автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Разработка и исследование процесса шлифования высокопористым инструментом

САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

РОЖНЯТОВСКИЙ Александр Владимирович

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ШЛИФОВАНИЯ ВЫСОКОПОРИСТЫМ ИНСТРУМЕНТОМ

Специальности 05.02.08 - Технология машиностроения, 05.03.01 - Процессы механической и

физико-технической обработки, станки и инструмент

Диссертация на соискание ученой степени кандидат технических наук

На правах рукописи

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Н.В.Носов

Самара - 1998

УДК 621.921:621.922:621.923

Рожнятовский A.B. Разработка и исследование процесса шлифования высокопористым инструментом. -Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. -Самара, 1998.-22? л.

Работа посвящена теоретическому и экспериментальному исследованию процесса шлифования высокопористыми кругами, изготовленными из нового абразивного материала - СВС-корунда, полученного самораспространяющимся высокотемпературным синтезом (СВС).

Изложены результаты исследования физико-механических, геометрических и абразивных свойств шлифзерен СВС-корунда. Разработаны технология получения шлифзерен и шлифпорошков из СВС-корунда и технология изготовления из них высокопористых шлифовальных кругов. Представлена математическая модель высокопористого абразивного инструмента на основании которой предлагаются зависимости связывающие технологические и рабочие параметры инструмента.

Проведены теоретические и экспериментальные исследования качества изготовления и работоспособности кругов из СВС-корунда, качества обработанных ими поверхностей и даются рекомендации об области их рационального использовании. Разработана методика оптимизации характеристик абразивных инструментов при плоском шлифовании периферией круга. Выполнено технико-экономическое обоснование эффективности изготовления шлифовальных кругов из СВС-корунда.

ОГЛАВЛЕНИЕ

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

Глава 1. Анализ способов повышения производительности

шлифования и обеспечения качества обрабатываемых поверхностей ................... 8

1.1. Исследование работоспособности абразивных кругов ... 9

1.2. Исследование износа и периода стойкости кругов .... 11

1.3. Обеспечение требуемой шероховатости шлифованных поверхностей ..................... 15

1.4. Исследование микротвердости и остаточных напряжений, возникающих в процессе шлифования ...........

1.5. Исследование причин возникновения дефектов

шлифованных поверхностей ............... 22

1.6. Выбор марки шлифовального зерна ............ 25

1.7. Особенности получения легированных корундов ...... 29

Выводы и постановка задачи исследований ........ 36

Глава 2. Разработка технологии получения и исследование свойств зерен СВС-корунда

2.1. Исследование физико-механических свойств СВС-корунда ............ ..... . .

2.2. Особенности технологии получения шлифзерна и

шлифпорошков из ОВС-корунда .............. 42

2.3. Исследование геометрических характеристик зерен .... 46

2.4. Исследование прочности и абразивной способности

зерен СВС-корунда ................... 58

Выводы по главе ....... ..... ........ 64

Глава 3. Разработка модели Ш из СВС-корунда ....... 86

3.1. Современное представление о моделировании АН

и пористых композиционных материалов ......... 68

3.2. Особенности формирования структуры и поверхностного

слоя высокопористого АИ ............... . 77

3.3. Модель порового пространства АИ ..... ....... 91

Выводы по главе .................... 96

Глава 4. Разработка технологии изготовления и исследование параметров АИ из СВС-корунда

4.1. Методика расчета компонентов АИ из СВС-корунда

на керамической связке ..... ........... 98

4.2. Особенности технологии изготовления шлифовальных

кругов из СВС-корунда на керамических связках ..... 103

4.3. Исследование расстояния между зернами

АИ из СВС KP . ..................................114

4.4. Исследование пористости к размеров пор АИ из

СВС-корунда ...................... 124

Выводы по главе .... ....... ......... 145

Глава о, Исследование процесса шлифования AI из СВС-корунда

5.1. Методика исследования процесса шлифования и качества поверхностного слоя заготовок ............ 147

5.2. Исследование режущей способности зерен СВС-корунда . . 151

5.3. Исследование работоспособности шлифовальных кругов

СВС KP на керамических связках ............ 158

5.4. Исследование качества поверхности при внутреннем шлифовании кругами из СВС KP ........ . .... 164

Выводы по главе .................... 170

Глава 8. Практическое применение результатов исследовании

6.1. Оптимизация структуры АИ ...... ...... . . 171

6.2. Эффективность использования АИ из ОВС-корунда ..... 183

6.3. Технике-экономическое обоснование изготовления АИ

из СВО-корунда .................... 184

о И -1

Ь 1 А

Заключение ........ ...... ........... 1У5

Библиографический список .................. 197

Приложение ......................... 210

1 Ргргиг'ц,т1гг\а Ч Л г\ з з 7л"ц ии V т ,т и ф \ г хл о тт гр п -

X. X и у I и X у ¿-»Сь ¿¿П1у П -а. ........

2. Пример расчета рецепта шлифовального круга на керамической связке изготовленного из СВО-корунда. Программа ТаЫКеоер!:. Рецепты шлифовальных кругов из СВО-корунда ........ 21

3. Акты опытно-промышленных проверок и внедрений . .

¿12

(С ¿С X

Современная обрабатывающая промышленность нуждается в постоянном расширении и повышении требований к процессам шлифования и другим видам абразивной обработки, как одному из основных способов обеспечения повышенной точности, надежности и взаимозаменяемости узлов, деталей машин и оборудования. Эти задачи невозможно решить без разработки и промышленного внедрения технологий основанных на использовании абразивных инструментов (АИ) изготовленных из новых абразивных материалов (АМ). Наряду с развитием производства злектрокорундов, карбида кремния, кубического нитрида бора, синтетических алмазов перспективным методом получения абразивного материала является оамораспроотршяющийся высокотемпературный синтез (СВС). Этот метод позволяет изготавливать твердые тугоплавкие соединения, синтез которых ранее был невозможен или экономически невыгоден. Одним из сопутствующих продуктов, СВС-технологии получения карбида хрома (СГ3С2), является оложнолегированный оксид алюминия (а-А120з). названный СВС-корундом (СВС КР). В отличии от хромотитанистого электрокорунда СВС-корунд, благодаря повышенному содержанию легирующих компонентов СГ2О3 и ПОо (до 10-12%), имеет улучшенные физико-механические свойства, прежде всего твердость и абразивную способность, при невысокой себестоимости изготовления материала и высокой зкологичности процесса. Для улучшения экономических показателей процесса синтеза СГ3С2 и повышения безотходности СВС-технологии необходимо было найти рациональную область применения новому материалу. Эта работа выполнялась в соотвествии с координационным планом НИР МНТК "Термосинтез'5 и государственной комплексной научно-технической программой "Надежность" (НИИ ПНМС СамГТУ г.Самара).

В данной работе большая роль отводится вопросам изучения свойств нового абразивного материала, исследованию процесса шлифования и выявлению особенностей формирования поверхностного слоя деталей при обработке СВС-корундами. Проведены экспериментальные исследования физико-механических, геометрических и абразивных свойств зерен СВС-корунда, исследованы режущая способность зерен и качество обработанных ими поверхностей.

Эффективность процесса шлифования зависит не только от свойств абразивного материала, но и от правильно подобранных характеристик абразивных инструментов, большая часть из которых изготавливается на керамических связках. Используя теорию формирования структуры пористого композиционного материала, в работе предлагается математическая модель АЙ на керамической связке, на основании которой разрабатывается технология изготовления высокопористых шлифовальных кругов из СВС-корунда и методика оптимизации их характеристик. Справедливость основных выводов и эффективность разработанных методик подтверждается результатами использования АИ из СВС КР предприятиями городов Сызрани и Самары. Выполненный технике-экономический расчет подтвердил выгодность изготовления шлифзерна, шлифпорошков и шлифовальных инструментов из СВС-корунда и целесообразность широкого их применения наряду или вместо имеющихся АИ из электрокорунда.

Основная часть работы выполнена на кафедре "Технология машиностроения" Самарского государственного технического университета, в сеязи с чем автор выражает глубокую благодарность коллективу кафедры и персонально научному руководителю, доктору технических наук, профессору Н.В.Носову, и кандидату физико-математических наук, доценту кафедры "Уравнения математической физики" Самарского государственного университета Ю.Н.Кузьмину за помощь и поддержку оказанную при выполнении данной работы.

1. АНАЛИЗ СПОСОБОВ ПОВЫШЕНИЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ

ШЛИФОВАНИЯ И ОБЕСПЕЧЕНИЯ КАЧЕСТВА ОБРАЕАТЬЕАЕМЫК

ПОВЕРХНОСТЕЙ

Шлифование является одним из производительнейших методов изготовления деталей с высоким качеством поверхностного слоя. Процесс шлифования достаточно хорошо изучен как отечественными, так и зарубежными исследователями. Среди них наиболее известными являются работы: Н.И.Богомолова, Г.В.Бакучавы, Д.Б.Вакоерз, В.Н.Верезуба, Н.И.Вольского, Л.А.Глейзера, Г.И.Грановского, Г.М.Ипполитова, A.B.Королева, С.Н.Корчака, Г.Б.Лурье, Е.Н.Масло-ва, А.А.Маталина, М.С.Наермана, Ю.К.Новоселова, В.И.Островского, А.В.Подзея, С.А.Попова, С.Г.Редько, В.А.Сипайлова, Л.Н.Филимонова, А.Н.Филина, В.А.Хрулькова, Л.В.Худобина, П.И.Ящерицыка и др. В них представлен огромный теоретический и экспериментальный материал по управлению процессом шлифования [20,22,£4,37,38, 39,47,79,112,113,114.131], определению кинематических и динамических связей [10,25,42,55,83,90,120,1291, оптимизации режимов обработки [83,76,127], выявлению закономерностей тепловьщеления и теплофизики [4,89,90], формирования точности и качества поверхности [7,16,21,24,45,64,116,129], износа шлифовального инструмента [14,51,53,60,104,105,115,118,1213, и многое другое.

Большое влияние на производительность процесса шлифования и качество обработки оказывает абразивный инструмент (АИ). Особенностью процесса шлифования является то, что снятие припуска осуществляется при малых толщинах срезаемого слоя и при наличии ударного взаимодействия об обрабатываемую поверхность большого количества абразивных зерен. При этом значительная часть механической работы затрачивается на трение, так как режущие зерна имеют большие отрицательные передние углы, а вершины имеют зак-

ругленные и затупленные в процессе работы кромки. Связка также увеличивает силы трения АИ об обрабатываемую поверхность. По этим причинам возрастают контактные температуры в зоне резания, которые могут приводить к появлению прижогов и микротрещин, формированию растягивающих остаточных напряжений, а также структурным и фазовым превращениям СЗ, 10, 40, 43, 53 и др.3.

Одним из способов улучшения качества обработанных поверхностей при шлифовании является применение АИ, изготовленного на основе искусственных сверхтвердых абразивных материалов, таких как алмаз синтетический, зльбор и др. Обширные исследования в этом направлении выполнены В.Н.Еакулем, А.Н.Резниковым, М.Ф.Сем-ко и др. [1,7,35,81,77,1053. Рациональное использование АИ должно обеспечивать высокую производительность обработки деталей при требуемом их качестве (точности, шероховатости обработанной поверхности, уровне остаточных напряжений, отсутствии прижогов и др.) и низкой себестоимости.

Многообразие абразивных материалов (АМ) и видов АИ требует детального изучения критериев, обеспечивающих наилучшие показатели процесса шлифования. Этому посвящается содержание следующих разделов.

1.1. Исследование работоспособности абразивных кругов

Для оценки эффективности процесса шлифования и работоспособности абразивных кругов используют различные показатели. Традиционно работоспособность АИ характеризуется удельной производительностью процесса шлифования, определяемой объемом снятого металла СуСмм^/мин) к объему израсходованного абразива ОаСмм^/мин) или обратным отношением - удельным износом круга. По мнению многих авторов [53,85,293 этот показатель является доста-

точно нестабильной характеристикой процесса, так как изменяется на протяжении периода стойкости и зависит от условий обработки.

В работе [533 предлагается величина режущей способности к, которая определяется отношением объема металла Ом, снятого за единицу времени, к приведенной радиальной составляющей силы резания Ру. По мнению Лурье Г.Б. [533, а также Ящерицына П.И. и Зайцева А.Г. [1291, этот показатель является самым удачным и объективным для определения работоспособности шлифовального круга.

Рассматривая влияние элементов режима шлифования на режущую способность круга, Г.Б.Лурье [533 отмечает, что с увеличением рабочей скорости круга от 35 до 50 м/с. при обработке закаленной стали 45, величина режущей способности повышается в зависимости от твердости круга (0М2...СТ1) от 10...12 ММ^/Н'МИК до 13...20.5 мм^/Н мин. Причем при меньших значениях твердости, приведенная по силе режущая способность, выше.

При увеличении скорости круга, по данным работ [23, 493, возрастает и его режущая способность.

Исследования авторов [53, 1293 показали, если изменение режима шлифования приводит к увеличению радиальной составляющей силы резания, то соответственно, повышается и режущая способность кругов. По данным Ящерицына П.И. и Зайцева А.Г. [1293 для конкретных условий шлифования существует оптимальное отношение режущей способности и радиальной составляющей силы резания. Это значит, что существует критическое давление контакта круга на изделие, которое превышать нельзя. В противном случае возникнет потеря в удельном съеме металла, то есть уменьшится режущая способность абразивного инструмента.

Режущая способность шлифовальных кругов в значительной мере зависит от зернистости материала применяемого, для их изготовления. По данным работы [49,533, режущая способность выше у кругов

с большей зернистостью.

Существенное влияние на режущую способность шлифовальных кругов оказывает также их конструкция. Использование прерывистых шлифовальных кругов при обработке закаленных, цементируемых и азотируемых сталей, жаропрочных, твердых и титановых сплавов, позволило на черновых, получистовых и чистовых операциях, по да-ным работ [85,104,116,121,1283. увеличить режущую способность в 1.5...10 раз, и коэффициент шлифования в 1.6...2 раза по сравнению с кругами со сплошной рабочей поверхностью при соблюдении технических требований (по прижогам и шлифовочным трещинам).

Большое влияние на величину режущей способности абразивного инструмента оказывает СОТС. Рациональным подбором состава СОТС и правильной подачей их в зону резания, по мнению авторов работ [108,119Д201, можно обеспечить повышение коэффициента шлифования и режущей способности шлифовальных кругов на 22...40%.

Итак, на производительность шлифования влияют марка абразивного зерна, характеристика АИ, конструкция шлифовального круга, состав применяемых СОТС, свойства обрабатываемого материала и режимы обработки.

1.2. Исследование износа и периода стойкости кругов

Износ и период стойкости кругов являются важными показателями экономичности процесса шлифования.

Износ абразивных кругов представляет собой сложный процесс, зависящий от множества взаимодействующих между собой факторов. Изучение данного процесса заслуживает особого внимания, так как он связан не только о режущей способностью абразивного инструмента, но и с качеством и геометрическими характеристиками шлифованной поверхности [49, 126, 1293.

Исследованию износа абразивного инструмента посвящены работы многих авторов [47,53,60,79,115,116,121]. Следует заметить, что проведены обширные исследования стойкости Ай при различных видах шлифования и режимах обработки.

Рассматривая влияние элементов режима шлифования на интенсивность изнашивания кругов, авторы работ [3,49.53,115,126] отмечают, что износ уменьшается о ростом рабочей скорости круга Ук. При этом, по данным работ [49,53,115,126], наименьший износ Ш наблюдается при скоростях порядка 40...80 м/с, а наибольший износ автор работы [53] наблюдал при рабочей скорости круга равной 6...12 м/с. Причина уменьшения износа кругов с ростом Ук, по мнению авторов работы [49], заключается в повышении их "динамической твердости5'. Увеличение скорости вращения детали Уд, продольной 5Пр и поперечной 5Поп подачи, как видно из работ [49], ведет к увеличению износа. По данным работы [53], стойкость круга для основных видов шлифования, обратно пропорциональна скорости круговой подачи Уд, поперечной 5Поп и продольной 5Пр подачам. При этом, как указывает автор, следует учесть большой разброс экспериментальных данных, который частично может быть объяснен субъективными критериями стойкости круга между правками.

На износ шлифовальных кругов большое влияние оказывают свойства обрабатываемого материала. По данным Г.Б.Лурье 153], с увеличением содержания