CC BY
45
КГО лопаток [111] обеспечивает более высокие собственные частоты рабочего колеса по сравнению с ориентацией КГО [001]. Выбор основной КГО материала лопаток следует производить с учетом всех факторов для разрабатываемой конструкции.
Литература
1. Шалин Р.Е., Светлов И.Л., Качанов Е.Б. и др. Монокристаллы никелевых жаропрочных сплавов. - М.: Машиностроение, 1997. - 336 с.
2. Прочность материалов и ресурс элементов энергооборудования. Сб. научных трудов. Под ред. д.ф-м.н., проф. Петерни Ю.К., д.т.н. Гецова Л.Б. - СПб, 2009. - Вып. 296.
- С. 74-82, 282-306.
3. Придорожный Р.П., Шереметьев А.В. Особенности влияния кристалло-графической ориентации на усталостную прочность монокристаллических рабочих лопаток турбин // Авиационно-космическая техника и технология, 2005, №10(26). - С.55-59.
4. Воробьев Ю.С., Дьяконенко К.Ю., Кулишов С.Б., Скриц-кий А.Н. Анализ колебаний лопаток турбомашин с учетом неоднородности материала // Надежность и долговечность машин и сооружений. - 2008. - №30 - С. 41-47.
5. Воробьев Ю.С., Дьяконенко К.Ю., Кулишов С.Б., Скриц-кий А.Н. Анализ локализации напряжений при колебаниях рабочих колес и охлаждаемых лопаток ГТД. // Вестник НТУ «ХПИ». - 2008. - №35 - С. 29-43.
---------------------□ □------------------------
У статті представлені прогресивні режими круглого зовнішнього шліфування важкооброблю-ваних матеріалів, які розроблені з урахуванням критеріїв прояву адсорбційно-пластифікуючего ефекту. Обробка ВОМрізних груп на цих режимах забезпечує підвищення продуктивності, відсутність шліфувальних дефектів та формування зміцненого шару
Ключові слова: режими різання, кругле шліфування, важкооброблювані матеріали
□----------------------------------------□
В статье представлены прогрессивные режимы круглого наружного шлифования труднообрабатываемых материалов, разработанные с учетом критериев проявления адсорбционно-пластифицирующего эффекта. Обработка ТОМ различных групп на этих режимах обеспечивает повышение производительности, отсутствие шлифовочных дефектов и формирование упрочненного слоя
Ключевые слова: режимы резания, круглое шлифование, труднообрабатываемые материалы
□----------------------------------------□
The article presents the cutting condition of cylindrical grinding of hard-to-machining materials tailored to the criteria of manifestation of the adsorption-plasticizing effect. The processing hard-to-machining materials different groups in these cutting condition provide improved performance, guaranteed lack of grinding defects and the formation of the hardened layer
Key words: cutting condition, cylindrical grinding, hard-to-machining materials ---------------------□ □------------------------
УДK 621.923
РАЦИОНАЛЬНЫЕ РЕЖИМЫ КРУГЛОГО ШЛИФОВАНИЯ ТРУДНООБРАБАТЫВАЕМЫХ МАТЕРИАЛОВ
Н . В . С у р д у
Кандидат технических наук, старший научный сотрудник* Е-mail: [email protected]
А . В . Т е л е г и н
Кандидат технических наук, младший научный сотрудник* Е-mail: [email protected] *Отдел общетехнических исследований в энергетике Институт проблем машиностроения им. А.Н. Подгорного НАН
Украины
ул. Дм. Пожарского 2/10, г. Харьков, Украина
Современное развитие энергетического машиностроения идет по пути повышения удельных параметров рабочих процессов, что неотъемлемо связано с одной стороны с усовершенствованием конструкций энергомашин, а с другой - обуславливает применение специальных высокопрочных материалов, механическая обработка которых традиционными методами
затруднена. Это создает необходимость применения новых технологических процессов резания и режущих инструментов. Следует также отметить, что в последние годы у машиностроительных предприятий существенно расширился доступ к широкой номенклатуре новых режущих инструментов и режущих материалов, чаще всего зарубежного производства, что способ-
Е
ствует расширению технологических возможностей предприятий. В то же время, новые дорогостоящие инструменты чаще всего сопровождаются технической информацией рекламного характера. Все это возлагает на технологов предприятий большой объем работ по подбору режущих инструментов, обрабатываемых материалов и режимов обработки, что не всегда возможно в условиях производства и не всегда под силу технологам и рабочим. Одним из наиболее распространенных способов обработки различных ТОМ является шлифование, поэтому разработка рациональных и универсальных режимов шлифования является весьма актуальной задачей. Именно решению этой задачи и посвящена настоящая работа.
Как известно [1, 2], работа резания состоит из работы упруго-пластического деформирования срезаемого и приповерхностного слоев обрабатываемого изделия и работы трения по передней и задней поверхностям режущего клина. Следовательно, уменьшения работы резания можно достигнуть за счет: снижения прочностных характеристик обрабатываемого материала; уменьшения объема деформированного слоя в приповерхностной зоне обрабатываемой поверхности; снижения коэффициента трения по передней и задней поверхностям режущего клина.
Из физических явлений, которые способствуют снижению прочностных свойств срезаемого материала, следует выделить адсорбционно-пластифицирую-щий (АПЭ) [3], электронно-пластический (ЭПЭ) [4, 5] и магнито-пластический эффекты (МПЭ) [6].
АПЭ проявляется практически повсеместно и оказывает значительное влияние на энергетические и силовые параметры процесса деформирования и разрушения металлов [3, 7]. В работе [8] были разработаны критериальные зависимости, выполнение которых однозначно и надежно обеспечивает условия для проявления АПЭ при любом механическом процессе, основанном на пластическом деформировании и разрушении металлов. Таких критериев два:
1. Промежуток времени Дтр между последовательным съемом стружки с одного и того же участка обрабатываемой поверхности не должен быть меньшим, чем латентный период Дтх времени развития АПЭ, т.е.
ДТр/ДТх > 1. (1)
2. Количество атомов (молекул) Ок среды, которая
подводится в контактную зону к ювенильным участкам поверхности, должно быть достаточным для того, чтобы осуществилась полномасштабная адсорбция и образовался адсорбционный слой со степенью покрытия 0 = 1. Аналитически этот критерий можно представить в виде
Пк/Оад > Р (2)
где Оад - количество атомов (молекул) в адсорбци-
онном слое, Р >> 1.
В работе [8] было также установлено, что латентный период Дтх времени развития АПЭ имеет порядок 10-2 с. А при традиционных режимах шлифования промежуток времени между последовательными актами съема стружки с одного и того же участка поверхности Дтх не превышает 10-5...10-4 с. Этого времени недостаточно для осуществления адсорбционных процессов в достаточной степени не только для проявления АПЭ, но и для образования смазывающего слоя. Таким образом, при известных режимах шли-
фования критериальные требования (1) и (2) чаще всего не выполняются.
Из анализа кинематики процесса абразивного резания материалов следует, что, для увеличения промежутка времени (Дтр) взаимодействия компонентов СОТС с ювенильной поверхностью, вскрываемой режущим зерном, необходимо установить такое соотношение между скоростью круга VI- и скоростью вращения изделия V,, при котором выполняется условие:
(1Р - 1к )■ У, 1 ■ У
> 1
(3)
где 1р - расстояние между режущими зернами;
1к - длина дуги контакта;
V - скорость вращения детали;
Vк - скорость вращения круга.
Выполнение этого условия означает, что линейная скорость вращения обрабатываемой поверхности изделия устанавливается такой, что, за промежуток времени (ДТр)ь между выходом из зоны контакта режущего зерна и входом в зону следующего режущего зерна, находящегося в той же плоскости вращения, обрабатываемая поверхность изделия переместится и станет в такое положение, при котором точка выхода из зоны контакта режущего зерна станет точкой входа в зону контакта следующего режущего зерна.
В этом случае, ювенильная поверхность, образованная в результате снятия стружки режущим зерном уходит из зоны контакта с абразивным инструментом, и снова войдет в контактную зону только после полного оборота обрабатываемого изделия. Тем самым, промежуток времени (Дтр) между двумя последовательными актами съема стружки с одного и того же участка обрабатываемой поверхности увеличивается до величины равной времени одного оборота детали. В результате этого с одной стороны, увеличивается время взаимодействия вскрываемой ювенильной поверхности с компонентами СОТС, а с другой стороны, облегчается их доступ к этой поверхности.
Из вышесказанного следует, что, при прочих равных условиях, каждому конкретному значению скорости круга Vк и поперечной подаче Sпоп, соответствует конкретное (оптимальное) значение линейной скорости V вращения обрабатываемой поверхности изделия, при котором Дтр максимально.
Аналитическое определение оптимального значения скорости вращения изделия сводится к решению уравнения (3) относительно V,. Поскольку в этом уравнении параметр 1к зависит от Уд и Sпоп, то выразим величину 1к следующим образом:
4А^ ■ d2 ■ S
1 - 2 I Д — І к д ПОП
(4)
где dд - диаметр обрабатываемого изделия;
Dк - диаметр абразивного круга; t - глубина шлифования.
После подстановки (4) в уравнение (3) и соответствующих преобразований получим кубическое уравнение вида:
■ V3 - V2-74 ■ V -V2 = 0
Д Д К д к
(5)
Решение этого уравнения однозначно определяет режимы круглого наружного врезного шлифования.
3
Для определения режимов шлифования с продольной подачей воспользуемся равенством производительностей W врезного (6) и продольного (7) шлифований:
W = 4(2^поп - S2П0П )нкр
4^ д
W = П(2^поп - S2П0П )SЧ
(6)
(7)
4У д
Таким образом, с точностью до 0,5% можем запи сать:
так и на их доступности и широте использования на практике. Поэтому использовались круги типа ПП 600 х63х305 с абразивными зернами марок 14А, 15А, 23А, 24А и 25А, зернистостью 25, 40, 63, на керамической связке К1^К5, твердостью от СТ1 до СМ2 с номером структуры от 4 до 8. В качестве смазочно-охлаждающей технологической среды (СОТС) применялся 2-х ...10%-й водный раствор кальцинированной соды (№2СО3), подаваемый в контактную зону поливом и распыливанием.
ТТ _ sxoдS п кр поп пр
(8)
Исходя из этого, режимы резания для наиболее распространенных условий круглого наружного шлифования представлены на диаграмме (рис.
1).
Порядок назначения режимов резания.
1. В зависимости от обрабатываемого материала, его твердости и характера операции (предварительная, окончательная) по традиционным рекомендациям [9 - 11] назначается абразивный круг.
2. Для выбра нной зернистости круга из диапазона допустимых подач (0,1...0,5 мм/ мин), (0,5...1,2 мм/мин), (1,2.2 мм/мин) назначается поперечная подача Sпоп мм/мин.
3. Из точки, соответствующей выбранной поперечной подаче Sпоп, восстанавливается вертикаль до пересечения с кривой, соответствующей диаметру обработки (25, 35, 50, 70,
100, 150, 200, 250 мм). Через точку пересечения проводится горизонталь, которая на оси (0, пд) указывает значение оборотов детали пд об/мин. Для врезного шлифования расчет закончен.
4. Определяется значение поперечной подачи на ход стола Sпоп мм/ход.
5. Определяется значение продольной подачи Sпp мм/мин.
Представленные режимы круглого шлифования были апробированы на стали 20Х13 и сплавах ВТ5, ЭИ957 (ХН60КВЮМБ) и ЖС6К, которые относятся ко II - VII группам обрабатываемости ТОМ [9]. Эти материалы наиболее часто используются для изготовления ответственных деталей типа турбинных лопаток, дисков, кулачковых валов и др. и обладают сравнительно высокой склонностью к засаливанию абразивного круга и возникновению шлифовальных трещин и прижогов.
Выбор абразивных кругов основывался как на рекомендациях нормативно-справочной литературы,
Рис. 1. Диаграмма режимов круглого наружного шлифования, Vк = 35 м/с Для Vк = 50 м/с обороты детали пд следует увеличить на 20%
Исследования проводились на шлифовальном стенде, смонтированном на базе круглошлифовального полуавтомата мод. 3А151, который был оснащен системой измерения электрической мощности, потребляемой приводом вращения изделия (^) и приводом вращения абразивного круга (^р), а также системой измерения скорости вращения изделия пд. Контролируемые параметры регистрировались при помощи электронно-вычислительной системы автоматического сбора и обработки измерительной информации, собранной на базе ПК.
В качестве исследуемых объектов использовались цилиндрические образцы диаметром 40.100 мм. Обработка образцов осуществлялась методом врезного и продольного шлифования.
-уз
Результаты проведенных экспериментов показывают, что при обработке всех исследованных материалов наблюдается снижение мощности, потребляемой приводом вращения изделия N и приводом вращения абразивного круга ^р, существенное повышение производительности обработки.
Подача СОТС распылением на обрабатываемую поверхность в количестве 10.20 мл/мин обеспечивает успешную обработку исследованных ТОМ, при этом засаливание круга не наблюдается и стойкость круга значительно возрастает
На рис. 2 представлен график изменения микротвердости Нц, по глубине образцов из ЭИ957. Для всех материалов распределение микротвердости имеет аналогичный характер, что говорит о формировании упрочненного слоя обработанной поверхности. Металлографические исследования показывают отсутствие дефектов обработанной поверхности.
Нр МПа 5500 п
5000 -----------------------------------
4500 -------------------------------------
4000 --------------------------------------------
3500 --------------------------------------------
зооо---------------------------------------------
2500 -г— — —-------------------------------------
2000 -I------------------------------------------
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 Н, мкм
Рис. 2. Изменение микротвердости по глубине образца из сплава ЭИ957 (пд = 1000 об/мин, Vд = 4,5 м/с, W=2,47 мм2/с)
Выводы
1. На основании критериев обеспечения адсорбци-онно-пластифицирующего эффекта при абразивном резании разработаны режимы круглого наружного шлифования ТОМ, которые позволяют их использование на серийных круглошлифовальных станках с учетом технических возможностей оборудования. Они представлены в виде номограммы, удобной для технологов и шлифовщиков.
2. Апробация режимов круглого шлифования показывает, что при обработке различных ТОМ (сталь 20Х13, сплавы ВТ5, ЭИ957, ЖС6К) обеспечивается:
- снижение тангенциальной составляющей силы резания и удельной работы шлифования в 1,5.3 раза;
- повышение удельной производительности обработки в 1,5.2 раза;
- отсутствие шлифовальных дефектов (прижогов, микротрещин, участков с пониженной твердостью);
- формирование упрочненного слоя на глубину
0,2.0,3 мм;
- уменьшение на порядок потребностей в расходе СОТС, при этом требования к их физико-химическим свойствам становятся менее критичными;
- повышение стойкости и износостойкости инструмента в 1,5.5 раз;
- отсутствие засаливаемости абразивных инструментов, что позволяет успешное использование для обработки различных ТОМ абразивных кругов с повышенной твердостью.
Литература
1. Бобров В.Ф. Основы теории резания металлов. М., «Ма-
шиностроение», 1975. - 334 с., ил.
2. Грановский Г.И., Грановский В.Г. Резание металлов: Учеб-
ник для машиностроительных и приборостроительных спец. вузов. - М.: Высш. шк., 1985. - 304 с., ил.
3. Ребиндер П.А. Поверхностные явления в дисперсионных
системах: Избр. тр. // Физико-химическая механика.
- М.: Наука, 1979. - 381 с.
4. Спицин В.И., Троицкий О.А. Электропластическая дефор-
мация металлов. - М.: Наука. — 1985. - 160 с.
5. Зуев Л.Б. Электрические поля и пластичность кристаллов
// Соросовский образовательный журнал. - № 9, 1998.
- С. 92-95.
6. Головин Ю.М. Магнитопластичность твердых тел (Обзор)
// ФТТ. - 2004. - Т. 46. - Вып. 5. - С. 769 - 803.
7. Щукин Е.Д. Понижение поверхностной энергии и изме-
нение механических свойств твердых тел под влиянием окружающей среды // Физ.-хим. механика материалов.
- 1976. - № 1. - С. 3-20.
8. Сурду Н.В. Адсорбционное влияние сред при шлифова-
нии // Пробл. машиностроения. - Харьков, 1999. - Т. 2.
- №1-2. - с.106-113.
9. Режимы резания труднообрабатываемых материалов: Справочник / Гуревич Я.Л., Горохов М.В., Захаров В.И. и др. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1986. - 240 с., ил.
10. Справочник шлифовщика / Кожуро Л.М., Панов А.А., Ремизовский Э.И., Чистосердов П.С.; Под общ. ред. Чи-стосердова П.С. - Мн.: Высш. школа, 1981.- 287 с., ил.
11. Прогрессивные режущие инструменты и режимы резания. Справочник / Баранников В.И., Жариков А.В., Юдина Н.Д. и др.; Под общ. ред. Баранникова В.И. - М.: Машиностроение, 1990. - 400 с., ил.
3
