Повышение эффективности глубинного шлифования заготовок из титановых сплавов с использованием непрерывной правки круга и нового критерия управления
На правах рукописи
Носенко Сергей Владимирович ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ГЛУБИННОГО ШЛИФОВАНИЯ ЗАГОТОВОК ИЗ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НЕПРЕРЫВНОЙ ПРАВКИ КРУГА И НОВОГО КРИТЕРИЯ УПРАВЛЕНИЯ 05.02.07 – «Технология и оборудование механической и физико-технической обработки»
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Волгоград – 2013
Работа выполнена на кафедре «Технология машиностроения» «Волгоградский государственный технический университет» Научный руководитель доктор технических наук, профессор Полянчиков Юрий Николаевич.
Официальные оппоненты: Старков Виктор Константинович доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН», научно-исследовательский центр «Новые технологии и инструменты», директор;
Скребнев Герман Георгиевич кандидат технических наук, доцент «Волгоградский государственный технический университет», кафедра «Металлорежущие станки и инструмент», доцент.
Ведущее предприятие ФГБОУ ВПО «Пермский национальный исследова тельский политехнический университет», г. Пермь.
Защита состоится «28» мая 2013 г. в 10.00 на заседании диссертационного со вета Д 212.028.06 при Волгоградском государственном техническом университете по адресу: 400005, г. Волгоград, проспект им. В. И. Ленина, д. 28, ауд. 209.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Волгоградского государ ственного технического университета.
Автореферат разослан «25» апреля 2013 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Быков Юрий Михайлович
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Титановые сплавы используются в различных отрас лях народного хозяйства, и области их применения постоянно расширяются. Из сплавов на основе титана изготавливают особо ответственные детали, к каче ству поверхности которых предъявляют высокие требования. Поэтому вопро сам формообразования таких деталей, в частности шлифованием, уделяется пристальное внимание.
К числу наиболее перспективных направлений формообразования отно сится глубинное шлифование (ГШ), сочетающее высокое качество поверхности детали с высокой производительностью. Особенно эффективным считается ГШ с непрерывной правкой круга. Тем не менее, влияние непрерывной правки и направления подачи заготовки при ГШ заготовок из титановых сплавов иссле довано недостаточно.
Современные станки для ГШ представляют собой автоматизированные си стемы, отвечающие требованиям гибкого машиностроительного производства.
Одной из главных задач обеспечения функционирования такого производства является создание критерия, с использованием которого управляющая про грамма проектирует процесс. Например, при резании и фрезеровании анализи руется толщина срезаемого слоя и на этой основе с учётом априорной инфор мации осуществляется управление процессом.
В связи с этим цель данной работы заключается в повышении эффектив ности плоского ГШ заготовок из титановых сплавов с использованием непре рывной правки абразивного инструмента и нового критерия управления про цессом.
Для достижения поставленной цели были определены следующие задачи:
с использованием объема удаляемого материала разработать критерий управления процессом ГШ кругом прямого профиля и установить связь пред ложенного критерия с показателями ГШ;
исследовать влияние непрерывной правки шлифовального круга на показа тели процесса с учетом направления продольной подачи заготовки;
разработать методику и программное обеспечение для моделирования и управления ГШ с использованием нового критерия;
провести производственные испытания и разработать процессы плоского ГШ заготовок из сплавов на основе титана с непрерывной правкой абразивного инструмента.
Научная новизна работы.
Для плоского врезного ГШ кругом прямого профиля разработаны матема тические модели номинальной наработки V и номинальной мгновенной режу щей способности q, характеризующие общий объём выполняемой работы и мгновенную производительность процесса. Установлена корреляционная связь q с силовыми показателями процесса ГШ заготовок из титановых сплавов кру гами прямого профиля.
Разработана методика моделирования и управления ГШ с использованием номинальной мгновенной режущей способности и предельного значения сило вого показателя ГШ.
Определены особенности изменения составляющих силы резания, форми рования шероховатости и состояния рельефа обработанной поверхности при ГШ без правки и с постоянной правкой круга с учетом направления подачи за готовки.
Методы и средства исследований. Теоретические исследования проводи лись на базе современных представлений о процессе резания материалов, тео рии математического моделирования, теории вероятностей и математической статистики, методах дифференциального и интегрального исчислений. Экспе риментальные исследования выполнены на станках полуавтоматах, предназна ченных для ГШ с непрерывной правкой круга. Качество обработанной поверх ности анализировали с использованием современных методик определения ше роховатости, состояния рельефа, остаточных напряжений, микротвёрдости и прижогов.
Практическая ценность и реализация работы.
Разработано программное обеспечение для автоматизации расчета показа телей Vb и qb в соответствии с полученными математическими моделями.
Разработано программное обеспечение имитационного моделирования и управления процессом ГШ подачей правящего ролика.
Разработаны процессы ГШ заготовок из титановых сплавов с непрерывной правкой круга, обеспечивающие заданные параметры качества обработанной поверхности.
Разработанные процессы ГШ плоских поверхностей и пазов прошли про изводственные испытания на ОАО «Казанское моторостроительное ПО», ОАО «Металлист-Самара», приняты к расширенным производственным испытаниям и внедрению. Методика и программное обеспечение согласованы с ОАО «Ме таллист-Самара» и переданы для практического использования.
Результаты работы внедрены в учебный процесс при изучении дисципли ны «Технология абразивной обработки» в Волжском политехническом инсти туте (филиал) ФГБОУ «Волгоградский государственный технический универ ситет» Апробация работы. Основные положения и результаты работы доклады вались на научных конференциях: научно-практических конф. профессорско преподавательского состава ВолгГТУ и ВПИ (филиал) ВолгГТУ (2010, 2011, 2012, 2013);
II международной студенческой конф. «Научный потенциал сту денчества – будущему России», Ставрополь, 2008;
межвузовских научно практической конф. молодых учёных г. Волжского (Волжский, 2010, 2011);
XVI, XVIII международных научно-технических конф. «Машиностроение и техносфера XXI века» (Севастополь, 2009, 2011);
всероссийской научно технической конф. «Повышение эффективности механообработки на основе моделирования физических явлений» (Рыбинск, 2009);
III международной научно-практической конф. «Молодёжь и наука XXI века» (Ульяновск, 2010);
смотре-конкурсе научных, конструкторских и технологических работ ВолгГТУ (Волгоград, 2009, 2010);
открытый конкурс на лучшую научную работу по естественным, техническим и гуманитарным наукам (Москва, 2010, медаль Минобра «За лучшую научную работу»);
всероссийских научно-практических конф. «Инновационные технологии в обучении и производстве» (Камышин, 2008, 2010);
XV международной научно-технической конф. «Фундаментальные проблемы техники и технологии "Технология – 2012» (Орёл, 2012);
междуна родной научно-технической конф. «Технологии и техника автоматизации» (Ереван, 2012). В полном объеме диссертация доложена и одобрена на заседа нии кафедры «Технология машиностроения» ФГБОУ ВПО «ВолгГТУ» (Волго град, 2013).
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликована 21 работа, в том числе 7 статей в изданиях, включенных в перечень ВАК РФ, монография, 5 статей переизданы в зарубежных журналах на англ., 1 свиде тельство о регистрации ПО.
Структура и объем работы. Диссертация состоит их введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы и приложения. Материал изложен на 219 страницах машинописного текста, из них 15 страниц приложений, 70 ри сунков, 28 таблиц, 120 наименований литературы.
На защиту выносятся:
критерий управления ГШ по номинальной мгновенной режущей способно сти процесса;
математические модели номинальной мгновенной режущей способности при ГШ плоских горизонтальных поверхностей кругом прямого профиля;
результаты экспериментальных исследований, доказывающие наличие корреляционной связи между силовыми показателями и номинальной мгно венной режущей способностью при ГШ заготовок из титановых сплавов;
результаты теоретических и экспериментальных исследований влияния подачи правящего ролика и направления продольной подачи заготовки на пока затели ГШ титановых сплавов;
методика имитационного моделирования и управления ГШ по рассчитан ным значениям номинальной мгновенной режущей способности и допустимым значениям силовых показателей ГШ;
процессы ГШ плоских поверхностей заготовок из титановых сплавов.
Основное содержание работы
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирова ны цель и задачи исследований, дана краткая характеристика работы, показана научная новизна и практическая полезность полученных результатов.
В первой главе дан аналитический обзор результатов работ, посвященных ГШ и в целом проблеме шлифования титановых сплавов (Н.И. Богомолов, Г.В.
Бокучава, Д.И. Волков, Т.Н. Лоладзе, В.Ф. Макаров, В.А Носенко, В.И. Остров ский, В.А. Полетаев, Рыкунов Н.С., Г.И. Саютин, С.С. Силин, В.К. Старков, В.А. Хрульков, S.Malkin, R. Hood, J.G. Wager и др.). Показаны преимущества глубинного шлифования и перспективность данного направления формообра зования, особенно с использованием непрерывной правки круга. Тем не менее, еще многие аспекты глубинного шлифования требуют более глубокого изуче ния. Это относится к особенностям встречного и попутного ГШ, влиянию не прерывной правки круга, поведению эксплуатационных показателей на различ ных этапах процесса.
В выводах сформулированы цель и задачи работы, приведенные выше.
Вторая глава посвящена разработке математических моделей номиналь ной наработки V, номинальной режущей Q и мгновенной режущей q способно стей для ГШ плоских поверхностей кругом прямого профиля.
В теории резания одним из основополагающего критериев процесса явля ется площадь срезаемого слоя. Считая поверхности заготовки и ШК абсолютно гладкими, рассмотрим номинальное продольное сечение срезаемого слоя Si за некоторый i-й оборот ШК (рис. 1). Данную величину можно рассматривать как наработку за один оборот ШК, приведенную к ширине обрабатываемой по верхности (далее – приведенная номинальная наработка Vbi). Запишем Vbiв виде:
Vbi=Vbi–Vb(i-1), гдеVbi и Vb(i-1) – приведенные наработки соответственно за i-й и (i-1)-й обороты ШК. Найдем отношение Vbi /, где – время одного оборота ШК. При получим производную от приведенной номинальной наработки по времени или приведенную номинальную мгновенную режущую способностью:
qb= дVb/д. (1) Приближенное значение приведен ной номинальной площади за время можно определить по выражению Vbi qbi, где погрешность расчета снижается с уменьшением.
Плоское ГШ в зависимости от l, t и R делится на несколько этапов: врезание, постоянная длина дуги контакта и выход.
Когда l t( 2 R - t ), появляется переход ный этап добора глубины. Закономерно сти изменения наработки на всех этапах различны, поэтому Vb определены для Рис. 1. Схема попутного ГШ каждого этапа в отдельности.
на этапе врезания Номинальную наработку на этапе врезания при lb (см. рис. 1) представим в виде тройного интеграла:
R2 z h b V p = dx dz dу b ls 0 a Окончательное решение для номинальной наработки, приведенной к ши рине обрабатываемой поверхности, получено в виде:
b vs 1 b V p = b R 2 b2 + R 2 arcsin (b vs ) R 2 (b vs ) + R 2 arcsin avs (2) 2 R 2 R Мгновенную приведенную номинальную режущую способность найдем дифференцированием (2) по времени:
[ ] д Qb р qbp == vs R 2 ( b vs )2 ( R t ).
д К числу основных показателей безотказности относится также режущая способность Qb, которую согласно ГОСТ 21445 получена делением наработки на время.
Аналогично определены Vb, Qb и qb на остальных этапах ГШ (табл. 1).
Максимальные значения Vb и Qb на этапе врезания соответственно в 2 и 1, раза выше, чем на этапе выхода. Равенство Vb на этапах врезания и выхода, так же как и равенство Qb достигается приблизительно на расстоянии около 0,6b.
При lb на переходном этапе максимальное значение Vbд с увеличением длины заготовки вначале возрастает, затем снижается. Показатели Qb и qb за период шлифования уменьшаются по линейной зависимости. С увеличением l продолжительность переходного этапа уменьшается, а значения Qbд и qbд при одинаковом возрастают.
1. Формулы для расчета Vb и qb 1 b Vbp = b ( R t ) + R 2 arcsin 2 R b vs s (b v s s ) R 2 (b v s s ) + R 2 arcsin (R t )v s s 2 R R2 bb b Vbп = arcsin ( R t ) + tv s ( s ) 2 R2 vs Vbв=Rvs(s–l/vs) – bR+ tl + b vs ( s l / v s ) (b vs ( s l / v s )) R (b vs ( l / v s )) + R arcsin + 2 2 R [ R ( b v ) ( R t )] q bp = v s 2 s q = tv = v [R R ( b + l v ) ] bп s 2 qbв s ss b + l vs s Vbд = (b + l vs s ) R 2 (b + l vs s ) + R 2 arcsin 2 R b vs s (b vs s ) R 2 (b vs s ) + R 2 arcsin (R t )l 2 R 1 l b Vbв = l R 2 l 2 + R 2 arcsin (R t )l + Rvs s 2 R vs 2b vs 1 b b ( R t ) + R 2 arcsin + (2b vs ) R 2 (2b vs ) + R 2 arcsin 2 R 2 R qbд = v s R 2 (b vs s ) R 2 ( b l ) С учетом максимального значения наработки на каждом из этапов матема тические модели показателей безотказности объединены общим временем шлифования Расчеты показателей Vb, Qb и qb осуществляли по специально разработанной программе на языке Си++ в среде C++Builder.
В третьей главе изложена методика работы. Эксплуатационные показатели ГШ исследовали на станках ЛШ220, оснащенных устройствами непрерывной прав ки круга и компенсацией его износа при обработке титанового сплава ВТ8. Износ круга, силу тока или напряжение на двигателе главного движения определяли с по мощью устройств, установленных на пульте управления станком, составляющие силы резания – с использованием динамометра, усилителя, цифрового преобразова теля с регистрацией на ПК. Обработку осуществляли с использованием программ ного обеспечения (свид. № 2009615802).
Состояние обработанной поверхности контролировали по остаточным напря жениям (прибор измерения остаточных напряжений «ПИОН-2»), фазовым и струк турным изменениям (металлографический микроскоп Neophot 21), микротвердости (микротвердомер Duramin-5), шероховатости (профилограф-профилометр Form Talysurf Intra и Surtronic25), состоянию рельефа, субмикрорельефа и химическому составу (двухлучевой электронный сканирующий микроскоп Versa 3D). Шлифо вочные прижоги определяли методом травления.
Результаты экспериментов обрабатывали методами математической статисти ки.
В четвертой главе приведены результаты исследования процесса ГШ титано вого сплава ВТ8.
В результате моделирования встречного и попутного ГШ с использованием известных силовых зависимостей для единичных зерен установлено, что приведен ные составляющие силы резания на встречной и попутной подачах при одинаковых режимах шлифования и правки, одинаковом рельефе рабочей поверхности круга будут удовлетворять следующим соотношениям:
РупРув;
РzвРzп;
Рzв/РувРzп/Руп, (4) где Руп, Рzп – соответственно вертикальная и горизонтальная составляющие силы резания на попутной подаче;
Рув, Рzв – соответственно вертикальная и горизонталь ная составляющие силы резания на встречной подаче.
Другое отличие встречного и попутного шлифования заключается в кинемати ке резания отдельными зернами. Фактическая глубина резания, с которой зерно входит в обрабатываемый материал, при шлифовании на попутной подаче в общем случае больше, чем на встречной. Так как скорость резания достаточно высокая, начало врезания можно рассматривать как удар. Чем больше начальная толщина среза, тем больше сила удара. Поэтому на встречной подаче зерно работает с боль шей ударной нагрузкой.
При работе круга в режиме затупления, что при шлифовании титановых спла вов в первую очередь означает налипание металла на вершины зерен, сила Рbz в ре зультате увеличения коэффициента трения растет быстрее Рbу. Поэтому отношение Рbz/Рbу увеличивается (нижний индекс «b» в условном обозначении свидетельствует о том, что сила резания приведена к единице ширины обрабатываемой поверхно сти). Изменение отношения Рbz/Рbу принято в качестве критерия работы круга в ре жиме преимущественного затупления или самозатачивания. При работе в смешан ном и приблизительно равновероятном режиме затупления-самозатачивания отно шение сил не изменяется. Состояние рельефа рабочей поверхности круга в рас сматриваемый промежуток времени можно считать постоянным.
Если переход от одного режима работы круга к другому происходит плавно, на диаграмме сил не будет значительных колебаний. Ярко выраженные отклонения кривых от плавного хода на диаграмме сил свидетельствуют об изменении характе ра режима работы круга.
Причиной существенного уменьшения силы резания на этапе врезания на фоне её общего увеличения является быстрый переход от смешанного или режима работы с затуплением к интенсивному самозатачиванию, результатом которого яв ляется мгновенное обновление рабочей поверхности круга. Причем обновление ра бочей поверхности круга происходит не только в результате скалывания вершин или вырывания зёрен из связки, но и в результате удаления металла, налипшего на вершины зерен, и переноса его на обработанную поверхность. На диаграмме сил данный процесс отмечен скачкообразным снижением составляющих силы резания (рис. 2а).
На этапе выхода или переходном приведенная мгновенная режущая способ ность снижается, что свидетельствует об уменьшении объема удаляемого металла и снижении силы резания. В связи с уменьшением нагрузки на вершины зёрен, ин струмент переходит в режим работы с преимущественным затуплением, о чем сви детельствует увеличение отношения Pbz/Рbу. Несмотря на общее снижение силы ре зания, работа инструмента в режиме затупления приводит к тому, что сила резания отдельных или группы зёрен превышает силу закрепления их в связке. Это приво дит к удалению зерен, массовому срыву металла, налипшего на вершины зерен, и переносу его на обработанную поверхность, что подтверждено исследованием ре льефа шлифованной поверхности.
Подобные процессы наблюдаются и при встречном шлифовании (рис. 2б).
Сравнительный анализ характера формирования составляющих силы резания Pby и Pbz показывает, что встречное шлифование является более стабильным процессом.
15 18 l l Р b, Н/м м Р b z, Н/м м Р b, Н/мм 10 12 l l l 5 6 l l l1 l 0 0 13 26 0 30 60 90 0 30 60 l s, мм l s, мм L, мм а б в Рис. 2. Изменение составляющих силы резания при попутном (а), встречном (б) шлифовании по длине пути ls и при попутном шлифовании по длине дуги кон такта L (в): Рbz;
–– Рbу Особенно большое колебание сил наблюдается при попутном шлифовании длинных образцов на этапе постоянной длины дуги контакта. Периодическое чере дование затупления и интенсивного самозатачивания существенно снижает вос производимость результатов на этапе выхода в параллельных опытах.
Фактором, стимулирующим переход к самозатачиванию, является ударная нагрузка в момент соприкосновения зерна с обрабатываемым материалом, особен но высокая при попутном шлифовании.
О нестабильности процесса ГШ титанового сплава без непрерывной правки круга свидетельствует рис. 2в, где одна из составляющих силы резания представле на в зависимости от длины дуги контакта L.
Поскольку при попутной подаче доля самозатачивания выше, износ круга на попутной подаче больше, чем на встречной. Это согласуется с большими значени ями радиуса паза заготовки, сформированного при попутном ГШ по сравнению со встречным.
Существенным резервом повышения эффективности ГШ является непрерыв ная правка, снижающая составляющие силы резания.
Если режимы ГШ и правки обеспечивают стабильное состояние рельефа рабо чей поверхности круга, то изменение силы резания определяется мгновенной ре жущей способностью. В качестве примера на рис. 3а показан график, устанавлива ющий корреляционную связь между параметрами Pbz и qb при ГШ кругом характе ристики 64СF120G12V на режиме v=25 м/с, vs=50 мм/мин, t=2, 3 мм, sр=0,3 мкм/об:
Pbz = 2,57qb, R2 = 0,94.
С использованием полученного коэффициента пропорциональности значения qb, рассчитанные по формулам табл. 1, были переведены в модельные значения со ставляющих силы резания (рис. 3б). Статистический анализ данных показал, что среднее относительное отклонение экспериментальных сил резания от модельных составляет около 8%, максимальное – не более 15%.
Взаимосвязь между составляющими силы резания и мгновенной режущей способностью установлена и при ГШ стали 30ХГСНА кругом конического профи ля (В.А. Носенко, С.А. Зотова), что свидетельствует об универсальности показателя номинальной мгновенной режущей способности.
7, 7, 5, P bz, Н/мм 5, Р bz, Н/мм 2, 2, 0, 0, 0 30 60 0 0,9 1,8 2, l s, мм q b, мм /с а б Рис. 3. Зависимость Pbz от qb (а) и моделирование Pbz по критерию qb (б) В данной работе использованы математические модели при шлифовании плоской горизонтальной поверхности кругами прямого профиля. Для кругов кони ческого профиля так же получены математические модели показателей безотказно сти, отличающиеся от моделей глубинного шлифования кругом прямого профиля.
Таким образом, для каждого сочетания первоначальной формы обрабатываемой поверхности и формы рабочей поверхности круга необходимо разрабатывать свои математические модели номинальной мгновенной режущей способности, что су щественно затрудняет проектирование процесса глубинного шлифования.
Для автоматизации расчета и моделирования процесса глубинного шлифова ния разработана специализированная программная система, осуществляющая твер дотельное параметрическое моделирование. Программная система представляет собой оконное приложение для операционной системы Windows, написанное на языке C#. Система визуализирует процесс глубинного шлифования путем пошаго вой анимации, рассчитывает показатели безотказности, моделирует силовые пока затели процесса (составляющие силы резания, мощность, силу тока двигателя глав ного движения).
Шероховатость поверхности измеряли прибором Form Talysurf Intra. По длине обработанной поверхности каждого образца сделано 65 замеров параметра Ra. При трех параллельных опытах объем выборки составил 195 замеров.
В результате сравнения дисперсий установлено, что направление подачи стола оказывает значимое влияние на дисперсию Ra. На встречной подаче при шлифова нии с постоянной правкой и без правки разброс значений шероховатости больше чем на попутной. Влияние правки на дисперсию Ra не значимо.
На основании дисперсионного анализа при сравнении средних показано, что:
на попутной подаче Ra меньше, чем на встречной;
при шлифовании с постоянной правкой Ra на всей обработанной поверхности, кроме участка выхода круга, можно считать приблизительно постоянным;
при шлифовании без правки наблюдается тенденция повышения Ra по длине образца и снижение в конце этапа выхода круга.
Значимое снижение Ra установлено на этапе выхода на расстоянии 10 мм от конца заготовки.
С помощью двухлучевого электронного сканирующего микроскопа Versa 3D исследовали топографию обработанной поверхности. Отличительная особенность рельефа поверхности при глубинном шлифовании с постоянной правкой состоит в том, что кроме следов резания, адгезионного и когезионного взаимодействия, цара пин и кратеров, свидетельствующих о скалывании или вырывании зерна из связки, на поверхности обнаружено большое количество мелких и крупных отдельных ца рапин, которые можно рассматривать, как отпечатки вершины зерна (рис. 4а).
Подобные дефекты поверхности появляются при шлифовании с постоянной правкой. Алмазные зерна правящего ролика, контактируя с абразивными зернами, не только очищают их от налипшего металла или скалывают вершины, но и остав ляют в абразивном материале скрытые дефекты, например в виде микротрещин.
При последующем контакте с обрабатываемым материалом такие зерна мгновенно разрушаются, оставляя на обработанной поверхности отпечаток вершины или де формированную вмятину.
а б Рис. 4. Поверхность титанового сплава ВТ-8 при встречном шлифовании с непре рывной правкой круга (а) и без правки (б) Состояние поверхности при попутном шлифовании свидетельствует о более высоком адгезионном взаимодействии инструмента с титановым сплавом, что объ ясняется спецификой формирования поверхности в зависимости от направления подачи. На попутной подаче зерно начинает работать с максимальной толщины срезаемого слоя, т.е. с максимальной нагрузки. Учитывая большую скорость дви жения зерна, момент вхождения можно рассматривать как удар. На встречной по даче зёрна начинают работать практически с нулевой глубиной резания. Нагрузка на зерно постепенно возрастает по мере продвижения вершины. Исходя из этого вероятность скалывания наиболее выступающих вершин зерен, следовательно, и наиболее нагруженных при попутной подаче выше. Соответственно ниже вероят ность появления глубоких царапин. Поэтому при попутном шлифовании шерохо ватость поверхности меньше, чем при встречном. Это хорошо согласуется с кром костойкостью круга. На попутной подаче, как следует из результатов измерения ра диуса паза, кромкостойкость круга ниже, чем на встречной.
При шлифовании без правки круга состояние обработанной поверхности сви детельствует об интенсивном адгезионно-когезионном взаимодействии (рис. 4б).
Тем не менее, шероховатость поверхности при шлифовании без правки круга ниже, чем с правкой, что объясняется налипанием металла на вершины зерен и заглажи ванием обработанной поверхности при резании.
Значимого отличия в состоянии рельефа поверхности при шлифовании без правки круга на попутной и встречной подачах не установлено. Различие в числен ных значениях параметра Ra, кромкостойкости круга и составляющих силы реза ния, как и при шлифовании с постоянно правкой объясняются спецификой удале ния материала на встречной и попутной подачах.
В результате исследования химиче ского состава шлифованной поверхности в слоях от 100 нм до 1500 нм установле но, что содержание кремния в отдельных участках колеблется от 30 до 64 %, со держание углерода – от 10 до 30 %. При чина столь высокого содержания крем ния и углерода объясняется переносом отдельный кристаллов карбида кремния на обработанную поверхность при ГШ (рис. 5).
В пятой главе приведены результа ты производственных испытаний.
Рис. 5. Кристалл карбида кремния Необходимо было разработать про цесс глубинного шлифования плоских поверхностей, обеспечивающий Ra=1, мкм, отклонение от плоскостности не более 10 мкм и отсутствие шлифовочных прижогов при максимальной производительности. Ширина обрабатываемых по верхностей изменялась от 34 до 64 мм, припуск – 3 мм.
Как показали испытания, направление подачи стола необходимо учитывать при шлифовании широких поверхностей и ограничениях в мощности двигателя главного движения. Например, при ГШ на станке с мощностью двигателя 18 кВт кругом твердостью I на встречной подаче 50 мм/мин и подаче правящего ролика 0, мкм/об снижение скорости двигателя главного движения наблюдалась уже на глу бине шлифования 1 мм. На попутной подаче изменение скорости вращения абра зивного инструмента не происходит.
С увеличением подачи правящего ролика Sp или с уменьшением твёрдости ШК, например, до G обработка возможна на встречной подаче. Но и в этом случае сила тока двигателя главного движения I на попутной подаче меньше, чем на встречной, шероховатость обработанной поверхности ниже. С увеличением t и vs сила тока возрастает пропорционально. Наибольшее влияние на шероховатость по верхности оказывает Sр. С увеличением Sп от 0,1 до 0,5 мкм/об Ra возрастает почти на 80 %, I при этом снижается на 50 %.
При шлифовании на различных глубинах, начиная от 0,5 до 3 мм, определяли режим правки, обеспечивающий выполнение технических требований.
С целью снижения силы резания обработку осуществляли на попутном дви жении стола. Возможность удаления припуска 3 мм на vs=50 мм/мин за счет подбо ра t и Sp при шлифовании заготовок шириной 34 мм показана на рис. 6.
На основании полученных резуль татов определены режимы ГШ, обеспе 38 0,1 0,3 0,5 0,7 чивающие максимальную производи тельность и минимальный расход абра I, А зивного инструмента.
0,8 Снятие припуска 3 мм возможно за один или два хода. При шлифовании в 0,4 0,6 0, 0, два хода t могут быть следующими (мм):
1,5 и 1,5;
2 и 1;
2,5 и 0,5. Основное время 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 шлифования Т для приведенного соче o t, мм тания глубин практически одинаково (различие в пределах 2%), а износ ин Рис. 6. Влияние t на I при различ- струмента изменяется в следующей про ной Sр, (показана на рис., мкм/об) порции: 1:1,28:1,84. При снятии припуска 3 мм за один ход износ круга в 2, больше, чем за два хода по 1,5 мм, но Тo меньше в 1,8 раза.
Уменьшение твёрдости абразивного инструмента с I до G снижает силу тока на 20 – 30 %. На столько же при шлифовании с постоянной правкой возрастает па раметр Ra обработанной поверхности. При чистовом шлифовании без правки круга Ra возрастает на 9 – 14 %.
Производственные испытания показали, что использование инструмента твер достью G вместо I при съеме припуска в диапазоне от 1,5 до 2 мм обеспечивает снижение расхода абразивного инструмента в 1,5-2,2 раза при сокращении основ ного времени на 50-10 %.
На основании результатов производственных испытаний подобраны рацио нальные режимы глубинного шлифования для удаления припуска 2 и 3 мм, кругом характеристика 64СF120G12V, обеспечивающие максимальную производитель ность и минимальный расход абразивного инструмента.
При ГШ на рекомендованных режимах шлифовочные прижоги на обработан ной поверхности отсутствуют, Ra и отклонение от плоскостности обработанной по верхности не превышают соответственно 1,1 мкм и 0,01 мм.
Остаточные напряжения определяли при удалении припуска 3 мм после чер нового шлифования, включающего два хода стола, и после окончательной обработ ки, состоящей из чернового и чистового шлифования. В поверхностном слое об разца после ГШ на данных режимах формируются сжимающие остаточные напря жения, максимальная величина которых достигает в среднем 181 – 193 МПа.
Напряжения переходят через ноль на глубине около 40 мкм и далее составляют ве личину порядка 10-15 МПа.
При ГШ пазов в заготовках из сплава ВТ8 применяли круг той же характери стики. Технические требования: отсутствие шлифовочных прижогов;
шерохова тость поверхности дна паза Ra=1,5 мкм;
радиус паза – 0,30±0,05 мм;
формирование в поверхностном слое дна паза сжимающих остаточных напряжений.
Исходя из результатов испытаний, рекомендованы два режима ГШ пазов: ре жим 1 максимальной производительности, выполняемый за два хода стола (черно вой с постоянной правкой и чистовой без правки круга);
режим 2, обеспечивающий сокращение расхода абразивного инструмента, осуществляется за два хода стола.
Испытания показали, что радиус и глубина паза удовлетворяют установленным требованиям, прижоги на обработанной поверхности отсутствуют. При шлифова нии на режиме 1 шероховатость обработанной поверхности Ra=0,9–1,1 мкм, на ре жиме 2 – Ra=1,0–1,3 мкм. В поверхностном слое формируются сжимающие оста точные напряжения, что является преимуществом ГШ по сравнению с маятнико вым. Значимых отличий в характере формирования остаточных напряжений при шлифовании на режимах 1 и 2 не установлено.
Имитационное моделирование процесса ГШ с управлением скоростью подачи выполнено на примере шлифования паза. Как показали производственные испыта ния, в качестве фактора управления целесообразно выбрать обеспечение бесприжо гового шлифования. Для имитационного моделирования ГШ необходимо задать коэффициент пропорциональности между номинальной мгновенной режущей спо собностью и силой тока двигателя главного движения;
для управления подачей ро лика – предельно допустимое значение силы тока, обеспечивающее бесприжоговое шлифование. В результате обработки экспериментальных данных были определе ны коэффициенты пропорциональности на каждой подаче ролика и предельно до пустимое значение силы тока ГШ без силы тока холостого вращения шлифовально го круга. Полученные экранные формы приведены на рис. 7.
а б Рис. 7. Укрупненные графики текущих значений:
а – номинальная мгновенная режущая способность;
б – сила тока при шлифовании ГШ начинается с подачи Sp=0,1 мкм/об. При достижении Iш предельно допу стимого значения подача увеличивается на 0,1 мкм/об и т.д. На этапе выхода Iш снижается. При достижении нижней предельной границы Sp снижается на 0, мкм/об и т.д., пока Sp не примет минимальное первоначальное значение.
Предложенный способ управления ГШ пазов с изменением подачи правящего ролика по сравнению с процессом, обеспечивающим наибольшую производитель ность при том же основном времени позволяет сократить расход инструмента в 1,72 раза.
Основные выводы 1. Разработаны математические модели номинальной наработки и номи нальной мгновенной режущей способности для всех этапов ГШ плоских поверхно стей ШК прямого профиля и программное обеспечение для автоматизации расче тов.
2. При шлифовании с постоянной правкой и условии стабильности рельефа рабочей поверхности круга на всех этапах ГШ заготовок из титанового сплава кру гами прямого профиля установлена прямая пропорциональная зависимость сило вых показателей процесса (составляющие силы шлифования, сила тока двигателя главного движения) от номинальной мгновенной режущей способности. С исполь зованием полученного коэффициента пропорциональности расчетные значения qb переведены в модельные значения силовых показателей. Для рассмотренных вари антов максимальное относительное отклонение не превышало 15%. Критерием стабильности процесса являеся отношение составляющих силы резания Pz/Py.
3. Разработана методика и специализированная программная система моде лирования ГШ и автоматизации управления. На основе твердотельного параметри ческго моделирования система визуализирует ГШ путем пошаговой анимации, рас считывает показатели безотказности, моделирует силовые показатели (составляю щие силы резания, мощность, силу тока двигателя главного движения) и с введени ем предельного значения силового показателя управляет ГШ посредством измене ния подачи правящего ролика.
С использованием программной системы разработан процесс автоматизи рованного управления подачей правящего ролика, обеспечивающий сокращение расхода абразивного инструмента на 70% по сравнению с неизменяемой подачей.
4. В результате исследования закономерностей изменения составляющих си лы резания, анализа шероховатости обработанной поверхности, состояния релье фа обработанной поверхности установлены следующие особенности глубинного шлифования титановых сплавов:
4.1. При одинаковых режимах шлифования и правки, обеспечивающих формирование одинакового рельефе рабочей поверхности круга, составляющие силы резания на встречной и попутной подачах должны удовлетворять следую щим соотношениям: РупРув;
РzвРzп;
Рzв/РувРzп/Руп.
4.2. Фактором, стимулирующим переход к самозатачиванию при ГШ, явля ется ударная нагрузка в момент соприкосновения зерна с обрабатываемым мате риалом. При попутном шлифовании ударная нагрузка выше, чем при встречном.
Поэтому на попутной подаче вероятность перехода абразивного инструмента в режим работы с самозатачиванием выше, чем на встречной, а кромкостойкость абразивного инструмента ниже.
4.3. Установлено, что направление подачи стола оказывает значимое влия ние на дисперсию Ra. На встречной подаче при шлифовании с постоянной прав кой и без правки разброс значений шероховатости больше чем на попутной. Вли яние правки на дисперсию Ra не значимо.
4.4. На основании дисперсионного анализа при сравнении средних показа но, что: на попутной подаче Ra меньше, чем на встречной;
при шлифовании с по стоянной правкой Ra на всей обработанной поверхности, кроме участка выхода круга, можно считать приблизительно постоянной;
при шлифовании без правки наблюдается тенденция повышения шероховатости обработанной поверхности по длине образца и снижение её в конце этапа выхода круга. Значимое снижение Ra установлено на этапе выхода на расстоянии 10 мм от конца заготовки.
4.5. Состояние обработанной поверхности при шлифовании без правки круга свидетельствует о более интенсивном адгезионном взаимодействии инструмента и обрабатываемого металла по сравнению со шлифованием с постоянной правкой круга.
4.6. Отличительная особенность рельефа обработанной поверхности при глубинном шлифовании с постоянной правкой состоит в том, что кроме следов резания, адгезионного и когезионного взаимодействия, царапин и кратеров, сви детельствующих о скалывании или вырывании зерна из связки, на поверхности обнаружено большое количество мелких и крупных отдельных царапин, которые можно рассматривать, как отпечатки вершины зерна.
4.7. Значимого отличия в состоянии рельефа обработанной поверхности при шлифовании без правки круга на попутной и встречной подачах не установлено.
При шлифовании с постоянной правкой круга состояние рельефа обработанной поверхности на попутной подаче свидетельствует о более высоком адгезионном взаимодействии инструмента с титановым сплавом по сравнению со встречной подачей.
4.8. В результате исследования химического состава шлифованной поверх ности в слоях от 100 нм до 1500 нм установлено, что содержание кремния в от дельных участках колеблется от 30 до 64 %, содержание углерода – от 10 до 30 %.
Причина столь высокого содержания кремния и углерода объясняется переносом отдельный кристаллов карбида кремния на обработанную поверхность.
5. Разработан технологический процесс ГШ плоских поверхностей и пазов на заготовках из титанового сплава ВТ8 с непрерывной правкой круга. Рекомен дуемые абразивные инструменты и режимы обработки испытаны в производ ственных условиях ОАО «Металлист-Самара» и ОАО «Казанское моторострои тельное производственное объединение». Испытания подтвердили их эффектив ность. Рекомендуемые абразивные инструменты и режимы обработки приняты к расширенным производственным испытаниям и внедрению.
Методика и программное обеспечение расчета показателей безотказности ГШ согласованы с ОАО «Металлист-Самара» и приняты к практическому исполь зованию.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах.
1. Носенко В. А., Носенко С. В. Технология шлифования: монография. – Волгоград: ИУНЛ ВолгГТУ, 2011. – 425 с.
Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
2. Носенко, С.В. Попутное и встречное глубинное шлифование поверхно сти неполного цикла с периодической правкой круга / В.А. Носенко, В.К. Жуков, А.А. Васильев, С.В. Носенко // Вестник машиностроения. - 2008. - № 5. - C. 44-50.
3. Носенко, С.В. Специфика удаления материала на различных этапах плоского глубинного шлифования / В.А. Носенко, В.К. Жуков, С.А. Зотова, С.В.
Носенко // СТИН. - 2008. - № 3. - C. 23-27.
4. Носенко, С.В. Закономерности изменения силы плоского глубинного шлифования / В.А. Носенко, С.В. Носенко, А.В. Авилов // Справочник. Инженер ный журнал. - 2009. - № 7. - C. 10-19.
5. Носенко В. А. Наработка и режущая способность круга конического профиля при глубинном шлифовании горизонтальной поверхности /В.А. Носенко, С.А. Зотова, С.В. Носенко // Проблемы машиностроения и надёжности машин. 2009. - № 4. - C. 74-80.
6. Носенко, С.В. Математические модели наработки и режущей способно сти для различных этапов плоского глубинного шлифования горизонтальных по верхностей кругом прямого профиля / В.А. Носенко, С.В. Носенко // Проблемы машиностроения и надёжности машин. - 2010. - № 4. - C. 92-98.
7. Носенко, С.В. Попутное и встречное глубинное шлифование титанового сплава с периодической правкой круга / В.А. Носенко, С.В. Носенко // Вестник машиностроения. - 2010. - № 10. - C. 66-71.
8. Носенко, С.В. Попутное и встречное глубинное шлифование титанового сплава с непрерывной правкой круга / В.А. Носенко, С.В. Носенко // Вестник ма шиностроения. - 2010. - № 11. - C. 57-61.
Статьи, переизданные в зарубежных журналах.
9. Носенко, С.В. Deep Grinding of Incomplete-Cycle Surfaces, with Periodic Straightening of the Wheel / В.А. Носенко, В.К. Жуков, А.А. Васильев, С.В.
Носенко // Russian Engineering Research. - 2008. - Vol. 28, No. 5. - C. 442-449.-Англ.
10. Носенко, С.В. Removal of Material at Different Stages of Deep Plane Grind ing / В.А. Носенко, В.К. Жуков, С.А. Зотова, С.В. Носенко // Russian Engineering Research. - 2008. - Vol. 28, No. 6. - C. 606-610.-Англ.
11. Носенко, С.В. Run and cutting power of a conical-camber disk under creep feed grinding of a horizontal face / В.А. Носенко, С.А. Зотова, С.В. Носенко //Journal of Machinery Manufacture and Reliability. - 2009. - Vol. 38, № 4.-C. 373-378. - Англ.
12. Носенко, С.В. Deep grinding of titanium alloy with continuous wheel correc tion / В.А. Носенко, С.В. Носенко // Russian Engineering Research. - 2010. - Vol. 30, № 11. - C. 1124-1128.-Англ.
13. Носенко, С.В. Mathematical models of operating time and cutting capacity for various stages of flat creep feed grinding of horizontal surface by circle of direct profile / В.А. Носенко, С.В. Носенко // Journal of Machinery Manufacture and Reliability. 2010. - Vol. 39, № 4. - C. 380-385.-Англ.
Свидетельство о регистрации.
14. Свидетельство о гос. регистрации программы для ЭВМ № 2009615802 от 16 окт. 2009 г. РФ. Обработка результатов тарировки и измерения сил шлифова ния / В.А. Носенко, М.В. Даниленко, Р.А. Белухин, С.В. Носенко, А.П. Митрофа нов;
ВолгГТУ. - 2009.
Другие публикации.
15. Носенко, С.В. Математические модели показателей надёжности про цесса глубинного шлифования поверхности различной ширины и длины / В.А.
Носенко, С.А. Зотова, С.В. Носенко // Повышение эффективности механообработ ки на основе моделирования физических явлений: матер.всерос. науч.-техн.
конф./РГАТА им. П.А.Соловьёва. - Рыбинск, 2009. - Ч.1. - C. 181-187.
16. Носенко, С.В. Математическая модель мгновенной режущей способно сти при глубинном шлифовании кругом прямого профиля / С.В. Носенко // Науч ный потенциал студенчества в XXI веке : матер. IV междунар. науч. конф. студ., аспир., молод.учёных. Т. 1. Естеств. и техн. науки / Сев.-Кав. гос. техн. ун-т. Ставрополь, 2010. - C. 289-290.
17. Носенко, С.В. Математические модели показателей надёжности для раз личных этапов плоского глубинного шлифования кругом прямого профиля / В.А.
Носенко, С.В. Носенко // ВiсникСевНТУ. Вип. 107: Машиноприладобудування та транспорт : зб. наук.праць / Севастоп. нац. техн. ун-т.- Севастополь, 2010.- С. 174 178.
18. Носенко, С.В. Особенности изменения показателей надёжности на раз личных этапах глубинного шлифования / С.В. Носенко // Молодёжь и наука XXI века : матер. III междунар. науч.-практ. конф. (23-26 нояб. 2010 г.) / ФГОУ ВПО "Ульяновская гос. с.-х. академия" [и др.]. - Ульяновск, 2010. - Т. IV. - C. 87-90.
19. Носенко, С.В. Разработка плоского глубинного шлифования заготовок из титанового сплава с учетом многоэтапности процесса / С.В. Носенко // Машино строение и техносфера XXI века: сб. тр. XVIII междунар. науч.-техн. конф., г. Се вастополь, 12-17 сент. 2011 г. : в 4 т. Т. 2 / Донецк: ДонНТУ, 2011. Т. 2. - С. 264 268.
20. Носенко,С.В. Повышение эффективности глубинного шлифования тита новых сплавов / В.А. Носенко, С.В. Носенко // Машиностроительные технологии и техника автоматизации – 2012 : сб. тр. междунар. науч.-техн. конф., посвящ. 80 летию ГИУА, г. Ереван, 9-15 июля 2012 г. / Гос. инж. ун-т Армении (Политехник) – Ереван, 2012. – С. 98-103.
21. Носенко, С.В. Закономерности изменения некоторых показателей безот казности глубинного шлифования на переходном этапе / С.В. Носенко, Ю.Н. По лянчиков, В. А. Носенко, Л.Л. Кременецкий // Фундаментальные проблемы тех ники и технологии "Технология – 2012" : сб. тез.и аннотаций науч. докл. XV меж дунар. науч.-техн. конф., г. Орёл, 5-8 июня 2012 г. / Технол. ин-т им. Н.Н. Поли карпова ФГБОУ ВПО "Госуниверситет – УНПК". Орёл, 2012. - C. 196-198.
Подписано в печать _._. 2013г. Заказ №. Тираж 100 экз. Печ. л. 1, Формат 60 х 84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная.
Типография ИУНЛ Волгоградского государственного технического университета.
400005, г. Волгоград, ул. Советская,