Создание твердосплавного инструмента сверхскоростным шлифованием для суперфинишной лезвийной обработки

Реченко Денис Сергеевич; Попов Андрей Юрьевич; Леонтьева Екатерина Валерьевна; Матвеева Марина Геннадиевна

УДК 621.92 Д. С. РЕЧЕНКО

А. Ю. ПОПОВ Е. В. ЛЕОНТЬЕВА М. Г. МАТВЕЕВА

Омский государственный технический университет

СОЗДАНИЕ

ТВЕРДОСПЛАВНОГО ИНСТРУМЕНТА СВЕРХСКОРОСТНЫМ ШЛИФОВАНИЕМ ДЛЯ СУПЕРФИНИШНОЙ ЛЕЗВИЙНОЙ ОБРАБОТКИ_

Качество затачивания твердосплавного режущего инструмента определяет его стойкость, качество и надежность лезвийной обработки. На сегодняшний день существует большое количество фирм, поставляющих металлорежущий инструмент в Россию. Номенклатура представленного инструмента разнообразна и включает режущий инструмент для высокоточной обработки, при этом качество затачивания лезвия, то есть радиус округления лезвия этого инструмента составляет порядка 10... 15 мкм, что, в свою очередь, позволяет производить обработку с толщиной стружки не менее 20.30 мкм. Это ограничение зачастую является критическим и предельным, так как точность обработки некоторых ключевых деталей составляет 3... 5 мкм, а также приводит к значительному снижению потенциального ресурса режущего инструмента. Повышение качества затачивания до значений 1... 3 мкм позволяет получать высокую точность обработки и ресурс режущего инструмента, что также положительно отражается на качестве обработки. Данная работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ.

Ключевые слова: металлообработка, высокоскоростное шлифование, затачивание твердосплавного инструмента.

Современные станки позволяют позиционировать как правило используют жаропрочные сплавы, ха-

металлорежущий инструмент относительно обраба- растеризующиеся высокой прочностью, износостой-

тываемой заготовки с точностью в 1 мкм, но повыше- костью, а также устойчивостью к высоким темпера-

ние точности изготовления деталей может быть до- турам. Стоимость некоторых ключевых деталей мо-

стигнуто только повышением остроты режущего ин- жет достигать 1,5 млн рублей при цене заготовки

струмента, что позволит гарантированно срезать около 300 — 400 тыс. рублей. Учитывая режимы и ус-

требуемые слои металла размерами 2...5 мкм, а также ловия работы деталей двигателей летательных аппа-

позволит уменьшить время, затрачиваемое на чисто- ратов, требуемая точность при их изготовлении со-

вые операции. Существующие технологии изготов- ставляет несколько микрометров.

ления и затачивания режущего инструмента позво- Существующее оснащение аэрокосмических пред-

ляют получать остроту лезвия до 10 мкм. Дальнейшее приятий металлорежущим инструментом не обеспе-

повышение остроты, используя существующие тех- чивает стабильности качества и производительности

нологии и оборудование, невозможно [1—3]. обработки ключевых деталей двигателей самолетов

На сегодняшний день наблюдается бурное разви- и ракет. Поэтому создание двигателей сводится к

тие металлообрабатывающей отрасли. Вкладываются индивидуальной (селективной) подборке при сборке

значительные средства на создание и восстановление их узлов. То есть существующие технологии, в кото-

машиностроительных предприятий, осуществляется рые входят режущий инструмент, режимы обра-

их перевооружение. Предприятия оснащаются но- ботки и металлообрабатывающее оборудование, не

выми станками, технологиями, инструментом и ква- позволяют в полной мере получать стабильные раз-

лифицированными кадрами, но вместе с этим возни- меры и качество поверхности обрабатываемых дета-

кает и ряд существенных технических, финансовых, лей. Наилучшая точность, которую реально могут

кадровых и других проблем. Потребность предпри- достигать предприятия при лезвийной обработке,

ятий в вышеупомянутых ресурсах значительно пре- составляет порядка 10 мкм.

вышает предложения на рынке. Наибольшую потреб- При изготовлении диска лопаток турбин на про-

ность в этих ресурсах испытывают предприятия изводстве затрачивается порядка трех рабочих дней

аэрокосмической отрасли, так как они занимаются на выполнение черновых операций, чистовые опера-

производством наиболее сложных и дорогостоящих ции могут занимать до четырех-пяти дней. Это свя-

деталей двигателей летательных аппаратов. Для изго- зано с тем, что существующие станки и программное

товления ключевых деталей двигателей (диски лопа- обеспечение позволяют позиционировать режущий

ток турбин, лопатки, валы, кожуха, ротора и т.д.) инструмент относительно заготовки с точностью

Рис. 1. Лезвие твердосплавного режущего инструмента, полученное при классическом затачивании с применением доводочной операции: а — вид сверху; б —микрошлиф в продольном сечении

Рис. 2. Лезвие твердосплавного режущего инструмента, полученное при высокоскоростном затачивании: а — вид сверху; б — микрошлиф в продольном сечении

1 мкм, однако металлорежущий инструмент, используемый для обработки жаропрочных сплавов, имеет остроту (радиус округления режущей кромки) 10...15 мкм (лучшие зарубежные образцы). Российский аналог режущего инструмента имеет максимальную остроту лезвия 30.35 мкм. Для достижения требуемой точности обработки оператор станка вынужден многократно осуществлять операции по доводке детали, причем при перемещении режущего инструмента на 10 мкм он вдавливается в деталь, однако резания не происходит из-за её малой жесткости. Оператору приходится увеличивать глубину резания и повторять проход, при этом на каком-то очередном проходе происходит врезание режущей кромки в деталь и срезается гораздо больший слой металла, чем нужно, что может привести к браку детали. Используя существующий металлорежущий инструмент, практически невозможно гарантированно получить заданную точность.

Из 100 % деталей двигателей летательных аппаратов, изготавливаемых из жаропрочных сплавов, 20 % удовлетворяют требованиям точности изготовления, на 50 % деталей составляется дефектная ведомость (при этом их стоимость снижается на 1/3) и 30 % бракуются окончательно. Учитывая этот факт, сборка готового двигателя осуществляется селективным методом по наиболее подходящим размерам. В большинстве случаев при ремонте двигателей самолетов невозможно заменить изношенную деталь на новую, так как при изготовлении не обеспечивается их

унификация. Для обеспечения унификации необходимо повысить точность изготовления, что приведет к увеличению количества деталей, попадающих в поле допуска размеров.

Для снижения издержек и повышения производства деталей из жаропрочных сплавов в аэрокосмической отрасли необходимо решить научно-техническую задачу по разработке металлорежущего инструмента с радиусом округления лезвия менее 1 мкм (суперлезвие). Этот инструмент позволит снизить количество деталей с деффектовкой, уменьшить брак за счет повышения точности, а также производительности обработки.

Классические методы и режимы затачивания с применением доводочных операций позволяют получать лезвие с остротой не менее 5.6 мкм (рис. 1). Обработка производилось при режимах затачивания У = 30 м/с, 8 = 1.. .1,5 м/мин и 1 = 0,01 мм/дв. ход, что позволяет получать лезвие с остротой 5.10 мкм. Исследования проводились на растровом электронном микроскопе Лео1 ЛСМ-5700.

Обработка при режимах затачивания У=300 м/ с, 8=1.1,5 м/мин и 1 = 0,01 мм/дв. ход позволяет получать лезвие с остротой 1.2 мкм (рис. 2).

По проведенным исследованиям видно, что при высокоскоростном затачивании твердосплавной пластины качество лезвия и обработанных поверхностей режущего клина значительно выше. При классических режимах затачивания острота лезвия составляет 5.10 мкм, а при сверхскоростном затачи-

Рис. 3. Зависимость стойкости режущего инструмента

вании составляет 1...2 мкм, при этом на обработанных поверхностях отсутствуют следы окислов.

Традиционные технологии затачивания позволяют получать высокое качество лезвия лишь с помощью трудоемких доводочных операций, при этом не всегда гарантируется отсутствие завалов и приже-гов. Переход на высокоскоростное затачивание позволяет, используя традиционные схемы формообразования режущей части, получать качественно новый результат за счет изменения механизма износа зерен шлифовального круга, а именно образования острых граней алмазных зерен. Данный эффект наблюдается при повышении скорости резания свыше 120 м/с. Однако в литературе отсутствуют результаты исследований по высокоскоростному шлифованию твердых сплавов алмазными кругами и не определена граница высокоскоростного шлифования.

Повышение скорости резания до нескольких сотен метров в секунду связано с решением сложных технических задач — разработки привода, проблем прочности шлифовального круга и балансировки привода. Представленная работа выполнена для определения целесообразности применения высококачественного лезвия.

Основные исследования в данной работе связаны с получением высококачественного лезвия твердосплавного режущего инструмента, позволяющего производить точение различных сталей, применяемых в авиационной и аэрокосмической промышленности, с паспортной точностью технологической системы. Рассматривались сталь 12Х18Н10Т и сплав ВТ3-1.

Применение твердосплавных пластин, с радиусом округления менее 1 мкм, на токарных операциях возможно при глубине резания не менее 2—3 мкм. Для подтверждения данного утверждения проводились исследования при наружном точении деталей: из стали 12Х18Н10Т, HRC 41...42 [4]; титанового сплава ВТ3-1, HRC 39.40 [5]; стали ШХ15 [4] и ХН65КМВЮТЛ [4] на токарном станке с ЧПУ Oku-ma Genos L200E-M. Точение осуществлялось заточенной твердосплавной пластиной CNMG 120408 сплав 1105 Sandvik Coromant (острота лезвия составляет 0,8.1 мкм) при скоростях резания V = 60 и 120 м/мин, подаче S = 0,05 и 0,08 мм/об и глубине t = 3 мкм.

По проведенным испытаниям получены результаты:

1. Осуществлялось точение с глубиной резания 3 мкм и осуществлялся контроль размера детали через каждые 20 мм длины, при этом получаемый размер контролировался и сравнивался с требуемым

номинальным. По полученным измерениям построены зависимости стойкости твердосплавной пластины. Величина технологического износа пластины принята равной 3 мкм во всех случаях.

Зависимость стойкости режущего инструмента при точении стали 12Х18Н10Т имеет вид:

Т= 0,0003-У2 — 0,2305-У + 52; при точении ВТ3-1:

Т= — 0,0002-У2 — 0,1981-У+70,8; при точении ШХ15:

Т= 0,0014-У2 — 0,6838-У+110,4; при точении ХН65КМВЮТЛ:

Т= 0,0002-У2 — 0,1662-У+40,2.

На рис. 3 приведена зависимость стойкости режущего инструмента при обработке различных материалов.

2..Качество обработанной поверхности детали, определяющееся высотой неровностей, достаточно высокое. Величина неровностей (шероховатость) определялась профилометром МагБиг! РБ1, она находится в пределах К2 = 0,975...0,996 мкм. Точность размеров составляет Л= ±0,25 мкм (отклонение фактического от номинального размера).

Точность обработки и качество обработанной поверхности являются закономерными и адекватными т.к. точность обработки и качество поверхности составляет 5 — 8 % от глубины резания.

Библиографический список

1. Режимы резания труднообрабатываемых материалов : справ. / Я. Л. Гуревич [и др.]. — М. : Машиностроение, 1976. — 176 с.

2. Захаренко, И. П. Основы алмазной обработки твердосплавного инструмента / И. П. Захаренко. — Киев : Наукова думка, 1981. - 300 с.

3. Анализ методов определения радиуса округления режущей кромки / А. С. Янюшкин [и др.] // Тр. Братского гос. ун-та. Сер. Естественные и инженерные науки. — Братск : БрГУ, 2006. — Т. 2. — С. 256 — 260.

4. ГОСТ 5632 — 72. Стали высоколегированные и сплавы коррозионностойкие, жаростойкие и жаропрочные. — Введ. 1975 — 01—01. — М. : Изд-во стандартов, 1972. — 38 с.

5. ГОСТ 19807 — 91. Титан и сплавы титановые деформируемые. Марки. — Введ. 1992 — 07 — 01. — М. : Изд-во стандартов, 1991. — 3 с.

РЕЧЕНКО Денис Сергеевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Металлорежущие станки и инструменты».

Адрес для переписки: rechenko-denis@mai1.ru ПОПОВ Андрей Юрьевич, доктор технических наук, профессор (Россия), заведующий кафедрой «Металлорежущие станки и инструменты». Адрес для переписки popov_a_u@1ist.ru ЛЕОНТЬЕВА Екатерина Валерьевна, инженер 1-й категории кафедры «Машиноведение»; магистрант

гр. ПЭН-514 факультета элитного образования и магистратуры (ФЭОиМ). Адрес для переписки:ка1у1ео@Ьк.ги МАТВЕЕВА Марина Геннадиевна, заведующая лабораториями кафедры «Машиноведение»; магистрант гр. ПЭН-514 ФЭОиМ.

Адрес для переписки: marina-matveeva-71@mai1.ru

УДК 631.362.36

А. В. ЧЕРНЯКОВ К. В. ПАВЛЮЧЕНКО В. С. КОВАЛЬ Д. Н. АЛГАЗИН

Тарский филиал Омского государственного аграрного университета им. П. А. Столыпина

Омский государственный аграрный университет им. П. А. Столыпина

ИССЛЕДОВАНИЕ СЕПАРАТОРА ЗЕРНА С НАКЛОННЫМ ВОЗДУШНЫМ КАНАЛОМ ПУТЕМ ПРОВЕДЕНИЯ ПЛАНИРУЕМОГО ЭКСПЕРИМЕНТА

Статья посвящена исследованию сепаратора зерна с наклонным воздушным каналом путем проведения планируемого эксперимента. Получены зависимости качественной характеристики работы сепаратора — полноты разделения. Выявлены значимые и незначимые факторы, оказывающие влияние на работу рассматриваемого сепаратора.

Ключевые слова: зерноочистка, сепарация, воздушный поток, угол наклона канала.

Одним из основных этапов производства зерна является послеуборочная обработка, заключающаяся в его очистке и сушке.

В настоящее время в сельском хозяйстве одной из основных является проблема очистки зерна, убранного комбайнами. Машины, агрегаты и комплексы послеуборочной обработки зерна изношены, и их производительность зачастую не устраивает сельских товаропроизводителей.

Предлагается использование зерноочистительного сепаратора с наклонным воздушным каналом и блоком гравитационных решет, позволяющего повысить качество разделения зерна на фракции (рис. 1) [1].

В результате теоретических исследований выяснено, что для сортировки зерна по аэродинамическим свойствам применение наклонного воздушного канала с днищем в виде решета, имеющего круглые отверстия, положительно отразится на производительности зерноочистительной машины. В производственных условиях очистки зерна от примесей на работу наклонного воздушного канала оказывает влияние множество факторов.

Задача настоящего исследования — выявить факторы, оказывающие наиболее значимое влияние на

работу сепаратора зерна с наклонным воздушным каналом.

При проведении экспериментальных исследований на лабораторной установке использовался наклонный воздушный канал длинной 1 м, высотой 0,1 м и шириной 0,18 м.

В качестве зернового материала использовалась пшеница сорта Росинка.

Отсеивающий эксперимент проводился с использованием плана Плакетта — Бермана [2]. При его проведении варьировались следующие факторы: С — удельная нагрузка на канал (Х1); V — скорость воздушного потока (Х2); а — угол наклона канала к горизонту (Х3); 1 — длина решета днища наклонного канала (Х4); п — число круглых отверстий решета (диаметром 0,01 м), (Х5);

Все перечисленные факторы отвечают требованиям управляемости, операционности, совместимости, однозначности и независимости. За критерий оптимизации принята величина полноты разделения, которую находили по формуле [3]:

Р

е =

95

Р 0 •а

Creation of hard-alloy tool for superfast grinding of superfinishing cutting processing

Текст научной работы на тему «Создание твердосплавного инструмента сверхскоростным шлифованием для суперфинишной лезвийной обработки»