CC BY
52
УДК 621.923: 621.822
ПЕРСПЕКТИВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ СНИЖЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ЗАТРАТ ПРИ ШЛИФОВАНИИ
© 2008 Д. Л. Скуратов1, В. Н. Трусов2
Самарский государственный аэрокосмический университет 2Самарский государственный технический университет
Представлены результаты исследования энергоемкости процессов прерывистого и электроабразивного шлифования. Показано, что эти процессы обеспечивают существенное снижение удельного расхода энергии по сравнению с обычным абразивным шлифованием, поэтому могут рассматриваться в качестве перспективных, ресурсосберегающих процессов.
Шлифование, сталь, теплопроводность, сборный, композиционные шлифовальные круги, режим
Широкое применение высокопрочных, коррозионностойких и жаропрочных сталей и сплавов при изготовлении изделий, выпускаемых предприятиями авиапромышленного комплекса, судостроения, химического машиностроения, атомной и теплоэнергетики, а также появление новых материалов с высокими прочностными характеристиками, принадлежащих к этим и другим группам, привело к необходимости более интенсивного использования в технологических процессах изготовления деталей операций шлифования.
Сложность лезвийной обработки жаростойких и жаропрочных сталей и сплавов обусловлена тем, что многие из вышеуказанных материалов сохраняют высокие прочностные свойства до температур, равных 700. . .1000°С, а режущие свойства быстрорежущего и твердосплавного лезвийного инструмента сохраняются до температур, не превышающих, соответственно,
620...720°С и 800...950°С [1]. Кроме того, жаростойкие и жаропрочные стали и сплавы, а также титановые сплавы имеют низкую теплопроводность и температуропроводность, что усложняет отвод тепла из зоны резания и способствует уменьшению размерной стойкости лезвийного инструмента.
Перспективным направлением в области шлифования, способствующим снижению энергоемкости обработки, повышению производительности, а также улучшению состояния поверхностного слоя деталей из вышеуказанных материалов и, следователь-
но, ^еличению их ресурса, является применение процессов прерывистого и электроабразивного шлифования.
В предлагаемой статье представлены материалы, показывающие преимущество указанных процессов шлифования с точки зрения удельного расхода энергии.
Процесс прерывистого шлифования связан с использованием абразивных кругов с прерывистой режущей поверхностью.
Шлифовальные круги с прерывистой режущей поверхностью условно можно разделить на прерывистые, композиционные и комбинированные. Рабочая поверхность прерывистых шлифовальных кругов, разработанных А.В. Якимовым [2-4], выполнена в виде чередующихся режущих выступов и впадин. У композиционных шлифовальных кругов, созданных коллективом авторов во главе с НА. Чалым, впадины на рабочей поверхности круга заполнены твердой смазкой. Комбинированные шлифовальные круги, разработанные авторами [5], представляют собой симбиоз прерывистых и композиционных кругов. В смазывакмце-охлаждающих элементах (сегментах) этих кругов перед режущими выступами выполнены впадины. Смазывающе-охлаждающие элементы
(СОЭ) композиционных и комбинированных кругов чаще всего изготавливаются из графита марок ГЛ-1, ГЛ-П или смеси графита и дисульфида молибдена (Мо82). В качестве связующего в обоих случаях используются фенолформальдегидные смолы. Исследование показало, что наибольшей прочностью
(; =5,5... 6 МПа) обладают СОЭ, состоящие из 75% графита и 25% связующего или 70% графита, 10% Ыс82 и 20% связующего и полученные при давлении прессования 150 МПа.
Шлифовальные круги с прерывистой режущей поверхностью подразделяются на составные - с неразъемными соединениями его частей и сборные - с разъемными соединениями.
В настоящее время разработаны различные конструкции составных и сборных шлифовальных кругов с прерывистой режущей поверхностью, многие из которых созданы на кафедре механической обіработки материалов Самарского государственного аэрокосмического университета [5-14].
Энергоемкость процесса прерывистого шлифования исследовалась при круглом внутреннем шлифовании колец-образцов, изготовленных из жаропрочной деформируемой стали ЭП517-Ш и конструкционного титанового сплава ВТ20. Обработка велась методом продольной подачи на универсальном кругошлифовальном станке модели 312М.
Кольца из стали ЭП517-Ш имели наружный диаметр 124 мм, внутренний 110 мм, ширину 10 мм и обрабатывались пакетами из трех штук. Соответствующие размеры колец из титанового сплава ВТ20 составляли 124 мм, 115 мм и 40 мм. Эти кольца обрабатывались поштучно.
Обработка колец из стали ЭП517-Ш велась сплошными, прерывистыми, составными композиционными и комбинированными кругами ПП 100x25x20 25А25М37К5, а колец из титанового сплава ВТ20 - сплошными и прерывистыми кругами ПП 100x25x20 63С25М36К5. Шлифовальные
круги с прерывистой рабочей поверхностью, составные композиционные и комбинированные круги изготавливались, соответственно, с шестаю впаданами и шестью сма-зывающе-о^^д^щими элементами.
Длина впадин у кругов с прерывистой рабочей поверхностью, дуг СОЭ у составных композиционных кругов и дуг СОЭ + длин впадин у комбинированных кругов составляла 0,17 рад.
Процесс шлифования колец из стали ЭП517-Ш осуществлялся на режимах: Ощ, = = 30 м/с; Одет = 27 м/мин; ^ =0,5... 1 м/мин; Б2х = 2,5.7,5 мкм/дв.ход. При обработке колец из титанового сплава ВТ20 скорость резания составляла окр = 34 м/с, скорость детали - Одег = 32 м/мин, продольная подача -Япр = 0,5 м/мин, а поперечная подача Б2Х варьировалась в пределах от 2,5 мкм/дв.ход до 10 мкм/дв.ход. В качестве СОЖ в обоих случаях использовался 5% содовый раствор. Его подача в зону резания осуществлялась свободно падающей струей при расходе
10 л/мин.
Исследование показало, что удельный расход энергии при шлифовании кругами с прерывистой режущей поверхностью на всех исследуемых режимах меньше, чем при шлифовании кругами со сплошной рабочей поверхностью (рис. 1, 2 и 3). Причем с возрастанием интенсивности процесса резания, то есть с увеличением поперечной (рис. 1 и 3) и продольной (рис. 2) подач наблюдается существенное снижение удельного расхода энергии. Это обусловлено, та наш взгляд, уменьшением энергии, затрачиваемой на преодоление сил трения абразивных зерен по обрабатываемой поверхности, то есть возрастанием режущих и уменьшением «давящих» и «скользящих» зерен, участвующих в процессе резания
Рис. 1. Зависимость удельного расхода энергии от поперечной подачи при круглом внутреннем шлифовании стали ЭП 517-Ш абразивными кругами:
1 - сплошной, 2 -^ерывистый, 3 -к^шзицион-ный, 4 - комбинированный. ^ =1 м/мин
и
уд*
Д*
160
140
120
100
]
з\\
N
0,5
0,75
1,0 Б
ир>
Рис. 2. Зависимость удельного расхода энергии от продольной подачи при круглом внутреннем шлифовании стали ЭП 517-Ш абразивными кругами:
1 - сплошной, 2 -п^рывистый, 3 - композиционный, 4 - комбинированный; = 5 мкмдв.ход
и™, ^
Рис. 3. Зависимость удельного расхода энергии от поперечной подачи при круглом внутреннем шлифовании титанового сплава ВТ20 абразивными кругами: 1 -стошной, 2 - прерывистый
Исследование энергоемкости электро-абразивной обработки осуществлялось при круглом внутреннем и наружном шлифовании. В обоих сл^^тс обработка велась методом поперечной подачи. Круглое внутреннее шлифование осуществлялось на модернизированном полуавтомате SWAIGL -200, а круглое наружное шлифование на станке модели 312М.
Для исследования круглого внутреннего электроабразивного шлифования использовались безбортовые кольца подшипника 7АВ1032920Р3 из теплостойкой стали ЭИ347-Ш и кольца с аналогичными размерами из жаропрочного титанового сплава ВТ9, а для исследованы круглого наружного электроабразивного шлифования - кольца
из стали ЭИ347-Ш с наружным диаметром 52,5 мм и шириной 10 мм.
В качестве инструмента для круглого внутреннего шлифования колец из стали ЭИ347-Ш и титанового сплава ВТ9 использовались сборные композиционные круги ПП 100x32x20 - конструктивно аналогичные кругу, представленному в работе [9], и состоящие из восьми чередующихся одинаковых по размеру абразивных и токопроводящих сегментов, закрепленных в металлическом корпусе. Абразивные сегменты кругов, предназначенных для обработки стали ЭИ347-Ш и титанового сплава ВТ9, имели соответственно характеристики 24А16СМ17К7 и 63С25ВСМ17К8. Токопроводящие сегменты состояли из 75 % графита марки ПН, 15 % фенолформальдегидной смолы СФ342-А и 10 % абразива соответствующей марки и зернистости (24А16 и 63С25). Абразивный порошок в токопроводной части необходим для организации меж-электродного зазора, то есть для исключения возможности возникновения электроэррози-онного процесса в зоне контакта круга с заготовкой (деталью).
В связи с тем, что в процессе исследования сопоставлялся удельный расход энергии при обычном и электроабразивном шлифовании колец, выполненных из стали ЭИ347-Ш, размеры абразивного инструмента, характеристика сплошных кругов и сегментов композиционных кругов, а также режимы резания при обоих видах обработки были одинаковыми.
Для круглого внутреннего врезного электроабразивного шлифования с успехом могут использоваться специально разработанные круги «зшковой конструкции» [8], представляющие собой соединение двух симметричных половин, одна из которых по характеристикам соответствует обычным абразивным кругам, а вторая токопроводная. Состав токопроводной половины идентичен составу токопроводных сегментов сборных композицинных кругов.
При круглом наружном электроабразивном шлифовании инструментом служили круги 2720-0128 ГОСТ 16167-80 АС4 80/63...250/200 4 М1-01.
Состав (N0^3 - 10 %, №N02 - 1 %, NaCO3 - 0,5 %, остальное вода.) и расход
электролита (5 л/мин) при круглом внутреннем и наружном электроабразивном шлифовании были одинаковы.
Напряжение технологического тока при круглом внутреннем электроабразивном шлифовании стали ЭИ347-Ш и титанового сплава ВТ9 имело значение, соответственно, 13 В и 16 В, а при круглом наружном электроабразивном шлифовании равнялось 6 В.
Результаты исследования удельного расхода энергии при круглом внутреннем обычном и электроабразивном шлифовании колец из стали ЭИ347-Ш и электроабразивном шлифовании колец из титанового сплава ВТ9 приведены на рис. 4.
II д*
'“'Т* > *
Рис. 4. Зависимость удельного расхода энергии от поперечной подачи при круглом внутреннем врезном шлифовании колец из стали ЭИ347-Ш (1) и титанового сплава ВТ9 (2): -о- обычное шлифование; -д- электроабразивное шлифование; икр = 28 м/с; Одет = 120 м/мин
Как видно из рис. 4, удельный расход энергии при электроабразивном шлифовании значительно меньше, чем при обычном абразивном шлифовании. Причем при обычном абразивном шлифовании стали ЭИ347-Ш удельный расход энергии с ростом поперечной подачи существенно уменьшается, то есть характер изменения удельного расхода энергии от поперечной подачи достаточно хорошо коррелирует с результатами исследований (рис. 1 и 3), полученными при обычном шлифовании стали ЭП517-Ш и титанового сплава ВТ20.
Иной характер имеет данная зависимость при электроабразивном шлифовании. Так, при электроабразивном шлифовании стали ЭИ347-Ш с ростом поперечной подачи от 2,5 мкм/с до 3,5 мкм/с удельный расход энергии шлифования вначале незначи-
тельно уменьшается, а затем с увеличением подачи до 7,0 мкм/с возрастает. Это, на наш взгляд, связано с изменением соотношения электрохимического и механического съема в сторону последнего. Справедливость сделанного заключения подтверждает тот факт, что с ростом поперечной подачи удельные расходы энергии при обычном и электроабразивном шлифовании приближаются друг к другу и при ^ = 5,5 мкм/с (рис. 4) отличаются всего лишь на 16 %. При электроабразивном шлифовании стали ЭИ347-Ш минимальный удельный расход энергии имеет место при Sи = 3,5 мкм/с . По-видимому, при этой подаче обеспечиваются оптимальные условия для электрохимического съема материала, а абразивные сегменты в основном удаляют растравленный слой.
При круглом внутреннем врезном электроабразивном шлифовании колец из титанового сплава ВТ9 удельный расход энергии примерно в 3,1. 3,8 раза меньше, чем при обработке колец из стали ЭИ347-Ш, а зависимость удельного расхода энергии от поперечной подачи не имеет экстремума. Результаты исследования удельного расхода энергии при круглом наружном врезном электроабразивном шлифовании колец из теплостойкой стали ЭИ347-Ш кругами с различной зернистостью приведены на рис. 5.
3,5 5.5 7,5 9,5
Рис. 5. Зависимость удельного расхода энергии от поперечной подачи при круглом наружном электроабразивном шлифовании стали ЭИ347-Ш: 1 -зернистость 80/63; 2 -зернистость 160/125; 3 -зер-
нистость 250/200; икР = 40 м/с; идет = 25 м/мин
Как видно из рис. 5, наименьший удельный расход энергии обеспечивается
при шлифовании алмазными кругами с зернистостью 160/125. Увеличение зернистости до значений 250/200 и снижение зернистости до 80/63 приводит в обоих случаях соответственно к росту (3.11,5 %) и интенсивному росту (26,5.33 %) удельного расхода энергии. Очевидно, зернистость 160/125 при заданных условиях шлифования является оптимальной. Причем зависимости удельного расхода энергии от поперечной подачи имеют явно выраженный экстремум. Минимальное значение удельного расхода энергии при шлифовании алмазными кругами наблюдается при поперечных подачах, равных 5,5 . 6,5 мкм/с.
Таким образом, результата исследования энергоемкости процессов прерывистого и электроабразивного шлифования показали, что эти процессы обеспечивают заметное снижение удельного расхода энергии по сравнению с обычным абразивным шлифованием. Поэтому процессы прерывистого и электроабразивного шлифования можно рассматривать как перспективные - ресурсосберегающие и использовать при совершенствовании существующих и создании новых технологических процессов изготовления деталей.
Библиографический список
1.. Технология обработки конструкционных материалов /ПТ Петруха, А.И. Марков, П. Д. Бесплотный и др./ Под рея ПТ. Петрухи. - М.: Высшая школа, 1991.- 512 с.
2. Якимов АЗ. Оптимизация процесса шлифования. - М.: Машиностроение, 1975 -176 с.
3. Абразивная и алмазная обработка материалов. Справочник Шод ред А Н. Резникова. - М.: Машиностроение, 1977. - 391 с.
4. Якимов АЗ. Абразивно-алмазная обработка фасонных поверхностей. - М.: Машиностроение, 1984. - 312 с.
5. Скуратов Д.Л, Трусов В.Н., Урыв-ский А.Ф. Расчет температурного поля в деталях при внутреннем круглом шлифовании их кругами различных конструкций методом граничных элементов // Высокоэффективные методы механической обработки авиационных материалов//Сб. науч. тр/ Самара: Ку-АИ, 1991. - С. 13-24.
6. Михайлов В.А. Выбор характеристик композиционных кругов при скоростном охватывающем шлифовании // Высокоэффективные методы механической обработки жаропрочных и титановых спла-вов/^ежвуз. сб./ Куйбышев. авиац. ин-т-Куйбышев, 1981. - С. 46-48.
7. Исследование эффективности применения прерывистых кругов при круглом шлифовании деталей шасси самолета / В.И. Стебихов, Ю.А., Шабалин, ТА. Кулаков, Г.М. Мещеряков, С.П. Алимов // Высокоэффективные методы обработки резанием жаропрочных и титановых сплавов/Межвуз. сбЖ^бышев. авиац. ин-т. - Куйбышев,
1982. - С. 92-100.
8. Копытин ЮЛ. Выбор характеристики композиционных кругов для электрохи-мико-меганического шлифования // Повышение эффективности использования режущих инструментов при обработке авиационных материалов//Сб. науч. тр / Куйбышев. авиац. ин-т. - Куйбышев, 1983. - С. 102108.
9. Копытин Ю.А., Скуратов Д.Л. Элек-трохимико-ме^шическое шлифование выходной кромки лопаток сборными композиционными кругами // Высокоэффективные методы и инструменты для механической обработки авиационных материалов// Меж-вуз. сб./ Куйбышев. авиац. ин-т.- Куйбышев,
1984. - С. 55-59.
10. Баландин Г.П., Сидоров СЮ. Шлифование стали ШХ15 сборным композиционным кругом // Высокоэффективные методы и инструменты для механической обработки авиационных материалов// Меж-вуз. сб./ Куйбышев. авиац. ин-т.- Куйбышев,
1984. - С. 60-62.
11. Прерывистые и композиционные абразивные круги для бесприжоговой обработки высокопрочных сталей и титановых сплавов / ИТ. Попов, В .К. Кононов, ГА. Кулаков, Ю.А. Шабалин, Г.М. Мещеряков // Совершенствование режущих инструментов и методов обработки жаропрочных и титановых сплавов//Сб. науч. тр/ Куйбышев. авиац. ин-т.- Куйбышев, 1985. - С. 3-9.
12. Расчет и оптимизация конструктивных элементов сборного шлифовального круга / Ф.П. Урывский, М.Е. Маркушин, С.Ю. Сидоров, Д.Л. Скуратов // Совершен-
ствование режущих инструментов и методов обработки жаропрочных и титановых спла-вов//Сб. науч. трЖ^бышев. авиац. ин-т,-Куйбышев, 1985. -С. 9-18.
13. Скуратов Д. Л. Внутреннее шлифование стали 12Х2Н4А составными композиционными кругами // Методы повышения эффективности использования режущих инструментов при обработке деталей летательных аппаратов и двигателей//Сб. науч. тр / Куйбышев. авиац. ин-т.- Куйбышев, 1986. -С. 61-66.
14. Скуратов Д.Л., Белоусов В.Л. К вопросу выбора конструкции составных композиционных кругов // Повышение эффективности использования режущих инструментов и качества поверхности при обработке авиационных материалов//Сб. науч. тр / Куйбышев. авиац. ин-т- Куйбышев, 1987. - С. 83-86.
References
1. Petruha P.G., Markov A.I. and Bespa-
hotny P.D., eds. Process technology of the constructional materials. Moscow: “Vysshaya
Shkola”, 1991.
2. Iakimov A.V. Optimization of the Grinding Process. Moscow: “Mashinostroenie”, 1975.
3. Reznikov A.N. Diamond and abrasive machining. Manual. Moscow: “Mashinostroenie”, 1984.
4. Iakimov A.V. Diamon-abrasive machining of profiled surfaces. Moscow: “Mashinostroenie”, 1984.
5. Skuratov D.L. et al. “FEM temperature field calculation in details under internal circular grinding with various disks designs” from High-perfomance Methods of Aircraft Materials Machining. Samara: “Kuybyshev aircraft institute”, 1991.13-24
6. Mihailov V.A. “Selection of composite
circle characteristics by high-speed hollow grinding” from High-perfomance Methods of Heat-resistant and Titanium Alloys Machining. Kuybyshev: “Kuybyshev aircraft institute”,
1981. 46-48
7. Stebihov V.I., Shabalin Y.A., Kulakov G.A. et al. “Operating efficiency research of intermittent disks application by circular grind-
ing of landing gear components” from High-perfomance Methods of Cutting Heat-resistant and Titanium Alloys. Kuybyshev: “Kuybyshev aircraft institute”, 1982. 92-100.
8. Kopytin Y.A. “Selection of composite
circle characteristics by electrochemical-mechanical grinding” from Operation Efficiency Increasing by Aircraft Materials Machining. Kuybyshev: “Kuybyshev aircraft institute”,
1983. 102-108.
9. Kopytina Y. A. and Skuratov D.L. “Electrochemical-mechanical grinding of blade exit adge by assembled composite disks” from High-perfomance Methods and Tools for Aircraft Material Machining. Kuybyshev: “Kuybyshev aircraft institute”, 1984. 55-59.
10. Balandin G.P. and Sidorov S.Y. “LLIX15 Steel grinding by assembled composite disk” from High-perfomance Methods and Tools for Aircraft Material Machining. Kuybyshev: “Kuybyshev aircraft institute”, 1984. 60-62.
11. Popov I.G et al. “Intermittent and com-
posite abrasive disks for high-strength and titanium alloys burnless machining” from Improvement of Machining Tools and Methods Heat-resistant and Titanium Alloys Machining. Kuybyshev: “Kuybyshev aircraft institute”,
1985. 3-9.
12. Uryvsky F.P., Markushin M.E., Sidorov
S.Y. “Calculation and optimization of assembled grinding disk elements” from from Improvement of Machining Tools and Methods Heat-resistant and Titanium Alloys Machining. Kuybyshev: “Kuybyshev aircraft institute”,
1985. 9-18
13. Skuratov D.L. “Internal grinding of 12X2H4A Steel by assembled composite disks” from Machining Tools Operation Efficiency Improvement by Aircraft Components and Engines Machining. Kuybyshev: “Kuybyshev aircraft institute”, 1986. 61-66.
14. Skuratov D.L. and Belousov V.L. “On
issue of assembled composite disks design selection” from Machining Tools Operation Efficiency Improvement by Aircraft Materials Machining. Kuybyshev: “Kuybyshev aircraft
institute”, 1987. 83-86.
PERSPECTIVE TENDENCIES OF POWER EXPENDITURE DECREASE
WHEN GRINDING
© 2008 D. L. Skuratov1, V. N. Trusov2
1Samara State Aerospace University 2Samara State Technical University
The research results of power-consuming discrete and electroabrasive grinding processes are presented. It is demonstrated, that in comparison with an ordinary abrasive grinding these processes ensure a considerable power specific expenditure decrease and therefore may be considered as perspective, resource saving processes.
Grinding, steel, thermal conductivity, assembled, composite, working conditions
Информация об авторах
Скуратов Дмитрий Леонидович, доктор технических наук, профессор кафедры механической обработки материалов Самарского государственного аэрокосмического университета. E-mail: mom@ssau.ru. Область научных интересов: повышение производительности и обеспечение технологической надежности на окончательных операциях изготовления деталей тепловых двигателей путем определения рациональных условий и методов обработки.
Трусов Владимир Николаевич, доктор технических наук, профессор Самарского государственного технического университета. E-mail: isap@samgtu.ru. Область научных интересов: повышение производительности и обеспечение технологической надежности на окончательных операциях изготовления деталей тепловых двигателей путем определения рациональных условий и методов обработки.
Skuratov Dmitry Leonidovich, Doctor of Engineering Science - professor of Samara State Aerospace University “Mechanical Material Working” department. E-mail: mom@ssau.ru. Area of research: efficiency improvement and reliability control on final stages of heat-engine components manufacturing through determination of rational conditions and working techniques.
Trusov Vladimir Nikolaevich, Doctor of Engineering Science - professor of Samara State Technical University. E-mail: isap@samgtu.ru. Area of research: productivity improvement and reliability control on final stages of heat-engine components manufacturing through determination of rational conditions and working techniques.
