и повысить стойкость шлифовального инструмента.

В настоящее время, несмотря на то, что доля шлифовальных операций в технологиях изготовления деталей из труднообрабатываемых материалов возрастает, этот процесс еще мало изучен, особенности шлифования титановых сплавов требуют всестороннего изучения физических явлений, происходящих при обработке.

Исходя из вышесказанного, для повышения эффективности обработки деталей из титановых сплавов необходимо дальнейшие теоретические и экспериментальные исследования особенностей процесса шлифования с целью разработки научно обоснованных технологических рекомендаций по шлифованию титановых сплавов и внедрение результатов исследований в производство.

Работа выполнена в лаборатория кафедры "Технология машиностроения и приборостроения" Боткинского филиала ИжГТУ, ЦЗЛ ГПО "Боткинский завод".

Основные положения диссертации опубликованы в работах [ 9, 26,30,42,78,116,120,121,122,128 ], результаты исследований отражены в актах внедрения.

ГЛАВА 1

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ОБРАБОТКИ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ

1.1. Свойства титановых сплавов и требования к деталям из титановых сплавов

С учетом возрастающих эксплуатационных требований к узлам и деталям машин в качестве конструкционных материалов в последние годы стали широко применяться труднообрабатываемые материалы с отличными физико-механическими характеристиками. К этой группе материалов относятся и титановые сплавы. На сегодняшний день создано более 30 различных марок этих сплавов, которые обладают разнообразными свойствами, зависящими от химического состава и структурного состояния. В эксплуатационном отношении представляют наибольшую ценность их высокая удельная прочность, по которой титановые сплавы превосходят другие применяемые технические материалы, а также теплоустойчивость при температурах до 500° С и коррозионная стойкость на воздухе, в морской воде, в органических и неорганических кислотах и щелочах [ 34,43,67,81,90, 107,108 ].

Большое разнообразие технологических свойств титановых сплавов объясняется тем, что титан обладает полиморфизмом и существует в двух аллотропических модификациях. Низкотемпературная модификация ( а-титан ) имеет место при температурах ниже 882,5° С и характеризуется гексагональной плотноупакованной кристаллической структурой. Высокотемпературная модификация ( (3-титан ) стабильная при температурах выше 882,5° С, имеет кубическую, объем-

но-центрированную кристаллическую решетку.

Путем легирования титана различными элементами, изменением их процентного содержания можно получить титановые сплавы со стабильной а-, р- или (а+Р)- структурой.

Сплавы с а-структурой характеризуются удовлетворительными величинами прочности и пластичности, высоким сопротивлением ползучести и хорошей свариваемостью. Это сплавы 0Т4, ВТ4, ВТ5 и другие.

Легирование титана такими металлами как ниобий, тантал, молибден приводит к стабилизации (3-фазы. Промышленностью выпускается ряд р-сплавов: ВТ15, 4201 и другие. Характерная особенность этих сплавов - жаропрочность. Кроме того, они обладают повышенной прочностью, хорошо свариваются.

Промежуточное структурное положение занимают (а+р)-сплавы. Это такие сплавы как ВТЗ-1, ВТ6, ВТ9, ВТ14. Их микроструктура и характер выделений р-фазы регулируется термообработкой. Для них также характерны хорошая прочность и пластичность в отожженном состоянии, удовлетворительная свариваемость. В зависимости от требований прочности, пластичности или вязкости разрушения они могут подвергаться отжигу или упрочняющей термообработке.

Недостатками сплавов этой группы является их пониженная термическая стабильность, которая находится в диапазоне температур от 0 до 400-500°С. В таблице 1.1. приведены основные характеристики некоторых титановых сплавов.

Для исследований процесса обработки наибольший интерес представляют сплавы с промежуточным структурным состоянием. Так, например, одним из показателей качества поверхностей после финишных операций при изготовлении деталей из таких материалов являет-

ся сохранение их первоначальной структуры. Производственная практика показывает, что выполнить требование сохранения первоначальной структуры достаточно сложно, так как при обработке необходимо учитывать и низкие показатели обрабатываемости резанием, и специфические свойства титановых сплавов, которые в зависимости от условий окончательной обработки изменяют эксплуатационные свойства одного и того же титанового сплава в довольно широких пределах [ 59,81, 90,108 ].

Низкая обрабатываемость титановых сплавов обусловлена такими показателями как:

- химический состав. Большинство титановых сплавов являются сложнолегированными, включающими элементы с высокой энергией активации ( Ti, Сг, Мо, V ), повышающими предел прочности и, тем самым, снижающими обрабатываемость. Так, например, титановый сплав ВТ22 имеет бв = 1120 -1150 МПа, б = 8-12%, НВ 320-340 и является одним из наиболее труднообрабатываемых;

- низкий коэффициент теплопроводности порядка X = 8.4 - 1.05 Вт/м °С, что в 3-10 раз меньше, чем у некоторых марок сталей, алюминиевых и никелевых сплавов. Это создает неблагоприятный баланс тепла и высокую температуру в зоне резания. Теплота, выделившаяся при шлифовании, значительно медленнее отводится в ниже лежащие слои детали и локализуется в поверхностном слое, что вызывает формирование значительных остаточных напряжений растяжения при шлифовании;

- низкая пластичность, обусловленная химическим составом и структурой. Такие элементы как алюминий, азот, кислород, углерод способствуют образованию a-структуры, имеющей гексагональную, плотноупакованную кристаллическую решетку, затрудняющую обработ-

ку. Снижение пластичности связано также со свойствами титановых сплавов поглощать водород, кислород и азот воздуха при температурах выше 500°С. В результате взаимодействия сплавов с газами образуются сложные химические соединения типа оксикарбидов и окси-карбонитридов, которые повышают твердость, при снижении пластичности это приводит к охрупчиванию сплава;

- высокий коэффициент трения абразивов по титану при шлифовании титановых сплавов, который приводит к росту сил резания. Например, при Укр = 30 м/с коэффициент трения в 4 раза больше, чем коэффициент трения по никелю и железу [ 90 ];

- адгезионное взаимодействие абразивов с металлом. Следы такого взаимодействия представляют собой различные вырывы, налипшие частицы зерен и участки, шаржированные осколками режущих зерен ( рис.1.1.). Адгезионное взаимодействие снижает и стойкость инструмента, так как на режущую поверхность налипает срезанная стружка. Хотя и существуют способы удаления налипшего металла с целью повышения стойкости инструмента, например: в работах В.Д.Сильвест-рова, В.А.Хрулькова [ 44,94 ], они не позволяют полностью устранить отрицательное воздействие адгезии на инструмент и деталь.

Специфические свойства титановых сплавов, которые оказывают влияние на обработку деталей, связаны со структурным состоянием. Благодаря полиморфизму существуют а-, ^-структуры, а также а+(3-сплавы. Сплавы с различным фазовым состоянием отличаются между собой не только механическими, но и технологическими свойствами. Соотношение структур в титановом сплаве регулируется термической обработкой, что необходимо учитывать при механической обработке, которая очень часто сопровождается высокой температурой.

Поскольку эксплуатационные характеристики деталей машин во

Таблица 1.1.

Основные физические свойства и структура титановых сплавов

Механические свойства Рабочие

Марка Струк темпера-

тура б К X с а туры

МПа кг м3 Вт м-0 С Дж кг-0 С м2 с т 0 г МОП' и

ВТЗ-1 а+р 1200 4. 5- 103 7. 92 500.4 0. 035- 10~4 600

ВТ 6 а+|3 1000 4. 43- 103 7. 506 500.4 0. 034- 10"4 450

ВТ8 1200 4. 47-103 7. 09 500.4 0. 032- 10"4 600

ВТ 9 а+р 1000 4. 51-103 7. 506 542. 1 0. 029- 10~4 600

ВТ14 а+р 1400 4. 55- 103 8. 34 500.4 0. 034- 10~4 400

0Т4-2 а 1000 4. 55- 103 8. 34 542. 1 0. 034- 10"4 450

Рис:1.1. Поверхности деталей из титановых сплавов

со следами задиров

многом зависят от качества поверхностного слоя, получаемого на финишных операциях, то вышеперечисленные особые свойства титановых сплавов оказывают большое влияние на выбор режимов окончательной обработки.

Как отмечают П.И.Ящерицын, Л.А.Паньков, А.Н.Резников в промышленности до сих пор вопрос получения требуемого качества деталей решается за счет снижения производительности операций окончательной обработки [ 64, 82,132 ]. Так очень часто в конструкторской документации на детали из титановых сплавов встречаются требования на отсутствие прижогов и трещин поверхностного слоя. В таблице 1.2. представлены типовые детали и технические требования, предъявляемые к их поверхностям. Обеспечение этих требований производилось с использованием операций шлифования на заниженных режимах резания с последующей ручной доводкой, что значительно увеличивало трудоемкость изготовления деталей и повышало их себестоимость.

С ростом объемов производства деталей из труднообрабатываемых материалов возникает необходимость совершенствования таких технологий в направлении выбора рациональных режимов резания.

Совершенствование технологий необходимо и с точки зрения дополнения существующих требований по показателям качества. Анализ эксплуатационных характеристик большого количества деталей показал, что причинами брака изделий являются не только невыполнение требований конструкторской документации в процессе изготовления деталей, но и недостаточность требований, заложенных в самой конструкторской документации.

До недавнего времени основное внимание уделялось точности обработки, а не вопросам физического состояния поверхности дета-

Таблица 1.2. Детали, изготовленные из титановых сплавов, и требования к ним

Детали Технические требования Оборудование

изделия Rz мкм Особые требования и инструмент

ВТ 6

Отсутствие ЗГ71

И. 00.110 Rz=6.3 прижогов 24А8-ПСМ1 7

Отсутствие ЗГ71

11.00.049 Rz=3.2 прижогов 24А8-ПСМ1 7

Отсутствие зш

03.20.015-2 Rz=3.2 прижогов 24А8-ПСМ1 7

Отсутствие ЗГ71

37001 Rz=l.6 прижогов 24А6-ПСМ2 7

ВТ14

Отсутствие ЗГ71

61.100. 025 Rz=l.6 прижогов 24А8-ПСМ1 7

и царапин

Rz=3.2 Отсутствие 3701

02. 03. 10 структурных 24А8-ПСМ1 7

изменений

лей. Ряд используемых в производстве технологий на этапе финишной обработки не учитывают такие важные показатели качества поверхности как сохранение первоначальной структуры обрабатываемого материала, величины и знаки остаточных напряжений и упрочнение поверхностного слоя, которые непосредственно связаны с эксплуатационными характеристиками деталей. Так, например, структурное состояние поверхностного слоя деталей зависит от тепловых явлений, происходящих в зоне резания. Многократное тепловое воздействие на обрабатываемую поверхность в процессе резания без эффективного отвода тепла приводит к изме�