Повышение эффективности глубинного шлифования специальным высокопористым абразивным инструментом на основе совершенствования выбора параметров процесса
На правах рукописи
ВАСЕНКО СЕРГЕЙ МИХАЙЛОВИЧ ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ГЛУБИННОГО ШЛИФОВАНИЯ СПЕЦИАЛЬНЫМ ВЫСОКОПОРИСТЫМ АБРАЗИВНЫМ ИНСТРУМЕНТОМ НА ОСНОВЕ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ВЫБОРА ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА Специальность 05.02.07 – Технология и оборудование механической и физико-технической обработки 05.02.07 – Технология и и физико-технической обработки
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук
Москва, 2013
Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный технологический университет «СТАНКИН»
Научный консультант: Рябцев Сергей Александрович доктор технических наук, ведущий научный сотрудник ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН», г. Москва
Официальные оппоненты: Таратынов Олег Васильевич Заслуженный деятель науки РФ доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «МГИУ», г. Москва Булошников Валерий Серафимович кандидат технических наук, доцент ФГБОУ ВПО «МГТУ им. Н.Э. Баумана», г. Москва Ведущее предприятие: ОАО «ВНИИИнструмент», г. Москва
Защита диссертации состоится «_27_»июня 2013г. в _16:30_ часов на заседании диссертационного совета Д 212.142.01 при ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН» по адресу: 127994, Москва, ГСП-4, Вадковский пер., д. 3а.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН».
Ваши отзывы на автореферат, заверенные печатью организации, просим направить по указанному адресу.
Автореферат разослан «_24_» _мая 2013г.
Ученый секретарь диссертационного совета канд. техн. наук, доцент М.А. Волосова
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. В России и за рубежом активно внедряется в машиностроительное производство прогрессивный и высокопроизводительный процесс глубинного шлифования. Одним из основных преимуществ глубинного шлифования является то, что слой металла, удаляемый за один проход шлифовального круга, может составлять до 10 и более миллиметров при скорости перемещения детали от 40 до 500 и более мм/мин в зависимости от типа обрабатываемой детали, марки материала, глубины шлифования и требований, предъявляемых к качеству поверхностного слоя.
К настоящему времени достаточно хорошо изучен процесс глубинного шлифования высокопористыми кругами на скоростях в диапазоне 20…35 м/с.
Разработаны теоретические модели процесса, подкрепленные математическими расчетами, необходимыми для назначения оптимальных характеристик абразивного инструмента, параметров режима шлифования и правки круга. В меньшей степени изучены теоретические основы глубинного шлифования с точки зрения эффективности его применения.
Под эффективностью процесса шлифования, понимается комплекс параметров, характеризующих различные его стороны. К таким параметрам обычно относят физические величины (силу, температуру, распределение тепловых потоков и т.д.) и технико-экономические показатели (время обработки, расход абразива и т.д.), по значениям которых можно судить о достоинствах и недостатках конкретного процесса шлифования.
Физические величины, присущие процессу глубинного шлифования, обусловлены кинематической схемой обработки, свойствами обрабатываемого материала и режущей способностью абразивного инструмента. Они предопределяют, в основном, термодинамическую напряженность в зоне резания, и, как следствие, показатели точности и качества обработки деталей.
Технико-экономические показатели процесса глубинного шлифования характеризуют его экономичность и в некоторой степени экологичность, исходя из затрат времени на обработку, энергии, расходу абразива и т.д. в зависимости от конкретных условий обработки.
В научно-исследовательском центре «Новые технологии и инструменты» МГТУ «Станкин» для шлифования деталей из труднообрабатываемых материалов разработан специальный высокопористый абразивный инструмент с номерами структуры до N=16 и выше, который изготавливается по оригинальной технологии с использованием в качестве порообразующего наполнителя невыгорающих алюмосиликатных микросфер. Применение такого абразивного инструмента, в том числе и для глубинного шлифования, позволяет существенно интенсифицировать процесс съема материала и заметно влиять на качество и экономичность обработки.
Однако задача рационального использования высокопроизводительного инструмента с целью повышения эффективности глубинного шлифования деталей различного назначения в зависимости от особенностей конкретной технологической схемы и условий обработки до сих пор не решена и остается актуальной для современного машиностроения.
В диссертационной работе на основе выполненных исследований и испытаний, проведенных в производственных условиях, а также обобщения известного опыта выявлены параметры кинематики глубинного шлифования, используемые для оценки действующих физических величин, и для оценки технико-экономических показателей процесса. Выполнен кинематический и технико-экономический анализ конкретных технологических процессов профильного глубинного шлифования хвостовиков турбинных лопаток из жаропрочных никелевых сплавов, цилиндрических зубчатых колес из закаленных высоколегированных сталей и фасонного режущего инструмента (на примере обработки длинномерной протяжки) из закаленной быстрорежущей стали. На основе выполненного кинематического и технико-экономического анализа предложены пути повышения эффективности процессов глубинного шлифования с применением высокопроизводительного инструмента.
Работы по тематике диссертации выполнялись, в том числе, при государственной финансовой поддержке в рамках ФЦП «Научные и научно педагогические кадры инновационной России на 2009-2013г.г.» (Гос. контракт № П2482), госбюджетной темы 12-15/0706н, а также хозяйственным договорам с ФГУП «НПЦ газотурбостроения «Салют» и ОАО «Волжский абразивный завод».
Цель работы: Повышение эффективности глубинного шлифования деталей специальным абразивным инструментом с повышенной структурностью и порис тостью, изготовленного с использованием невыгорающих алюмосиликатных мик росфер, на основе совершенствования выбора параметров процесса обработки с учетом выявленных преимуществ глубинной схемы шлифования.
Для реализации поставленной цели в работе решались следующие задачи:
1. Разработка методики кинематического анализа процесса глубинного шлифования с использованием предложенных в работе показателей по площади мгновенного сечения удаляемого слоя материала, углу действия результирующей силы резания и отношения ее нормальной и тангенциальной составляющих.
2. Анализ кинематических особенностей процесса глубинного шлифования во взаимосвязи с формированием силы резания и ее распределения по составляющим.
3. Установление критериев принадлежности процесса шлифования к схеме глубинной обработки, при которых обеспечиваются благоприятные условия одновременного достижения высоких показателей производительности, работоспособности инструмента и качества шлифованной поверхности детали.
4. Разработка технико-экономических показателей процессов глубинного шлифования с непрерывной и циклической правкой абразивного инструмента.
5. Анализ производительности процесса, работоспособности инструмента, энергоемкости и экономичности при профильном глубинном шлифовании хвостовиков турбинных лопаток, зубчатых колес и фасонного режущего инструмента.
6. Сравнительная оценка эффективности процессов глубинного шлифования различных деталей и выявление путей повышения его эффективности.
7. Производственные испытания и внедрение результатов работы с использованием нового высокопроизводительного абразивного инструмента с повышенной структурностью и пористостью.
Методика исследований. Исследования, выполненные в работе, опирались на научные положения теории резания материалов, основ шлифования и проектирования абразивного инструмента. Достоверность полученных результатов подтверждается заводскими испытаниями и их внедрением в производство.
Научная новизна работы заключается в:
- установленном влиянии кинематического параметра процесса шлифования в виде отношения глубины обработки к диаметру инструмента на величину угла действия вектора результирующей силы резания и характер ее распределения на нормальную и тангенциальную составляющие, действующие на срезаемый слой и обрабатываемую поверхность детали;
- предложенных критериях глубинной схемы шлифования, при которых повышенные технико-экономические показатели процесса сочетаются с минимальным термодинамическим воздействием на поверхностный слой шлифуемой детали;
- технико-экономических показателях процесса глубинного шлифования для оценки его эффективности в зависимости от использования непрерывной или циклической правки абразивного инструмента.
- расчетной модели для определения экономичной величины непрерывной правки круга при глубинном шлифовании, которая предусматривает удаление рабочего слоя инструмента, равного глубине внедрения его режущих зерен в обрабатываемую поверхность детали в зависимости от принятых параметров режима обработки;
- закономерностях влияния кинематических параметров глубинного шлифования на технико-экономические показатели процесса по производительности, работоспособности инструмента и удельной энергоемкости.
Практическая ценность результатов работы заключается в:
- рекомендациях по выбору диаметра инструмента и параметров режима глубинного шлифования с учетом его кинематики для достижения повышенных технико-экономических показателей процесса и качества обработки хвостовиков турбинных лопаток, зубчатых колес и фасонного режущего инструмента;
- внедрении результатов работы в технологические процессы профильного глубинного шлифования хвостовиков турбинных лопаток из жаропрочных никелевых сплавов, зубчатых колес и фасонного режущего инструмента из закаленных сталей новым высокопроизводительным инструментом с повышенной структурностью и пористостью.
Апробация работы: Основные положения работы были представлены на международных научно-практических конференциях «Достижения и перспективы естественных и технических наук» (г. Ставрополь), и «Техника и технология:
новые перспективы развития» (г. Москва). Всероссийской молодежной научно практической конференции с международным участием «Инженерная мысль машиностроения будущего» (г. Екатеринбург).
Диссертационная работа была доложена и обсуждена на совместном заседании кафедр «Высокоэффективные технологии обработки», «Технология машиностроения», «Инструментальная техника и технология формообразования» и научно-исследовательского центра «Новые технологии и инструменты» МГТУ «Станкин».
Публикации. По результатам работы опубликованы 8 статей, 3 из которых в изданиях из обязательного перечня ВАК РФ.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов и списка литературы. Диссертационная работа изложена на 161 странице, содержит 34 рисунка, 22 таблицы, список используемой литературы из 86 наименований и приложения.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
В главе 1 «Состояние вопроса, цель и задачи исследования» проанализированы литературные источники отечественных и зарубежных ученых по следующим направлениям: процессы глубинного шлифования, их технологические особенности и условия обработки;
абразивный инструмент для глубинного шлифования;
области эффективного применения процессов глубинного шлифования.
Изучению процесса глубинного шлифования посвящено большое количество научных публикаций отечественных и зарубежных ученых, в том числе Ю.И. Волкова, В.И. Курдюкова, В.А. Носенко, В.А. Полетаева, С.А.
Попова, Н.С. Рыкунова, С.С. Силина, В.К. Старкова, В.А. Хрулькова и др., а также N. Jones, A. Noechl, P. Oppelt, M. Fischbacher, C. Zeppenfeld и др.
Установлено, что, несмотря на значительные успехи в исследовании физики процесса глубинного шлифования, технологических особенностей его применения и большом опыте внедрения в промышленность, в меньшей степени изучены теоретические вопросы с точки зрения эффективности его применения по кинематическим и технико-экономическим показателям.
К настоящему времени созданы высокопроизводительные профилешлифовальны станки и абразивный инструмент, которые позволяют существенно интенсифицировать процесс глубинного шлифования.
В частности в МГТУ «Станкин» разработаны шлифовальные круги с повышенной пористостью и структурностью, при использовании которых сокращается расход правящего инструмента (алмазных роликов), т.к. на 17…25% уменьшается количество работающих абразивных зерен круга, подлежащих правке;
уменьшается теплонапряженность процесса шлифования из-за уменьшения работы трения (меньшего числа зерен) в общем энергетическом балансе съема материала.
Производственными испытаниями установлено, что новый отечественный инструмент, изготовление которого освоено на ОАО «Волжский абразивный завод» по своей эффективности превосходит лучшие зарубежные аналоги.
В главе 2 «Кинематический фактор эффективности процесса глубинного шлифования» предложена оптимизированная кинематическая схема глубинного шлифования (с учетом работы всех зерен на дуге контакта) и выявлены параметры, необходимые для анализа эффективности процесса обработки.
Глубинное шлифование среди всех известных методов шлифования выделяется своей высокой производительностью и особенно физическими условиями формообразования обрабатываемой поверхности детали, при которых заданные показатели ее точности и качества обеспечиваются с минимальными искажениями структурного и субструктурного состояния поверхностного слоя.
Природа столь необычного для процессов шлифования сочетания повышенной производительности по съему материала с формированием благоприятных свойств поверхностного слоя обработанной детали для ее эксплуатации (минимальный наклеп, сжимающие остаточные напряжения и др.) до настоящего времени не имеет убедительного объяснения. Непонятным остается ответ на вопрос: как при интенсивном термодинамическом воздействии на зону обработки ее влияние несущественно сказывается на состоянии материала под шлифованной поверхностью?
В данной главе представлен вариант возможного ответа на него на основе анализа кинематических особенностей процесса глубинного шлифования.
В отличие от известных работ в этом направлении предложен новый подход, простой и удобный для расчетов и понимания особенностей глубинного шлифования.
Кинематика процесса шлифования и, глубинного в том числе, определяется соотношением рабочих скоростей взаимодействующих элементов системы резания: шлифовального круга и обрабатываемой детали (рис. 1).
Для схемы плоского шлифования, наиболее распространенной в практике применения глубинного шлифования, основными кинематическими параметрами процесса являются скорость вращения круга V кр, скорость продольного перемещения детали V д относительно инструмента и глубина его врезания t в обрабатываемую поверхность на каждом проходе.
Применительно к шлифованию кинематический анализ перемещения элементов системы резания рассматривает конфигурацию и размеры удаляемого а) Сечение среза единичным зерном на б) Сечение среза всеми зернами на дуге дуге контакта AB (по Е.Н. Маслову). контакта АB.
Рис. 1 Кинематические схемы плоского шлифования.
слоя материала. Форма и размеры его связаны с параметрами режима шлифования, рассматриваемым периодом времени и диаметром инструмента D.
В работе рассмотрена кинематика встречного шлифования периферией круга по двум схемам. В первом случае сечение среза формируется единичным зерном по Е.Н. Маслову, во втором случае - оно формируется всеми зернами на дуге контакта АB (рис. 1).
Для двух возможных расчетных схем кинематического анализа процесса глубинного шлифования установлены две важные характеристики: площадь сечения срезаемого слоя F, которая напрямую влияет на величину результирующей силы резания P, и угол p, который определяет направление ее действия.
Для первой кинематической схемы (рис. 1а):
VД Площадь срезаемого слоя Fa 0,5 D t (1) VКР t Угол действия результирующей силы резания Pа 81,07 (2) D A 1 B – величина врезания абразивного круга в деталь за время совершения работы резания одним зерном;
P а – вектор результирующей силы резания;
Для второй кинематической схемы (рис. 1б):
V Fв Д D t Площадь срезаемого слоя (3) VКР t Угол действия результирующей силы резания P 57,32 (4) D В В 1 B =a z – величина врезания абразивного круга в деталь за время совершения работы резания всеми зернами, находящимися на дуге контакта;
P в – вектор результирующей силы резания;
Разработанные модели идентичны по структуре, но отличаются только числовыми коэффициентами. Они применимы, в принципе, не только для анализа кинематики глубинного, но и для маятникового шлифования, включая схемы попутной и встречной обработки.
За время перемещения на дуге контакта шлифовального круга, например, зернистостью F80 и 12 структуры теоретически может находиться 3,3 абразивных зерна на 1 мм контакта. Если принять во внимание, что при глубинном шлифовании кругом диаметром 500 мм глубина обработки может варьироваться от 0,5 до 10 мм, то на расчетной длине контакта от 15,8 до 70,7 мм в работе резания участвует 52…219 зерен.
На основе представленной оценки двух предложенных кинематических схем можно сделать заключение, что для глубинного шлифования предпочтительней второй вариант. Его достоинство в том, что он учитывает реальный, то есть множественный характер взаимодействия большого числа режущих зерен инструмента с обрабатываемой поверхностью детали.
Из кинематического анализа следует, что при шлифовании площадь мгновенного сечения срезаемого слоя пропорциональна скорости продольного перемещения обрабатываемой детали V д, глубине врезания t шлифовального круга и его диаметру D, и обратно пропорциональна скорости вращения инструмента V кр.
Величина угла действия силы резания p возрастает с увеличением глубины t, но уменьшается при больших диаметрах шлифовальных кругов.
Из этого важного следствия вытекает, что в зависимости от отношения t/D вектор силы резания начинает перемещаться от нормали к обрабатываемой поверхности к линии, параллельной ей, то есть в направлении срезаемого слоя (см. рис. 2).
Для кинематического анализа схемы шлифования раскладываем результирующую силу резания на нормальную (P y ) и тангенциальную (P z ) составляющие. При этом котангенс угла действия силы резания p является отношением двух ее составляющих:
Py ctg p. (5) Pz С другой стороны угол действия результирующей силы резания зависит от величины врезания режущего инструмента в деталь и от его диаметра (2, 4).
а) Маятниковая схема, t = 0,005 мм б) Глубинная схема, t = 10 мм Рис. 2 Сравнительный кинематический анализ маятниковой и глубинной схем шлифования.
Следовательно, появляется дополнительный параметр связи кинематики процесса шлифования с его динамикой.
Предложенный кинематический анализ дает возможность уточнить принадлежность конкретного процесса шлифования к схеме маятниковой или глубинной обработки.
На рис. 2 в наглядном виде представлены результаты кинематического анализа для двух схем шлифования – маятниковой (t = 0,005 мм) и глубинной (t = 10 мм).
При увеличении скорости съема материала при глубинном шлифовании почти в 10 раз в сравнении с маятниковой схемой обработки, заметно возрастает с 0,181 до 8,106° угол действия силы резания и снижается отношение составляющих силы резания с 312,5 до 6,745 или в 46,3 раза.
В реальности для условий маятникового шлифования отношение t/D равно 10 …10-4 при угле действия силы резания p = 0,1…1,2 град.
- При глубинном шлифовании отношение глубины обработки к диаметру круга варьируется в диапазоне от 10-3 до 10-2 и более с углом p = 1,8…12 град и более. Этот вариант сочетаний значений t/D и p можно принять как критерий принадлежности процесса шлифования к схеме глубинной обработки.
Выполнен кинематический анализ для процессов формообразования, включая маятниковую и глубинную схемы обработки, хвостовиков турбинных лопаток из жаропрочных никелевых сплавов, цилиндрических зубчатых колес и фасонного режущего инструмента (на примере длинномерной плоской протяжки) на реальных режимах шлифования и правки, установленных в процессе производственных испытаний.
Для формирования благоприятных с точки зрения производительности и качества обработки целесообразно назначать кинематические условия процесса глубинного шлифования с максимально возможными значениями глубины резания и скорости детали при уменьшении диаметра шлифовального круга.
В главе 3 «Технико-экономические показатели эффективности процесса глубинного шлифования» выполнен анализ с использованием предложенных базовых показателей по производительности, работоспособности шлифовального круга, экологичности и экономичности по затратам на обработку одной детали или одной ее поверхности.
В качестве показателей производительности процесса были предложены скорость съема материала с размерностью мм3/мм·с, а также время l и производительность на проходе шлифовального круга при обработке поверхности детали длиной l.
Работоспособность шлифовального круга и связанная с нею экономичность обработки, зависящая от стоимости и расхода абразива, при глубинном шлифовании определяется условиями его правки.
За время прохода l работающий шлифовальный круг уменьшается по диаметру на величину D l либо в результате его непрерывной принудительной правки алмазным роликом, либо в результате изнашивания и последующей правки по завершении обработки.
Использование схемы глубинного шлифования в реальной практике возможно с тремя вариантами правки шлифовального круга:
- непрерывная правка инструмента при профильной обработке хвостовиков турбинных лопаток, так как все современные профилешлифовальные станки для этой операции оснащены такой системой правки;
- циклическая правка профильным или обкатывающим алмазными роликом после каждого прохода шлифовальными кругом. Такая правка применяется в основном при профильном шлифовании длинномерного режущего инструмента, например, при обработке фасонных протяжек из закаленных быстрорежущих сталей длиной 1000…1500 мм;
- циклическая правка специальными обкатывающими (обтачивающими) алмазными роликами после нескольких проходов шлифовального круга. Такая правка применяется, например, при профильном шлифовании зубчатых колес после обработки двух и более – до 10…12 впадин между соседними зубьями.
При непрерывной правке шлифовального круга за время прохода l его диаметр уменьшается на величину D l в зависимости от величины радиальной подачи правящего ролика S p [мкм/об.кр], связанной с вращением инструмента, и числа его оборотов за время l по формуле l D l 2 10 3 n крSР, (6) Vд в которой учтено, что за один оборот шлифовального круга его диаметр уменьшится на величину 2S р, а n кр – частота вращения инструмента.
Если привести (6) к назначаемым параметрам режима шлифования, то получаем 120 VкрSР l D l, (7) D Vд в которой размерность скорости круга V кр учтена в [м/с].
Уменьшение диаметра инструмента (по 7) при его непрерывной правке пропорционально скорости круга, подаче правки и длине обработки на проход и обратно пропорционально диаметру инструмента D и скорости детали.
При циклической правке шлифовального круга после одного или нескольких его проходов на длине обработки l толщина удаляемого слоя инструмента D задается технологом при проектировании операции шлифования.
Величина D зависит от характеристики инструмента, условий шлифования (уровня применяемых режимов, охлаждения), обрабатываемого материала, особенностей применяемого метода правки обкатывающим или профильным роликом и др.
Наиболее заметно глубина и время циклической правки зависят от характеристики шлифовального круга и прежде всего от материала абразива.
Если задана толщина рабочего слоя шлифовального круга D = n р, удаляемого за один цикл правки, то суммарная толщина, на которую уменьшится диаметр инструмента за k правок равна D k = k·n р, (8) а уменьшение диаметра круга составит после k правок D k = D - 2k·n р (9) Работоспособность шлифовального круга при непрерывной правке с подачей S р как время его возможной эксплуатации до момента времени, когда его диаметр достигнет критической величины, имеет вид (1 k D )D T. (10) 120 SP Vкр Работоспособность круга как его показатель при постоянных режимах шлифования определяет количество деталей (или поверхностей), обработанных инструмента до полного износа. Из анализа формулы (10) следует, что величина работоспособности T очень сильно зависит от исходного диаметра шлифовального круга – пропорционально D2 и уменьшается при повышенных значениях подачи правящего ролика S р и скорости круга V кр.
Два параметра режима обработки S p и V кр взаимосвязаны между собой, поэтому с точки зрения повышения времени эксплуатации инструмента скорость его вращения целесообразно уменьшать, так же как и необходимо по возможности снижать подачу правки.
Для реальных условий глубинного профильного шлифования хвостовиков турбинных лопаток из жаропрочных никелевых сплавов: V кр = 20…35 м/с, S p = 0,2…0,6 мкм/об.кр. при диаметре круга 500 мм и величине k D = 0,75 возможный диапазон изменения по работоспособности инструмента составляет от 408,8 до 77,9 мин или в 5,25 раз.
Величина подачи правки круга S p профильным алмазным роликом назначается опытным путем и ее величина может изменяться в диапазоне от 0, до 2 мкм на оборот шлифовального круга.
В работе В.К. Старкова приводится теоретическая оценка величины S р Sр 0,11a z,, (11) где толщина среза a z идентифицирована с толщиной рабочего слоя шлифовального круга, внедряемого в обрабатываемую поверхность детали.
Если принять во внимание величину a z, то получим расчетное значение подачи правки шлифовального круга 0, V Sp 6,110-3 Д (Dt ) 0,356, (12) V кр где величина V кр предусмотрена с рабочей размерностью м/с.
Расчет подачи правки S р по (12) представляет собой попытку теоретически оценить на этапе технологического проектирования процесса глубинного шлифования ее величину в зависимости от назначаемых параметров режима обработки V кр, V д, t и известного диаметра круга D.
Проверкой установлено, что расчетные значения Sp по (12) адекватны значениям, применяемым на производстве.
Работоспособность шлифовального круга при циклической правке будет определяться формулами L L T2 hр 2 Vд h р (13) l l для постоянных условий шлифования и правки круга при L, равной общей длине обработки между правками, и m Li T 2 Vдi h рi (14) li i для переменных условий шлифования деталей и правки инструмента.
Экологичность процесса глубинного шлифования можно количественно оценить через потребляемую мощность N и удельную энергоемкость, определяемую как затраты энергии на удаление единицы объема обрабатываемого материала N (15) QW с размерностью в [Дж/мм3].
Экономичность процесса глубинного шлифования. При оценке экономичности технологического процесса обработки обычно обращают внимание на величину технологической себестоимости операции или прохода.
Технологическая себестоимость привязана к конкретным условиям процесса – характеристике инструмента, режима обработки, станку, условиям правки, охлаждению и т.д.
Ограничимся двумя ее составляющими: затратами на машинное время работы станка и на абразив:
С т q с м q a Dl (16) Экономичность процесса глубинного шлифования определяется как технологическая себестоимость одного прохода инструмента с заданными параметрами обработки, которая складывается из стоимости станко-минуты q ст и машинного времени l l С м qст (17) Vд и затрат на абразив, расходуемого на один проход 120 Vкр S p e Са qa Dl qa. (18) DVд С использованием предложенных технико-экономических показателей был выполнен анализ реальных технологических процессов профильного шлифования хвостовика турбинной лопатки из жаропрочного сплава марки ЖС6У-ВИ, зубчатого колеса с m = 3мм, Z = 35 из закаленной стали 16Х3НВФМБ-Ш и протяжки длиной 1000 мм с елочным рабочим профилем из быстрорежущей стали марки Р12Ф2К5М3-МП, закаленной до твердости 66…68 HRCэ.
В качестве примера на рис. 3 – 6 приведены графики изменения от глубины резания исследованных параметров режима глубинного шлифования хвостовиков турбинных лопаток и их технико-экономические показатели.
По результатам выполненного технико-экономического анализа для трех исследованных процессов формообразования различных деталей было установлено, что кинематика глубинного шлифования в отличие от схемы маятниковой обработки создает благоприятные предпосылки одновременного повышения показателей эффективности процесса по его производительности, работоспособности инструмента и качества обработки. Затраты на абразив, расходуемые при глубинном шлифовании, преимущественно зависят от величины назначаемой правки, непрерывной или циклической. Изменение затрат на абразив при непрерывной правке адекватно закономерности назначаемой радиальной l, с -1 Ql, мин Sp, мкм/об.кр QW, мм /с 19 0, l 0, 17 QW 0, 0, 11 0, 0, 9 0, 0, 0, Ql Sp 0, 3 0, 10 t, мм 0,5 1 2 4 6 10 t, мм 0,5 1 2 4 6 Рис. 3 Изменение времени прохода круга l и Рис. 4 Изменение подачи правки S p и скорости съема обработанного материала Q w производительности Q l от глубины резания.
от глубины резания.
Т, мин Dl, мкм N, кВт, Дж/мм 220 10 Dl N 210 135 Т 115 180 5 4 35 10 t, мм 0,5 1 2 4 6 10 t, мм 0,5 1 2 4 6 Рис. 5 Изменение диаметра круга D l и его Рис. 6 Изменение мощности процесса N и его работоспособности Т от глубины резания. удельной энергоемкости от глубины резания.
подачи правки от режимов шлифования. При циклической правке затраты на расходуемый абразив пропорциональны величине правки и частоте ее применения.
В главе 4 «Основные направления повышения эффективности процесса глубинного шлифования» сформулированы рекомендации по назначению параметров шлифования для реализации кинематических условий его повышенной эффективности.
Установлено, что определяющей характеристикой процесса шлифования для повышения его эффективности является отношение t/D. При увеличении этого отношения путем увеличения глубины резания t на проходе и по возможности уменьшения диаметра шлифовального круга D создаются предпосылки реализации кинематической схемы обработки с большими углами действия силы резания р и благоприятным для качественного шлифования распределением действующей нагрузки в направлении срезаемого слоя материала.
Большое значение для формирования благоприятных кинематических условий шлифования имеет величина продольной скорости детали. От ее величины зависит производительность процесса шлифования и интенсивность термодинамической напряженности зоны обработки по мощности, силе резания и температуре, величины которых прямо зависят от площади удаляемого сечения.
Повышенные скорости детали способствуют пропорциональному уменьшению времени контакта инструмента с обрабатываемой поверхностью, что в конечном итоге приводит к снижению времени контакта и контактной температуры шлифования.
Изменение кинематических условий шлифования в области глубинной схемы обработки сопровождается, как правило, улучшением технико экономических показателей процесса по его производительности, работоспособности инструмента, энергоемкости и экономичности.
На рис. 7 показаны зависимости кинематических показателей процесса шлифования и угла действия силы резания p и отношения составляющих силы резания P y /P z от глубины обработки t и диаметра шлифовального круга D.
Для управления процессом глубинного шлифования с целью повышения его эффективности предпочтительно назначать абразивный инструмент с наименьшим диаметром, повышенной его режущей способностью и с максимально возможной глубиной обработки на проходе.
p, град Py/Pz 12 D = 100 мм D = 100 мм 10 D = 300 мм D = 300 мм D = 500 мм 20 D = 500 мм t, мм t, мм 0,05 0,5 1 2 0,05 0,5 1 2 Рис. 7 Влияние глубины резания t и диаметра круга D на кинематические показатели процесса шлифования.
В главе 5 «Результаты производственных испытаний и опыт промышленного применения процессов глубинного шлифования» выполнен комплекс работ, связанный с подбором размеров и характеристик шлифовальных кругов с повышенной структурностью и пористостью и их изготовлением для применения на различных операциях профильного глубинного шлифования хвостовиков турбинных лопаток из жаропрочных никелевых сплавов, зубчатых колес из высоколегированных сталей и фасонных протяжек из закаленных быстрорежущих сталей.
При назначении технологических условий шлифования деталей, включая режимы обработки и правки инструмента, по возможности учитывались рекомендации выполненной диссертации по кинематике процесса обработки и, прежде всего, при назначении глубины резания и продольной скорости перемещения детали для заданного диаметра шлифовального круга.
С применением нового инструмента типоразмера 1 500х25х203 с характеристикой 25A F80 F/G 16 V после производственных испытаний новые шлифовальные круги, режимы глубинного шлифования и правки приняты к внедрению на 12 операциях обработки лопаток из жаропрочных никелевых сплавов марок ЖС6У-ВИ, ЖС26-ВИ и ЖС32-ВИ.
При обработке зубчатых колес удалось в ряде случаев перейти от маятниковой схемы шлифования профиля впадины между соседними зубьями к профильному глубинному шлифованию. Применение шлифовального круга с повышенной структурностью и пористостью позволило повысить производительность обкатного шлифования за счет увеличения подачи на врезание в 2 раза, при этом обеспечиваются все требования по точности геометрии и качеству обработки зубчатого колеса.
Предложена и реализована новая технология формообразования конических зубчатых колес с круговым зубом шлифованием из заготовки без ее предварительного зубофрезерования (шлифование «по целому»). Опыт применения новой технологии показал, что шлифование «по целому» позволило сократить технологический цикл изготовления зубчатых колес по времени не менее, чем в 3 раза, снижая их себестоимость за счет исключения затрат на операцию зубофрезерования, соответствующий инструмент и его эксплуатацию.
На режимах шлифования и правки, дифференцированно назначенных для высокопористых шлифовальных кругов на основе электрокорунда белого, его микрокристаллической модификации и эльбора и максимально приближенных к глубинной обработке были успешно отпрофилированы из прямоугольной заготовки из быстрорежущей стали Р12Ф2К5М3-МП, закаленной на твердость 66…68 HRCэ, протяжки длиной 1000 мм с рабочим елочным профилем с повышенной точностью и качеством обработки.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ В диссертационной работе решена важная научно-техническая задача, имеющая существенное значение для машиностроения, заключающаяся в повышении эффективности процессов профильного глубинного шлифования деталей с фасонными поверхностями различного назначения с применением специального высокопористого абразивного инструмента. Решение данной задачи основано на выявленных преимуществах кинематики глубинного шлифования на примерах профильной обработки хвостовиков лопаток из жаропрочных никелевых сплавов, зубчатых колес и фасонного режущего инструмента из закаленных высоколегированных сталей с обеспечением повышенных технико экономических показателей процесса.
1. В результате кинематического и технико-экономического анализов процессов шлифования установлено, что схема глубинного шлифования в отличие от схемы маятниковой обработки создает благоприятные предпосылки для одновременного повышения показателей эффективности процесса по производительности, работоспособности инструмента и качеству обработки.
2. Определяющей характеристикой процесса шлифования для повышения его эффективности является отношение глубины резания к диаметру шлифовального круга (t/D). При увеличении этого отношения до значений в диапазоне от 10-3 до 10-2 и более путем увеличения t на проходе и по возможности уменьшения D создаются предпосылки реализации кинематической схемы обработки с большими углами действия результирующей силы резания ( p = 1,8…12 град) и благоприятным для качественного шлифования распределением действующей нагрузки в направлении срезаемого слоя материала.
3. Затраты на абразив, расходуемый при глубинном шлифовании, преимущественно зависят от вида назначаемой правки - непрерывной или циклической. При непрерывной правке изменение затрат на абразив пропорционально величине назначаемой радиальной подачи правящего ролика.
При циклической правке затраты на абразив пропорциональны величине правки и частоте ее применения.
4. Предложена расчетная модель для выбора величины принудительной непрерывной правки шлифовального круга, которая пропорциональна глубине внедрения режущих зерен рабочей поверхности инструмента в обрабатываемую поверхность детали. Ее величина зависит от параметров режима глубинного шлифования и соответствует реальным значениям, используемым на практике.
5. Существенное значение для формирования благоприятных кинематических условий шлифования имеет величина продольной скорости детали. От ее значения зависит производительность процесса шлифования и интенсивность термодинамической напряженности зоны обработки по мощности, силе резания и температуре, величины которых прямо зависят от площади удаляемого сечения.
6. Для управления процессом глубинного шлифования с целью повышения его эффективности предпочтительно назначать абразивный инструмент с наименьшим диаметром, повышенной его режущей способностью и с максимально возможной глубиной обработки на проходе.
7. Новые шлифовальные круги различных типоразмеров и характеристик с повышенной структурностью и пористостью на режимах глубинной обработки после производственных испытаний внедрены на ФГУП «НПЦ газотурбостроения «Салют»: на 12 операциях глубинного шлифования лопаток из сплавов марок ЖС6У-ВИ, ЖС26-ВИ, ЖС32-ВИ;
для профилирования зубчатых колес методом глубинного шлифования взамен зубофрезерования;
для профилирования протяжек с елочным профилем. Достигнуто повышение производительности процесса до 2 раз и сокращение времени обработки до 3 раз при снижении ее технологической себестоимости.
Основные положения диссертации отражены в работах:
Публикации в изданиях, входящих в перечень ВАК РФ:
1. Васенко С.М. Технико-экономические показатели профильного глубинного шлифования // Горин Н.А., Васенко С.М. // Вестник МГТУ «Станкин». -2012. №1. Т.1. - С.37 - 40.
2. Васенко С.М. Применение шлифовальных кругов из микрокристаллическо го корунда для шлифования фасонного режущего инструмента // Вестник МГТУ «Станкин». – 2012. - №1. Т.2. - С. 48 - 50.
3. Васенко С.М. Кинематический фактор эффективности процесса глубинного шлифования // Старков В.К., Васенко С.М. // Технология машиностроения. - 2012.
- №6. - С.9 - 12.
Публикации в других изданиях:
4. Васенко С.М. Перспективный абразивный инструмент с повышенной по ристостью и структурностью для глубинного шлифования замков турбинных ло паток // Григорьев С.Н., Васенко С.М. // журнал Оборудование и инструмент для профессионалов [Металлообработка]. Украина. - 2012. - №1. - С. 60-62.
5. Васенко С.М. Применение абразивного инструмента нового поколения в машиностроении // Григорьев С.Н., Горин Н.А., Васенко С.М. // Сб. статей I-й Международной научно-практической конференции «Достижения и перспективы естественных и технических наук». Ставрополь. –2012г. - Март.- С. 33-34.
6. Васенко С.М. Качество обработанной поверхности хвостовиков турбинных лопаток при глубинном шлифовании высокоструктурными кругами // Горин Н.А., Васенко С.М. // Сб. статей V Международной научно-практической конференции «Техника и технология: новые перспективы развития». Москва: «Спутник +». 2012г. – Апрель. - С.71-73.
7. Васенко С.М. Технико - экономическое моделирование высокопроизводи тельного процесса глубинного шлифования // Горин Н.А., Васенко С.М. // Сб. ста тей Всероссийской молодежной научно-практической конференции с междуна родным участием «Инженерная мысль машиностроения будущего». Екатерин бург. - 2012. - Апрель. - С.50-53.
8. Васенко С.М. Глубинное шлифование инструментом с повышенной струк турностью // Полканов Е.Г., Рябцев С.А., Абысов И.А., Васенко С.М. // журнал Ремонт. Инновации. Технологии. Модернизация. – 2012. - Апрель. - С.38-40.
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Васенко Сергей Михайлович Повышение эффективности глубинного шлифования специальным высокопористым абразивным инструментом на основе совершенствования выбора параметров процесса Бумага 80 г/м Подписано в печать Формат 60х90 1/ Усл. п.л. – 1,25 Тираж 100 экз. Заказ № Отпечатано в Издательском центре МГТУ «Станкин». Лицензия ЛР №01741 от 11.05. 127994, Москва, ГСП-4, Вадковский пер., д.