CC BY
9
УДК 621.452.3.03
DOI: 10.15587/2312-8372.2019.164622
ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬН1 ДОСЛ1ДЖЕННЯ ПРОЦЕСУ ШЛ1ФУВАННЯ ПЛАНЕТАРНОЮ ШЛ1ФУВАЛЬНОЮ ГОЛОВКОЮ
Кал^ченко М. Ю.
1. Вступ
Розвиток сучасного машинобудування, легко!' та харчово! промисловостей супроводжуеться освоенням нових конструкцiйних, теплостiйких i зносостiйких сталей i сплавiв з високими властивостями мщность Цi матерiали застосовують у виробнищта таких вiдповiдальних деталей, як лопатки, вали, зубчаст колеса, забезпечуючи високi характеристики мiцностi, тим самим збтьшуючи термiн роботи виробiв, що працюють в умовах високих температур при знакозмшних циклiчних навантаженнях. Оброблення таких матерiалiв е дуже трудомютким, а застосування лезових методiв оброблення малопродуктивним [1]. Одним Í3 шляхiв пiдвищення ефекгивностi мехашчно! обробки е впровадження у виробництво технологи глибинного шшфування. Проце ^ глибинного шшфування забезпечуе мiнiмальне пошкодження оброблювано! поверхш, е бтьш продуктивним порiвняно з фрезеруванням i протягуванням. А також характеризуеться високою економiчнiстю порiвняно з традицшними методами оброблення. Технологiя глибинного шшфування дозволяе скорочувати час оброблення, збтьшувати якiсть i точнiсть показниюв оброблюваних поверхонь деталей. Це можливо лише на основi опису температурного стану пщповерхневих шарiв заготовки для встановлюваних режимiв оброблення з урахуванням геометричних параметрiв форми шлiфувальних крупв, а також кiнематики процесу оброблення [2, 3]. Як об'ект дослгдження вибрано процес глибинного шшфування деталей авiацiйних двигушв iз важкооброблюваних матерiалiв. Метою дослгдження е забезпечення параметрiв якостi поверхонь деталей загального машинобудування, харчово! i авiацiйноi промисловостi методом глибинного шшфування.
2. Методика проведення досл1джень
Експериментальш дослiдження плоского планетарного шшфування проводили на плоскошшфувальному верстал польського машинобудiвного пiдприемства Jotes, моделi SPD 30-b [4] з встановленою на його шпинделi, через спроектований перехiдник, планетарною шлiфувальною головкою (ПШГ) [5, 6].
Обороти ПШГ регулювали в дiапазонi пПШ1=0-800 об/хв шляхом включення в ланцюг двигуна головного робочого руху частотного перетворювача Lenze ESV752N04TXB (Шмеччина) [7]. У процес експериментальних дослiджень на ПШГ установлювали абразивнi круги прямого профшю (ПП) 100x20x32 з такими характеристиками: 38А25ВМ28К35А3; 24А40М36К6. Дiаметр планетарно! головки (разом з абразивними кругами) 0ПШг=350 мм, передаточне вiдношення /=3,5. Поздовжню подачу деталi Sno3¿, змшювали в межах 0,1-0,8 м/хв, а глибина
шлiфування t=1-7 мм. Оброблення проводили при попутному обертанш шлiфувальних кругiв ПШГ (рис. 1) [8].
Рис. 1. Загальний вигляд планетарно! шлiфувальноi головки, встановлено! на плоскошлiфувальному верстатi Jotes SPD-30b (Польща)
Температуру оброблювано! заготовки вимiрювали двома способами -контактним i безконтактним. Шрометр СТ 3M (Optris, Нiмеччина) здiйснював безконтактне вимiрювання температури на поверхнi шлiфувального круга в зош рiзання, а також тд оброблюваною поверхнею заготовки з варшованою глибиною вимiрювань. Контактне вимiрювання температур здiйснювали за допомогою термопар, тдключених до вимiрника ОВЕН МВА 8 (Рошя), рис. 2.
а б
Рис. 2. Вимiрювальнi комплекси: а - трометр СТ 3M; б - вимiрювач ОВЕН МВА 8
Термопари дiаметром 1,8 мм типу К тдключали вшьними кiнцями до входiв вимiрювального приладу з дотриманням полярностi, щоб уникнути серйозних помилок. Пщключення ж самого вимiрника ОВЕН МВА 8 до
комп'ютера здшснювали за допомогою адаптера штерфейсу Я8-485 ОВЕН АС3 (Росiя). Дал^ за допомогою програмного забезпечення, що поставляеться в комплектi з вимiрювальним приладом, проводилося опитування термопар iз подальшим виведенням результатiв.
Як зразки для проведення експериментiв з метою опису процедури попередньо! пiдготовки були вибрат заготовки прямокутно! форми з розмiрами 85x25x25 мм, виконанi з шструментально! штампово! сталi 4Х5МФ1С за ГОСТ 5950-2000 [9] i твердютю 49-51 ИЯС. З боку настановно! площини заготовки виконували глухi отвори, забезпечуючи глибину закладки термопар у 2 мм шд оброблюваною поверхнею. Для цього використовували вертикально свердлильний верстат 2ЧС112 СФ (Рос1я) i електроерозiйний верстат 4Е723-01Ф1 (СРСР) з латунним електродом RBSШ180x300. У результат виходили отвори дiаметром 1,8-2 мм з ращусним заокругленням торця отвору i шорсткiстю Я 0,8 мкм (зпдно з паспортом верстата). Схему закладення термопар показано на рис. 3.
Рис. 3. Схема закладення термопар
Згщно зi встановленою методикою проведення експериментш було шдготовлено 18 зразкш. У кожен з них були вмонтоваш термопари, як показано на рис. 4.
1золятор
Рис. 4. Закладення термопари
Експериментальш дослщження температурних полiв заготовок зi сташ 4Х5МФ1С у процесi !х оброблення кругами ПП 100x20x32 38А25ВМ28К35А3, встановлених на ПШГ, проводили при таких параметрах процесу шлiфування:
- глибина шлiфування I, мм: 0,5; 1,0; 1,5; 2,5;
- швидюсть обертання крупв Укр, м/с: 12, 16, 20;
- поздовжня подача ЯПОЗд, мм/с: 0,50; 0,75; 1,00; 1,50;
- ширина шлiфування В, мм: 20;
- правку крупв здшснювали одноточковим алмазним олiвцем.
В якостi змашувально-охолоджувально! технолопчно! рiдини (ЗОТР) використовували 5 %-ий водний розчин КаИСО3 («содову воду).
3. Результати досл1джень та обговорення
Як наведено в табл. 1, експериментальш значення демонструють гарне узгодження з результатами теоретичного теплового анаизу. Таким чином, коректнють теплово! моделi була перевiрена для процесу глибинного шлiфування iз застосуванням ПШГ великою кшьюстю експериментiв. Крiм того, результати показують, що вимiряна температура -и лище, чим вище швидкiсть заготовки i бiльше глибина рiзання. Однак, температура заготовки не знижуеться, а, навпаки, незначно збшьшуеться при збшьшенш швидкостi круга. Незважаючи на це, цей ефект зниження температури заготовки не застосовуеться при використанш бшьш високих швидкостей круга. Спiввiдношення теплового розподшу показують, що збiльшення швидкост круга ефективнiше збiльшуе частку теплопередачi в iнструмент i змашувально-охолоджувальну рiдину (ЗОР). Енергiя шлiфування також тдвишуеться зi збiльшенням швидкостi круга, в результат чого бiльша кшьюсть теплово! енергi! надiйде в заготовку i температура стане вище.
Таблиця 1
Результати експериментальних i теоретичних дослщжень_
№ експери менту Технолопчш режими оброблення Тепловий пот1к, Вт/мм Температура заготовки, °С
Укр, м/с Окр, мм мм Япозд , м/хв Окрит Озагал Тексп (2 мм) Ттеор (2 мм) Ттеор (0 мм)
1 20 80,2 1,50 0,200 6,48 7,15 0,320 160,9* 183,1 250,5
2 20 79,6 1,5С 0,075 6,42 6,24 0,310 72,5 74,2 86,0
3 20 79,4 1,50 0,060 6,34 5,28 0,292 69,5 68,5 79,1
4 20 79,0 1,50 0,045 6,38 4,61 0,280 65,2 63,7 73,8
5 20 78,6 1,50 0,030 6,24 4,20 0,272 59,5 61,8 69,4
6 20 78,4 1,00 0,090 7,05 5,73 0,332 69,5 65,8 78,4
7 20 78/ 1,00 0,075 7,14 4,87 0,326 63,5 61,0 70,8
8 20 77,8 1,00 0,060 7,13 4,26 0,316 59,4 56,7 64,1
9 20 77,4 1,00 0,045 7,03 3,79 0,296 55,5 52,9 60,7
10 20 77,0 1,00 0,030 7,03 3,47 0,288 51,9 51,7 57,7
11 16 76,8 2,50 0,090 4,97 6,17 0,311 230,9* 210,7 320,1
12 16 76,6 2,00 0,060 5,40 5,27 0,328 77,2 78,6 88,0
13 16 76,2 1,50 0,060 5,70 4,50 0,332 66,5 67,9 77,6
14 16 75,8 1,00 0,060 6,47 3,96 0,340 56,8 57,4 65,8
15 16 75,4 0,50 0,060 7,57 3,37 0,380 50,4 46,8 55,1
16 1' 62,8 1,50 0,060 5,01 4,06 0,377 67,6 66,9 77,3
17 16 2,0 0,50 0,030 - - - 820,0* - -
18 П6 74,0 0,50 0,030 7,54 3,25 0,369 48,2 47,0 54,2
Прим1тка: * - поява приткань
В табл. 1 значення енергп шлiфування дзаг е вище значень критично! енергп шлiфування дкрит для експерименлв № 1 i № 11. Крiм того, в обох цих випадках максимальна температура поверхш заготовки Ттеор (0 мм) дуже близька до температури точки бульбашкового китння рщини. Припiкання заготовки не виникае на початку процесу шлiфування, а лише шсля деяко! довжини перемщення шлiфувально!' головки. До того ж, перехщна дiлянка вiд нормальних умов оброблення до утворення приткання супроводжуеться раптовим (стрибкоподiбним) збiльшенням сили шлiфування i стрiмким зростанням температури заготовки.
Пiсля цього приткання на поверхш заготовки утворюються безперервно. Вщзначимо умови утворення припiкання. Для цього вертикальну i горизонтальну складову сили рiзання визначали за !! середнiм значенням. Визначення !! величини виконували для кожного дискретного перемщення шлiфувального круга вiдносно оброблювано! поверхш. Як приклад, вiзьмемо експеримент № 1, початок утворення приткання заготовки дорiвнюе 38-ш секундi процесу шлiфування. Перiод розрахунку усереднених значень температур становить з 16 по 32 секунди процесу ^иф^вання. Таким чином, отримане експериментальним способом значення температури на другш термопарi на глибиш 2 мм Текспер е визначальним як максимально вимiряна величина температури. В цей момент часу приткання заготовки ще не утворюеться. Приткання виявляеться в момент часу, коли шлiфувальний круг пройшов над третьою термопарою, навпъ, якщо вона фшсувала нижчу температуру, анiж друга термопара.
У результат виконаних експериментiв для деталей зi сталi 4Х5МФ1С була тдтверджена адекватнiсть теплово! моделi, яка дозволяе спрогнозувати температуру заготовки, мае хорошу узгоджешсть з експериментальними даними. Бшьше того, сигнали вимiрювано!' потужност шлiфування i температури можуть встановлювати появу приткання заготовки. Результати експерименлв показують, що перехiд вiд умов оброблення без пришкань до оброблення з утворенням припiкань супроводжуеться рiзким зростанням потужностi шлiфування i подальшим зростанням температури заготовки, коли енерпя шлiфування, утворена в ходi експерименту, перевищуе критичну енергiю. Таким чином, виникнення приткання заготовки може бути спрогнозовано з метою його уникнення.
4. Висно^ки
За результатами виконаних дослщжень було встановлено, що застосування ПШГ для глибинного шлiфування деталей машинобущвно! i авiацiйно! галузей [10] з важкооброблюваних, корозгйностшких матерiалiв приводить до зниження енергосилових показник1в процесу з одночасним полiпшенням класу чистоти поверхнi:
- температура в зош контакту зменшуеться до значень, при яких вщсутш фазовi перетворення в поверхневих шарах заготовки: 60-90 °С (^м експериментiв № 1, 11 i 17);
- спостер^аеться полшшення фiзико-механiчних властивостей оброблювано! noBepxHi (шорсткiсть оброблюваних поверхонь знаходиться в межах Ra 1,25-1,8 мкм);
- багатошпарувал ельборовi круги дозволяють форсувати режим шлiфування без шкоди для точностi i якостi оброблення;
- значною мiрою знижуеться витрата ЗОР, аж до И вiдсутностi в процесi оброблення. Крiм того, вимоги, що пред'являють до властивостей ЗОР, можуть бути менш критичними;
- збшьшилася стшюсть абразивних кругiв (не менше шж в 2 рази).
Лiтература
1. Research on surface integrity of grinding Inconel718 / Yao C. F., Jin Q. C., Huang X. C., Wu D. X., Ren J. X., Zhang D. H. // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2012. Vol. 65, Issue 5-8. P. 1019-1030. doi: http://doi.org/10.1007/s00170-012-4236-7
2. Creep feed grinding of y-TiAl using single layer electroplated diamond superabrasive wheels / Hood R., Cooper P., Aspinwall D. K., Soo S. L., Lee D. S. // CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology. 2015. Vol. 11. P. 36-44. doi: http://doi.org/10.1016/j.cirpj.2015.07.001
3. Bi X. F. Effects of Grinding Parameters on Creep Feed Grinding // Advanced Materials Research. 2013. Vol. 658. P. 255-258. doi: http://doi.org/10.4028/www.scienti^c.net/amr.658.255
4. Плоскошлифовальный станок с горизонтальной осью вращения Jotes SPD-30b: техн.-эксплуатац. док. Fabryka szlifierek «PONAR-Lodz». Zaklad «Jotes», 1975. 226 с.
5. Сурду Н. В. Повышение эффективности шлифования труднообрабатываемых материалов за счет усовершенствования кинематики процессов: дис. ... канд. техн. наук: 05.03.01. Харьков: Институт проблем машиностроения им. А. Н. Подгорного НАН Украины, 2005. 241 с.
6. Создание планетарной головки для глубинного шлифования труднообрабатываемых материалов / Тарелин А. А., Сурду Н. В., Телегин А. В., Фистик А. Г. // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. 2009. T. 4, № 6 (40). С. 4-12. URL: http://journals.uran.ua/eejet/article/view/22015/19522
7. Lenze SMVector - преобразователь частоты. URL: https://saa.su/Manual/Lenze/SMV IP31 IP65(RUS).pdf
8. Курш М. О. Дослщження технологи планетарного глибинного шлiфування плоских поверхонь деталей авiацiйних двигушв: дис. ... канд. тех. наук : 05.07.02. Харюв: НАУ ш. М. G. Жуковського «ХА1», 2011. 179 с.
9. Марочник сталей и сплавов / под ред. А. С. Зубченко. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 2003. 784 с.
10. Профильное глубинное шлифование зубчатых колес / Елисеев Ю. С., Новиков В. С., Старков В. К., Рябцев С. А. // Вестник машиностроения. 2001. № 1. С. 41-44.
