CC BY
63
шпинделю его смещение пропорционально приложенной нагрузке, то при вращении шпинделя эта зависимость нарушается. Механизм поджима имеет возможность плавного регулирования усилия. Настроив усилие поджима на 200.. .250 Н, можно обеспечить стабильность оси шпинделя, когда колебание сил резания при обработке деталей не окажет влияния на смещение оси шпинделя. Аналогично подбирается усилие поджима пиноли задней бабки станка.
На рис. 4 представлены графики рассеивания диаметров 2-х партий обработанных деталей. По графику рассеивания размеров, представленному на рис. 2 и при рациональном выборе линии измерения можно определить смещение оси детали при её обработке.
Круглограммы цилиндрических заготовок с прерывистыми поверхностями, обработанные в центрах круглошлифовального станка, показывают, что погрешность формы выступа может достигать значительной величины (рис. 5а). Для уменьшения погрешности выступа обычно увеличивают время выхаживания (рис. 56), но при этом значительно снижается производительность обработки.
На рис. 6 приведены круглограммы обработанных заготовок с прерывистыми поверхностями, при обработке одной из них использовался метод коррекции узлов станка (рис. 66). Исключение влияния зазоров в пиноли и в корпусе задней бабки станка их поджимом позволили снизить погрешность формы выступа детали в три раза при равной производительности в условиях обработки.
Таким образом, использование метода коррекции сил резания совмещённого с рациональным выбором линии измерения, позволяет значительно улучшить
геометрические параметры цилиндрических прерывистых деталей, и тем самым повысить точность их обработки в целом.
Библиографический список
1. Дальский, А. М. Технологическое обеспечение надежности высокоточных деталей машин / А. М. Дальский. — М.: Машиностроение, 1975. — 224 с.
2. Оценка точности обработки прецизионных цилиндрических деталей с прерывистой поверхностью при круглом врезном шлифовании / О. С. Ломова [и др.] // Технология машиностроения. - 2006. - № 11. - С. 52-54.
3. Ломова, О. С. Технологическое обеспечение эффективности управления процессом шлифования / О. С. Ломова, С. Е. Заха-ров // Матер. XVI Межд. науч.-техн. конф. — 2010. — С. 348-350.
4. Ломова, О. С. Влияние погрешности положения центров станка на характер радиального смещения оси детали / О. С. Ломова, А. П. Моргунов, С. М. Ломов // Технология машиностроения. - 2010. - № 8(98). - С. 11 - 14.
5. Ломова, О. С. Обеспечение точности обработки цилиндрических деталей в центрах крутлошлифовальных станков / О. С. Ломова, А. П. Моргунов, С. М. Ломов // Технология машиностроения. - 2010. - № 10(100). - С. 12-17.
ЛОМОВА Ольга Станиславовна, кандидат технических наук, доцент кафедры «Химическая технология органических веществ ». Адрес для переписки: e-mail: [email protected]
Статья поступила в редакцию 11.04.2011 г. © О. С. Ломова
УДК 621.923.9 к в АВЕрКОВ
Д. С. РЕЧЕНКО
Омский государственный университет путей сообщения
Омский государственный технический университет
ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ОБРАБОТАННОЙ ПОВЕРХНОСТИ ПРИ ШЛИФОВАНИИ ЖАРОПРОЧНЫХ СПЛАВОВ НА НИКЕЛЕВОЙ ОСНОВЕ_
В статье рассматриваются особенности шлифования жаропрочных сплавов на никелевой основе. Авторами указана значительная роль засаливания шлифовального круга при формировании качества обработанной поверхности и рассмотрена возможность уменьшения засаливания путем увеличения скорости резания. Полученные выводы подтверждены экспериментально.
Ключевые слова: жаропрочный сплав, шлифовальный круг, засаливание, адгезия, скорость резания, шероховатость.
Применение деталей из жаропрочных сплавов на никелевой основе характерно для многих отраслей промышленности. В газотурбинной технике из них изготавливают корпуса турбин, рабочие и направля-
ющие турбинные лопатки и детали корпусов камер сгорания. Также эти материалы активно применяются в паротурбостроении, атомной энергетике, печном оборудовании и химической промышленности.
Окончательная точность и качество поверхности деталей обычно формируются на операции шлифования. Однако жаропрочные сплавы являются одними из самых труднообрабатываемых материалов.
Основными особенностями при шлифовании жаропрочных сплавов являются:
1. Высокое, по сравнению с другими конструкционными сплавами упрочнение материала в процессе деформации резанием (до 50— 100% при врезном шлифовании). Наклеп в зоне резания усиливает износ шлифовального круга.
2. Интенсивное налипание частиц металла на поверхности абразивных зерен и заполнение пор шлифовального круга частицами материала детали (засаливание).
3. Высокая температура в зоне контакта абразивных зерен с обрабатываемой поверхностью. Так как силы резания при шлифовании жаропрочных сплавов в 1,5 — 3 раза выше, чем при шлифовании обычных конструкционных материалов работа резания и количество выделившегося тепла на единицу сошли-фованного объема металла для жаропрочных сплавов будут больше. Кроме того, коэффициент теплопроводности жаропрочных сплавов приблизительно в 4 раза меньше, чем у других конструкционных материалов. В результате отвод тепла из зоны резания затруднен, это вызывает сильный нагрев контактной поверхности шлифовального круга и снижение его стойкости. Применение СОЖ улучшает температурные условия шлифования, однако не может существенно уменьшить засаливание.
4. Высокая истирающая способность жаропрочных сплавов, обусловленная наличием в них интерме-таллидных и карбидных включений. Жаропрочные сплавы на никелевой основе как правило содержат в своем составе алюминий, титан, ниобий и тантал. Эти элементы помимо упрочняющего действия образуют интерметаллидные соединения вида (N1, Со)3 (А1, И, N1), Та), в случае жаропрочных сплавов на никелевой основе основной упрочняющей фазой является ГЯ13(Т1, А1,1ЧЬ) [ 1 ]. Твердость интерметаллидных включений сравнима с твердостью абразивных материалов, поэтому интерметаллиды оказывают истирающее действие на абразивные зерна, причем в современных жаропрочных сплавах их количество может достигать 60%.
5. Благодаря действию высокой температуры при шлифовании металлических деталей пластичность срезаемого слоя металла, контактирующего с абразивными зернами, резко повышается. Это благоприятно сказывается на процессе снятия стружки. Однако жаропрочные сплавы, в отличие от других конструкционных материалов, сохраняют высокие механические характеристики и при повышенной температуре, что дополнительно затрудняет шлифование.
6. Структура жаропрочных сплавов, характеризуется значительной разнозернистостью и неравномерностью распределения карбидной и интерметал-лидной фаз. Неоднородность структуры приводит к непостоянству сил резания при обработке. Особенно это характерно для литейных жаропрочных сплавов.
В наибольшей степени на потерю режущей способности шлифовальных кругов при обработке заготовок из жаропрочных сталей и сплавов влияет засаливание их рабочих поверхностей. Это происходит вследствие налипания частиц материала заготовки на абразивные зерна и заполнения пространства между зернами и пор круга отходами шлифования. В основе процесса засаливания лежат адгезионные процессы, происходящие в зоне контакта шлифовального круга и заготовки.
При шлифовании можно выделить два этапа адгезионного взаимодействия. Первый этап характеризуется контактом между разнородными материалами: налипание материала детали на абразив. Второй этап — контактом однородных материалов (налипших на абразивные зерна частиц и материала детали). Причем во втором случае взаимодействие более активное, а сила адгезионного сцепления значительно выше; налипшая частица становится источником дальнейшего засаливания. Таким образом, чтобы уменьшить засаливание шлифовального круга необходимо создать условия уменьшающие адгезию еще на первом этапе, во время взаимодействия материала детали и абразива.
Известно, что адгезионное схватывание — это процесс, зависящий от времени контакта [2]. На основании этого авторами была выдвинута гипотеза о том, что повышение скорости шлифования позволит минимизировать засаливание шлифовального круга за счет уменьшения времени взаимодействия абразивного зерна с материалом детали до значения меньшего, чем необходимое для схватывания
и)
При этом время взаимодействия определяется из выражения:
/ К
8 1000-К* ,2)
где 1К — длина дуги контакта шлифовального круга и детали, мм;
V, — скорость резания, м/сек.
В проведенных экспериментах производилось плоское шлифование образцов из сплава ЖС6К с размером обрабатываемой поверхности — 10x10 мм. Конструкция используемого шлифовального круга представляет собой стальной корпус с закрепленными на нем абразивными головками, оснащенными аэродинамической защитой (рис. 1).
Шлифование производилось абразивом марки 24А16СМ15К7. Режимы обработки: скорость резания составляла 167,170и 230м/с, глубина резания — 0,02 мм, скорость подачи детали — 12м/мин.
Таким образом, время взаимодействия абразивного зерна с материалом детали составило (6,25 — 4,35)-10"5с.
Длительность схватывания 1:с определяется длительностью активации 1:а атомов контактной поверхности, т. е. можно считать, что 1:с = 1:а [2]. Взаимодействие электрокорунда со сплавом ЖС6К относится к типу «полупроводник — металл». При этом время активации атомов на поверхности полупроводника можно оценить по формуле [2]:
1 , —
где и — частота собственных колебаний атомов, с"1;
У/ — энергия активации самодиффузии в полупроводнике, эВ;
к — постоянная Больцмана, Эв-К"1;
Г — температура поверхности полупроводника, К;
а — коэффициент, Н'-м2;
т — касательные напряжения в контакте, Па.
Ш для электрокорунда составляет 3,73 эВ, и = = 1,2-1013с"1,к=8,617-Ю'5,а= 10~6 Н'-м2.
Данные о контактной температуре при шлифовании весьма противоречивы. Одни исследователи
Рис. 1. Шлифовальный круг для высокоскоростного шлифования
Рис. 3. Схема контакта абразивного зерна с обрабатываемым материалом
Рис. 2. Следы оплавления после высокоскоростного шлифования сплава ЖС6К (х500)
11F'
L
Рнс. 4. Параметры площадки контакта абразивного зерна и стружки
Таблица 1
Длина контакта стружки с передней поверхностью зерна
Глубина внедрения абразивного зерна 1„, мм Длина контакта, мм
0,002 0,02
0,005 0,05
0,0075 0,075
0,01 0,1
< ЕП
о
указывают значения 800 — 900°С [3], другие утверждают, что температура приближается к температуре плавления сплава — 1300°С. При шлифовании сплава ЖС6К со скоростью резания 167 м/с на некоторых участках обработанной поверхности отчетливо видны следы оплавления (рис. 2). Это свидетельствует о том, что на данных участках контактная температура близка к 1300°С (1573К).
При рассмотрении процесса резания единичным зерном в качестве рабочей модели представим абразивное зерно в виде усеченной пирамиды с углом при вершине 120°, движущейся по обрабатываемой поверхности гранью вперед (рис. 3). Длинна стороны меньшего основания равна величине площадки износа вершины зерна. Измерения, проведенные в процессе экспериментов показали, что площадка износа колеблется в пределах 0,02 — 0,04 мм. На поверхности зерна можно выделить два участка, непосредственно контактирующих с обрабатываемым материалом.
В зоне 1 происходит контакт абразивного зерна с удаляемой стружкой, в зоне 2-е обработанной поверхностью. Образование налипа наиболее вероятно в зоне 1, поскольку в ней находится застойная область, контакт в зоне 2 непрерывно обновляется и налипание здесь менее вероятно.
Л. Н. Филимонов [4] приводит данные по соотношению проекций сил резания при шлифовании и отмечает, что Ру = (2-нЗ)Ру. С повышением скорости резания отношение Р/ Ру уменьшается, таким образом можно принять, что Ру = ЗРу. Силы резания, возникающие при шлифовании абразивным кругом, являются результатом суммарного воздействия отдельных абразивных зерен. Поэтому схему сил, действующих на шлифовальный круг, можно применить к отдельному абразивному зерну. Угол V)/ между вектором
силы резания Р и передней поверхностью зерна можно найти из выражения:
у/ - 60° + arctg
(4)
\ Y J
Расчет показывает, что значение угла V)/ составляет около 78°. Поэтому для дальнейших расчетов величина данного угла принята 78°.
Согласно [5] значение силы резания, действующей на единичное зерно равно 0,5 — 5Н, однако в данном источнике рассматриваются скорости резания, не превышающие 120 м/с. С дальнейшим повышением скорости резания уменьшается толщина срезаемого слоя, приходящегося на единичное зерно, а повышение температуры способствует увеличению пластичности обрабатываемого материала. Все эти факторы способствуют снижению значений сил резания, действующих на единичное зерно. В проведенных экспериментах исследуемой областью скоростей резания является интервал 160 — 230 м/с. Расчеты показывают, что при таких значениях скорости резания величина силы резания Р, действующей на каждое зерно, составляет 0,07 — 0,1 Н, причем чем выше скорость, тем ниже сила резания. Таким образом, касательная составляющая силы резания по передней поверхности зерна при скорости резания 230 м/с составляет 0,07.соз78° = 0,015 Н.
Участок контакта абразивного зерна и стружки представляет собой равнобедренную трапецию, высота которой ровна длине контакта стружки с передней поверхностью зерна Ьк, а длина меньшего основания — стороне площадки износа! (рис. 4).
Рис. 5. Поверхность шлифовальных сегментов после шлифования со скоростью резания а) 80 м/сек и б) 230 м/сек
а) б)
Рис. 6. Топография поверхности, шлифованной со скоростью резания а) 80 м/сек и б) 230 м/сек
Площадь данного участка может быть определена из выражения:
S = 0,5-LK-(L + L0)
(5)
Размер большего основания Ц можно определить из выражения:
Ь0 = Ь + 2.«*(б0°) Ю
Величина Ьк зависит от глубины внедрения абразивного зерна [2] (табл. 1).
Расчет показывает, что площадь контакта стружки с абразивным зерном составляет 2Д32"9 м2. Эти данные позволяют установить значение касательных напряжений в зоне контакта передней поверхности зерна и стружки:
Рт
Г = -. (7)
Таким образом, касательные напряжения на передней поверхности зерна составляют 7,04-106 Па.
Полученные данные позволяют рассчитать длительность схватывания стружки с передней поверхностью абразивного зерна и сравнить ее со временем взаимодействия абразивного зерна с материалом детали.
Согласно формуле (2), время схватывания стружки с передней поверхностью зерна составляет: 3,26-10"5 сек, что сопоставимо с полученным ранее временем взаимодействия зерна с деталью. Таким образом, при шлифовании со скоростью не менее 230 м/с, засаливание шлифовального круга уменьшается.
Этот вывод был подтвержден экспериментально. На снимках рабочей поверхности шлифовальных сегментов при скорости резания 80 м/с отчетливо видны налипы материала детали, при скорости 230 м/с налипов значительно меньше (рис. 5).
Топографическое исследование шлифованной поверхности показало, что при шлифовании со скоростью резания 80 м/с, шероховатость составила Яа = 1,554 мкм, при скорости 230 м/с — Яа = 0,783мкм (рис. 6).
Таким образом, шлифование жаропрочных сплавов на никелевой основе со скоростью резания свыше 230 м/сек позволяет уменьшить засаливание контактной поверхности шлифовального круга, а также обеспечить снижение шероховатости и отсутствие прижогов на шлифованной поверхности.
Библиографический список
1. Захаров, М. В. Жаропрочные сплавы / М. В. Захаров, А. М. Захаров. - М.: Металлургия, 1972. - С. 384.
2. Худобин, Л. В. Минимизация засаливания шлифовальных кругов / Л. В. Худобин, А. Н. Унянин. - УлГТУ,2007. - С. 44-88.
3. Казаков, В. Ф. Шлифование при повышенных скоростях резания / В. Ф. Казаков. - Киев: Техшка, 1971. - 172 с.
4. Филимонов, Л. Н. Высокоскоростное шлифование / Л. Н. Филимонов. — Л.: Машинострение, 1979. — 248 с.
5. Филимонов, Л. Н. Плоское шлифование /Л. Н. Филимонов. Л : Машинострение, 1985. — 109 с.
АВЕРКОВ Константин Васильевич, аспирант кафедры «Технология транспортного машиностроения и ремонт подвижного состава» Омского государственного университета путей сообщения. РЕЧЕНКО Денис Сергеевич, кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры «Металлорежущие станки и инструмент» Омского государственного технического университета. Адрес для переписки: e-mail: [email protected]
Статья поступила в редакцию 04.02.2011 г. © К. В. Аверков, Д. С. Реченко
г >
Е х
X
О
00 >
