автореферат диссертации по металлургии, 05.16.06, диссертация на тему:Влияние структуры и свойств горячештампованных порошковых материалов на их обрабатываемость шлифованием

Введение

1. Литературный обзор

1Л Технология изготовления изделий из металлических порошков горячей штамповкой (ГШ)

1.2 Основные критерии обрабатываемости металлов шлифованием.

1.3 Влияние особенностей структуры и свойств порошковых материалов на обрабатываемость шлифованием.

В последнее время в машиностроении в качестве конструкционных материалов все шире применяются порошковые металлы. При изготовлении ответственных нагруженных деталей методами порошковой металлургии в машиностроении, как правило, применяется широко распространенный и надежный метод горячей штамповки, который позволяет получить весьма высокие параметры, труднодостижимые другими методами.

Преимуществом порошковой металлургии являются высокий коэффициент использования металла (до 97%), упрощение технологии изготовления изделий, возможность получения изделий сложной формы и, что очень важно, особенно в инструментальном производстве - получение уникальной мелкозернистой структуры порошкового материала. Рост объема производства порошковых материалов и изделий во всех развитых странах составляет 4-7 % в год.

Несмотря на широкие возможности технологии ДТП (динамического горячего прессования) при формообразовании деталей различной конфигурации, иногда получение пазов, вырезов и т.д. невозможно без механической обработки. Получение поверхности высокой точности методами порошковой металлургии связано с применением высокоточных дорогостоящих матриц, склонных к размерному износу, термическим деформациям, изготовленных из соответственно высококачественных материалов. Введение механической обработки в технологический процесс изготовления детали в качестве финишной операции позволяет (для массового и крупносерийного производства) снизить точность и себестоимость матриц, повысить качество поверхности детали.

Основным методом обработки высокопрочных материалов является шлифование. Развитие шлифования порошковых материалов стимулируется широким распространением высокоэффективных армированных абразивных инструментов из синтетических материалов, серийным выпуском кругов из синтетических металлизированных алмазов. Однако рекомендации по назначению режимов шлифования для порошковых материалов практически отсутствуют, вопрос является одним из наименее изученных в области механической обработки. В литературе очень редко встречаются данные о параметрах микрорезания порошковых материалов.

Основной целью данной работы является повышение качества и эффективности обработки шлифованием порошковых материалов за счет выбора рациональных режимов процесса обработки. Это определило ее основные задачи теоретического плана, заключающиеся в выявлении особенностей взаимовлияния структуры, свойств поверхностных слоев порошковых материалов и основных параметров процесса шлифования.

В практическом плане:

1) показана основная причина брака и ухудшения показателей поверхности при шлифовании порошковых материалов - подведение избыточной энергии в зону контакта детали и инструмента, тепловая вызывает прижоги, механическая - сколы, выкрашивания, трещины.

2) рассмотрено влияние режимов обработки шлифованием на структуру и показатели поверхностного слоя порошковых ГШ (горячештампованных) материалов,

3) предложен принцип обработки при постоянной температуре поверхности и изменяющейся производительности шлифования (а не наоборот, как обычно), позволяющий получить однородный фазовый состав поверхностного слоя детали и, соответственно, стабильные механические свойства по всей обработанной поверхности, повысить удельную производительность процесса и уменьшить брак,

4) предложены формулы расчета сил и температур шлифования, позволяющие рассчитать режимы шлифования для порошковых сталей при обработке их корундовыми кругами.

5) показана необходимость введения обратной связи для реализации высокоэффективных режимов шлифования, разработана принципиальная схема приставки к станку ЗГ71, реализующей такую связь.

6) разработана физическая модель микрорезания порошковых материалов промышленным абразивным инструментом,

7)усовершенствовано приспособление и технология прерывания процесса шлифования

8) показано значительное изменение режущей способности инструмента и средней температуры поверхностного слоя порошкового материала в процессе обработки шлифованием при постоянной производительности.

9) предложено применение динамически изменяющихся режимов шлифования, позволяющих полнее реализовать потенциал инструмента во всем диапазоне его состояний по мере затупления,

10) впервые, методом прерванного процесса шлифования получены статистические данные об особенностях формирования рельефа поверхности порошковых ГШ материалов при шлифовании промышленным абразивным инструментом, о сечении и профиле рисок,

11) написана компьютерная программа, частично автоматизирующая оптимизационные расчеты по предложенным формулам и использующая новые экспериментальные данные о параметрах микрорезания,

12) показана экономическая нецелесообразность оптимизации производства по критерию минимальной себестоимости для ряда случаев,

13) спроектирована высокоточная электронно-оптическая система замера скорости резания,

В настоящей работе сделана попытка учесть в аналитической форме при разработке режимов шлифования основные отличия структуры и свойств порошковых спеченных и ГШ материалов от аналогичных по составу компактных, с учетом затупления инструмента в процессе работы.

Проведенные эксперименты показали совпадение теоретических и фактических данных. Оценка влияния свойств порошковых материалов на параметры микрорезания позволяет лучше понять физическую сущность явлений, происходящих при шлифовании, обоснованно устанавливать режимы шлифования.

Быстрое развитие порошковой металлургии, внедрение скоростного шлифования, синтетических абразивных материалов, чувствительность многих 7 порошковых материалов к выкрашиванию и трещинообразованию требуют детального исследования процесса шлифования порошковых материалов с целью улучшения качества, повышения производительности, совершенствования технологии получения деталей методами порошковой металлургии.

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Выявлено, что особенности структуры порошковых сталей (пониженная теплопроводность, разветвленность межзеренных границ, высокая дефектность) приводят к необходимости злменьшения подач в 1,5-3 раза для достижения высоких качественных показателей слоя обработанной поверхности. Наивысшая производительность достигается при пшифовавми горячедеформированных порошковых материалов, в то время как увеличение пористости спеченных сталей ведет к значительному снижению допустимых подач.

2. Определены характерные дефекты поверхностного слоя порошковых сталей после шлифования, заключающиеся в возникновении шлифовочных прижогов как закаленных, так и незакаленных заготовок. Прижоги выражаются в изменениях фазового состава поверхности, что приводит к ухудшению механических свойств, и, как следствие, эксплуатационных показателей изделия. Прижоги возникают в результате превышения допустимой средней температуры поверхности при обработке.

3. Показан очаговый характер прижогов и взаимосвязь структурно-фазового состава материала в их зоне с распределением температурных полей в заготовке при шлифовании. В связи с относительно низкой теплопроводностью порошковых материалов по сравнению с компактными, для них характерны значительные перепады температур и меньшая глубина прижога. В центре прижога материал отпущен до структуры троостита и сорбита. Если при шлифовании закаленной порошковой стали происходит нагрев поверхности выше точки Асз, последующее быстрое охлаждение вызывает вторичную закалку поверхности.

4. Установлено, что при возникновении прижога с явлением вторичной закалки поверхности и образованием вторичной неотпущенной аустенитно-мартенситной структуры твердость центральных областей прижога превышает твердость исходной структуры заготовки, подвергнутой закалке и отпуску.

5. Показано, что повышение содержания в стали связанного углерода способствует возникновению прижогов и приводит к снижению максимально допустимой производительности шлифования. Этот эффект также связан со снижением теплопроводности стали при повышении в ней содержания углерода.

160

6. Установлено, что второй распространенный дефект поверхности поропжовых стапей - шлифовочные трешины, возникающие вследствие пониженной теплопроводности порошковых стапей, что вызывает увеличение температурного градиента и термических напряжений. Для горячедеформированных порошковых материапов вероятность возникновения таких трещин возрастает в связи с напичием значительных остаточных напряжений.

7. Закалка на структуру с преобладающим мартенситом снижает допустимую производительность обработки, а отпуск на зернистый перлит обеспечивает наивысшую производительность процесса шлифования. Эта закономерность полностью связана с уровнем мехаЕшческих свойств заготовки.

8. Определены оптимальные режимы обработки и их взаимосвязь со средней температурой поверхности в зоне резания, которая определяется влиянием на процесс обработки микротвердости и теплопроводности материала. Показана необходимость применения автоматики с обратной связью в процессе обработки порошковых сталей, так как без нее невозможно учесть влияние всех факторов на процесс и обеспечить формирование однородной структуры обработанной поверхности детали с требуемыми механическими свойствами.

9. Предлагаемая методика при обработке детали электропоезда переменного тока ЭН-3 22.30.10.П9 "наличник", изготовленной методами порошковой металлургии обеспечивает снижение материалоемкости и энергоемкости детали при соответствии ее свойств предъявляемым требованиям.

1. Маслов E.H., Теория шлифования материалов. - М.: Машиностроение,1974. -324 с.

2. Якимов A.B., Оптимизация процесса шлифования. М.: Машиностроение,1975. -217 с.

3. Филимонов Л.Н., Стойкость круга как критерий обрабатываемости металлов шлифованием // Труды ВНИИАШ. 1968. № 8. - с. 37

4. Филимонов Л.Н., Стойкость шлифовальных кругов. Д.: машиностроение, 1973.

5. Лурье Г.Б. О режущей способности шлифовальных кругов // "Абразивы" Л.: ЦБТИ, 1956. выпуск 17.-е. 24

6. Бакуль В.Н., Землянский Е.С. Работоспособность алмазных кругов на органической связке отечественного и зарубежного производства // Киев.УкрНИИНТИ, 1969.

7. Муцянко В.И. Методика выбора режимов шлифования и оценки работоспособности шлифовальных кругов. Сб. Всесоюзная научно-техническая конференция по совершенствованию методов шлифования и улучшения конструкций прецизионных станков. М.:1968.

8. Борисоглебский А.Е. Структурный анализ процесса шлифования труднообрабатываемых сплавов. В кн.: Теория и практика алмазной обработки. М., НИИМАШ, 1969, с. 61-72.

9. Артамонов А.Я. Влияние условий обработки на физико-механической состояние металлокерамических материалов. Киев: Наукова думка, 1965, -263 с.

10. Дечко Э.М. Обработка отверстий в металлокерамических деталях. -Минск: Наука и техника, 1965.-1 15с.

11. П. Кузнецов В.Д. Поверхностная энергия твердых тел. М.: издательство технико-теоретической литературы, 1954.

12. Качалов H.H. Технология шлифовки и полировки листового стекла. АН СССР. М.-Л., 1958

13. Алейников Ф.К. Влияние некоторых физико-механических свойств хрупких материалов на процесс их шлифовки. "Журнал техническойфизики", №12, 1957.

14. Хрущов М.М., Бабичев М.А. Абразивное изнашивание. М.: Наука, 1970.

15. Хрульков В.А., Тародей В.А., Головань А.Я., Буки Ю.М. Механическая обработка деталей из керамики и ситаллов. Изд-во Саратовского университета, 1975.- 352с.

16. Ужик Г.В. Сопротивление отрыву и прочность металлов. Издательство АН СССР, М.: 1950.

17. Дертев Н.К. Некоторые механические свойства поверхностного слоя. Диссертация, ИХС АН СССР, М.: 1952.

18. Брозголь И.М. Исследование процесса круглого наружного и внутреннего шлифования. Дисс. на соискание ученой степени к.т.н., М.: 1948.- 153 с.

19. Глейзер Л.А. О сущности процесса шлифования. Дисс. на соискание ученой степени к.т.н., М.: 1955. 148 с.

20. Ваксер Д.Б. Пути повышения производительности абразивного инструмента при шлифовании. М.-Л.: "Машиностроение", 1964.

21. Кудасов Г.Ф. Абразивные материалы и инструменты. Л.: "Машиностроение", 1967.

22. Кальницкая Э.А. Исследование теплофизических свойств и термоустойчивости структуры материалов, полученных динамическим горячим прессованием из металлических порошков. Диссертация на соискание ученой степени к.т.н. Новочеркасск, 1974 г., 153с.

23. Розенберг А.М., Еремин А.Н. Элементы теории процесса резания металлов, М., Машгиз, 1956.

24. Костецкий Б.И. Трение, смазка и износ в машинах. Киев., "Техника", 1970, 394с.

25. Налимов В.В. Чернова H.A. Статистические методы планирования экстремальных экспериментов. М.: "Наука", 1965.

26. Новые идеи в планировании эксперимента. Под ред. В.В.Налимова.М.: "Наука", 1969.

27. ВУ. Испытания стойкости инструмента по методу характеристических поверхностей. Труды американского общества инженеров-механиков.

28. Серия В. Конструирование и технология машиностроения, №1, 1964.

29. Кацев П.Г. Статистические методы исследования режуш;его инструмента. М.: "Машиностроение", 1974, 239с.

30. Муцянко В.П. Филимонов Л.Н. Зависимость показателей процесса шлифования от режимов обработки. "Абразивы и алмазы", №2, 1966.

31. Ю.М.Кулаков В.А.Хрульков И.В.Дунин-Барковский Предотвращение дефектов при шлифовании. М.: Машиностроение, 1975. - 144 с.

32. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. М.: Наука, 1969. 356 с.

33. Смирнов Н.Д. Дунин-Барковский И.В. Курс теории вероятностей и математической статистики. М.: Наука, 1969. 247 с.

34. Свешников A.A. Основы теории ошибок. Изд. Ленинградского университета, 1972.

35. Адлер Ю.И. Введение в планирование эксперимента. М.: Металлургия, 1969.

36. Сагарда A.A., Чеповецкий И.Х., Мишнаевский Л.Л. Алмазно-Абразивная обработка деталей машин. Киев; Техн1ка, 1973. 180с.

37. Дорофеев Ю.Г., Малеванный В.И., Малеванный А.И. Исследования поверхностного упрочнения пластическим деформированием изделий, полученных динамическим горячим прессованием из металлических порошков. Порошковая металлургия, 1974, №10, с.90-94.

38. Дорофеев Ю.Г., Моргун Г.И., Мариненко Л.Г. Исследование режимов термообработки низкопористых легированных материалов, полученных из металлических порошков. Изв. вузов, техн. науки, 1976, № 3, с. 30-33.

39. Дорофеев Ю.Г., Динамическое горячее прессование пористых порошковых заготовок. М.: Машиностроение, 1977. - 216 с.

40. Дорофеев Ю.Г., Устименко В.И., Скориков A.B. Некоторые вопросы износа режущего инструмента при чистовом точении низкопористых порошковых легированных сталей. Порошковая металлургия, 1984, №2, с. 74-79.

41. Дорофеев Ю.Г., Динамическое горячее прессование в металлокерамике. -М.: Металлургия, 1972. 175с.

42. Барташев Л.В. Справочник конструктора и технолога по техникоэкономическим расчетам. -М.: Машиностроение, 1979. 221с.

43. Барташев Л.В. Технолог и экономика. М.: Машиностроение, 1983. -152 с.

44. Великанов K.M. и др. Экономическая эффективность новой техники и технологии в машиностроении. Л.: Машиностроение, 1981. - 255с.

45. Карандаев И.С. Решение двойственных задач в оптимальном планировании. М.: Статистика, 1976, - 88с.

46. Хрульков В.А. Механическая обработка изделий из магнитных сплавов в приборостроении . М.: Машиностроение, 1966.

47. Довгалевский Я.М. Легирование и термическая обработка магнитотвердых сплавов. М.: Металлургия, 1971.

48. Довгалевский Я.М. Литые магниты из сплавов магнико. М.: Машиностроение, 1964.

49. Постоянные магниты. Справочник под редакцией д.т.н., проф. Ю.М.Пятина. М.: Энергия, 1971.-234 с.

50. Горелик С.С., Расторгуев Л.Н., Скаков Ю.А. Рентгенографический и электроннооптический анализ. М., "Металлургия", 1970 366 с.

51. Матюшенко H.H. "Кристаллические структуры двойных соединений" М., "Металлургия", 1969.

52. Русаков A.A. Рентгенография металлов. М.: Атомиздат, 1977, - 479 с.

53. Уманский Я.С., Скаков Ю.А., Иванов А.Н. Расторгуев М.Н. Кристаллография, рентгенография и электронная микроскопия. М.: Металлургия, 1982, -631 с.

54. Скориков A.B., Мусаев М.М., Бутенко М.В., Гайдамакин В.А. Новые технологии управления движением технических объектов// Материалы 3-й

55. Междунар. науч.-техн. конф. /Юж.-Рос.гос.техн. ун-т (НПИ).- Ростов н/Д: Изд-во СКНЦВШ,2000 Т.З. - С.144-146; ОД.

56. Скориков A.B., Апальков А.Ф., Гайдамакин В.А. Модернизация устройства для прерванного процесса шлифования// Материалы 49-й науч.-техн. конф. Студ. И асп. ЮРГТУ/ Юж.-Рос. Гос. техн. ун-т (НПИ).-Новочеркасск: ЮРГТУ,2000.-С. 170-171;0,06.

57. Скориков A.B., Апальков А.Ф., Гайдамакин В. А. Снижение энергопотребления шпиндельных двигателей шлифовальных станков//

58. Современные энергетические системы и комплексы и управление ими: Матер. Межд. Науч.-практ. Конф., 15 июля 2001г., г.Новочеркасск./ Юж.-Рос.гос. техн. ун-т. Новочеркасск: УПЦ "Набла", 2001.-Ч.З.- С.41-43;0,12.

59. White D. G. Challenges for the 21st Century // International Journal of Powder Metallurgy. 1997. - Vol. 33. - № 5. - P. 45-54.

60. Veltit G., Petzoldt F. New Developments in Warm Compaction //Proceedings of the 1997 European Conference on Advances in Structural PM Component Production. Munich: EPMA, 1997. - P. 36-43.

61. Удовицкий В. И. Пористые композиционные покрытия. М.: Машиностроение, 1991. - 144 с.

62. Глинка Н. Л. Общая химия. Л.: Химия, 1975. - 728 с.

63. Материаловедение / Под общ. ред. Б. Н. Арзамасова. М.: Машиностроение, 1986. - 384 с.

64. Лахтин Ю. М. Металловедение и термическая обработка металлов. М.: Металлургия, 1983. - 360 с.

65. Анциферов В. П., Акименко В. Б. Спеченные легированные стали. М.: Металлургия, 1983. - 88 с.

66. Анциферов В. П., Акименко В. Б., Гревнов Л. М. Порошковые легированные стали. -М.: Металлургия, 1991. 318 с.

67. Справочник металлиста / Под ред. А. Г. Рахштадта, В. А. Брострема. -М.: Машиностроение, 1976. Т. 2. - 720 с.

68. Лахтин Ю. М., Леонтьева В. П. Материаловедение. М.: Машиностроение, 1990. - 528 с.

69. Скориков А.В. Обрабатываемость резанием горяячештампованных порошковых материалов. Диссертация на соискание ученой степени к.т.н. Новочеркасск, 1984 г., 182с.

70. Дорофеев Ю. Г., Мариненко Л. Г., Устименко В. И. Конструкционные порошковые материалы и изделия. М.: Металлургия, 1986. - 144 с.

71. Анциферов В. H., Черепанова Т. Г. Структура спеченных сталей. М.: Металлургия, 1981. - ПО с.

72. Вязников Н. Ф. Термическая обработка стали. М.: Металлургиздат, 1961.-350 с.

73. Кулаков Ю.М., Хрульков В.А., Дунин-Барковский И.В. Предотвращение дефектов при шлифовании.М. : Машиностроение, 1974. 144 с.

74. Акименко В. Б. Производство порошков железа и сплавов на его основе в СССР // Порошковая металлургия. 1992. - № 1, - С. 1-6.

75. Акименко В. Б., Гуляев И. А., Калашникова О. Ю., Львов С. Г., Щербина В. С, Вдовенко В. А. Производство легированных порошков конструкционных сталей в СНГ // Порошковая металлургия. 1993. - № 5.- С. 92-96.

76. Гретченко В. Е., Чумаков А. Ф,, Рославцов Н. А. Свойства железных и низколегированных порошков производства Сулинского металлургического завода // Порошковая металлургия. 1992. - № 2. - С. 101-106.

77. Металлографические реактивы. Справочник / Под ред. В. С. Коваленко- М.: Металлургия, 1973. 121 с.

78. Металлография железа: Справочник. Т. 2 / Под. ред. Ф. Н. Тавадзе М.: Металлургия, 1977. - 275 с.

79. Уманский Я. С. Рентгенография металлов и полупроводников. М.: Металлургия, 1969. - 496 с.

80. Русаков А. А. Рентгенография металлов. М.: Атомиздат, 1977. - 480с.

81. Горелик С. С, Расторгуев Л. П., Скаков Ю. А. Рентгенографический и электроннооптический анализ. М.: Металлургия, 1971. - 366 с.

82. Миркин Л. И. Рентгеноструктурный анализ. Индицирование рентгенограмм. Справочное руководство. -М.: Наука, 1981. 496 с.

83. Миркин Л. И. Рентгеноструктурный анализ: Справочное руководство. Получение и измерение рентгенограмм. М.: Наука, 1976. - 328 с.

84. Миркин Л. И. Рентгеноструктурный контроль машиностроительных материалов: Справочник. -М: Машиностроение, 1979. 134 с.

85. Fitzer Е. Archiv f. d. Eisenhuttenwesen. 1954. - H. 9. - № 25. - S. 537583.170

86. Миркин Л. И. Справочник по рентгеноструктурному анализу поликристаплов. -М.: Физматгиз, 1961. 864 с.

87. Новиков Ф. С, Арсов Я. Б. Оптимизация процессов технологии металлов методами планирования экспериментов. М.: Машиностроение, 1980.- 304 с.

88. Адлер Ю. П., Маркова Е. В., Грановский Ю. А. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. М.: Наука, 1976. - 278 с.