CC BY
13
Оригинальная статья / Original article УДК: 621.923.1
DOI: 10.21285/1814-3520-2016-10-48-62
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ВОЗМОЖНОСТИ СНИЖЕНИЯ ТЕПЛОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ КРУГА NORTON VITRIUM НА РАБОЧИЕ ПОВЕРХНОСТИ ПЛАСТИН Р9М4К8 СБОРНОГО ИНСТРУМЕНТА
© Я.И. Солер1, Нгуен Ван Кань2, Д.Ю. Казимиров3
Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
РЕЗЮМЕ. ЦЕЛЬ. Повышение эффективности шлифования, обеспечивающей возрастание микротвердости и снижение прижогов быстрорежущих пластин (БП) Р9М4К8 при маятниковом шлифовании периферией абразивного инструмента. МЕТОД. Представлен инновационный метод определения количества прижогов на шлифованную поверхность БП с использованием цифровых технологий и программного комплекса ENVI. Оборудование для обнаружения прижогов на поверхности: набор студийных осветителей Smartum с источниками 5500оК, цифровая зеркальная фотокамера Canon 60d с объективом Tamron 17-50 мм, f 2,8-4,5 и штативом. Интерпретация полученных экспериментальных данных с привлечением статистических методов позволила оценить эффективность технологических приемов шлифования по мерам положения и рассеяния. РЕЗУЛЬТАТЫ. По опытным медианам представляется целесообразным реализовать прием: встречное врезание (1111); попутное врезание (2111); работа без смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ) (1121) и правка абразивного круга (АК) природным алмазом (1112). По стабильности формирования поверхности БП следует использовать приемы: попутное врезание (2111) и правка абразивного круга природным алмазом (1112). ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Предложенные приемы целесообразно использовать при шлифовании БП Р9М4К8, которые обеспечивают повышение эксплуатационных свойств поверхности БП, в частности, стойкости сборного инструмента при высокой стабильности процесса. Ключевые слова: шлифование, микротвердость, статистика, меры положения и рассеяния; стабильность процесса, абразивные круги, технологические режимы.
Формат цитирования: Солер Я.И., Нгуен Ван Кань, Казимиров Д.Ю. Технологические возможности снижения теплового воздействия круга Norton Vitrium на рабочие поверхности пластин Р9М4К8 сборного инструмента // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2016. Т. 20. № 11. С. 48-62. DOI : 10.21285/1814-3520-2016-10-48-62
TECHNOLOGICAL CAPABILITIES TO DECREASE NORTON VITRIUM WHEEL THERMAL ACTION ON WORKING SURFACES OF HIGH SPEED STEEL W9MO4CO8 PLATES OF MODULAR CUTTING TOOL Ya.I. Soler, Nguyen Van Canh, D.Yu. Kazimirov
Irkutsk National Research Technical University, 83, Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia
ABSTRACT. THE PURPOSE of the article is improving the efficiency of grinding that provides the increase in micro-hardness and decrease of burns of W9Mo4Co8 high-speed cutting plates (HSCP) under pendulum grinding by the abrasive tool periphery. METHODS. The article presents an innovative method determining the number of HSCP grinding burns with the use of digital technologies and ENVI software. The following equipment is used for the identification of grinding burns: a set of Smartum studio lighting with the sources of 5500°K, DSLR camera Canon 60D with the Tamron lens of 17-50 mm, f2.8—4.5 and a tripod. Interpretation of the experimental data obtained by means of statistical methods allowed to estimate the effectiveness of technological methods of grinding by the measures of position and dispersion. RESULTS. Based on experimental medians it seems feasible to implement the methods of up grinding (1111); down grinding (2111); grinding without coolant (1121) and dressing of a grinding wheel by natural diamonds (1112). Based on
1Солер Яков Иосифович, кандидат технических наук, доцент кафедры технологии и оборудования машиностроительных производств, e-mail: solera@istu.irk.ru
Soler Yakov, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Technology and Equipment of Engineering Production, e-mail: solera@istu.irk.ru
2Нгуен Ван Кань, аспирант, e-mail: vancanh.vn@mail.ru Nguyen Van Canh, Postgraduate, e-mail: vancanh.vn@mail.ru
3Казимиров Денис Юрьевич, кандидат технических наук, доцент кафедры технологии и оборудования машиностроительных производств, e-mail: solera@istu.irk.ru
Kazimirov Denis, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Technology and Equipment of Engineering Production, e-mail: solera@istu.irk.ru
the stability of HSCP surface formation the following methods should be used: down grinding (2111) and dressing of the grinding wheel by natural diamonds (1112). CONCLUSION. It is feasible to use the proposed methods at grinding W9Mo4Co8 HSCP that enhance the performance properties of the HSCP surface, and, in particular, the durability of the modular tools at high process stability.
Keywords: grinding, microhardness, statistics, measures of position and dispersion, process stability, abrasive wheels, process parameters
For citation: Soler Ya.I., Nguyen Van Canh, Kazimirov D.Yu. Technological capabilities to decrease Norton Vitrium wheel thermal action on working surfaces of high speed steel W9Mo4Co8 plates of modular cutting tool. Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2016, vol. 20, no. 10, pp. 48-62. (in Russian) DOI: 10.21285/1814-35202016-10-48-62
Введение
Шлифование является заключительным этапом изготовления металлорежущего инструмента, во многом определяющим его стойкость. В частности, к базовым и рабочим поверхностям быстрорежущих пластин (БП) предъявляются различные требования. Их передняя и задние поверхности должны обладать малыми высотами микрорельефа и значительной микротвердостью, снижающими интенсивность износа истиранием. Наиболее сложным при шлифовании жесткими абразивными инструментами является ограничение воздействия теплового источника на БП. В этом случае мгновенный нагрев поверхности может составлять 700-800оС, а при интенсивном съеме операционного припуска достигать 1200—1500оС, которые приводят к локальному оплавлению. Скорость нагрева достигает 5000-6000оС/с в первом случае и 10000оС/с во втором. Тепловое поле БП характеризуется высоким градиентом и сосредотачивается в поверхностном слое глубиной 0,1-0,3 мм. Почти так же быстро (за доли секунды) эта температура снижается, так как основная часть возникшего тепла отводится в нижележащие слои холодного металла. При интенсивном шлифовании кругами из традиционных абразивов температура нагрева может быть выше величины фазового превращения быстрорежущей стали. Нагретый металл приобретает пониженную твердость, которая обусловлена прижогами [1].
Микротвердость БП зависит, прежде всего, от режущих способностей кругов. В данном исследовании этот вопрос не рассматривается, воспользовались результатами, представленными в работах [2, 3].
Круг Norton Vitrium 5NQ46I6VS3 при шлифовании БП Р12Ф3К10М3 по результатам непараметрической интерпретации экспериментальных данных по ожидаемым медианам занял 9-е место из 14-ти возможных без разупрочнения поверхности БП при высокой прецизионности процесса шлифования [2]. В то же время кластерный и дис-криминантный анализы по микрорельефу и точности формы БП расположили круг 5NQ46I6VS3 в группе лидеров с высокой режущей способностью вместе с четырьмя другими кругами: 5SG46(K, I)12VXP, TGX80IVCF5 и 34AF60K6V5 [3].
Для повышения эффективности процесса плоского шлифования используются различные технологические приемы, среди которых следует выделить: встречное и попутное шлифование (по аналогии с цилиндрическим фрезерованием); задание поперечной подачи на двойной и одинарный ход при сохранении производительности по съему металла; работа с применением СОЖ и всухую; использование одно-и многокристальных правящих инструментов.
Из [4] известно, что при глубинном шлифовании преимущества попутной схемы врезания круга в деталь перед встречной выразились в снижении: сил резания на 20-60%, удельной работы на 30-70%, шероховатости на 20-30% при более высокой однородности поверхности, износа на 50-80% и износа абразивных кругов (АК) на 30-60%. В работе [5] уточнено, что при встречном шлифовании снижение сил отмечено только для тангенциальной составляющей Pz, а для нормальной Py - напротив, ее рост. Для повышения стабильности
процесса шлифования в работе [6] предлагается дополнительно проводить непрерывную правку абразивного инструмента с использованием устройств с числовым программным управлением (ЧПУ). При этом отмечено снижение Рг, Ру в 2-3 раза по сравнению с традиционной правкой перед началом цикла шлифования.
Во-первых, для маятниковой схемы срезания припуска отсутствуют сведения о влиянии схемы врезания кругов на микротвердость поверхности БП. Во-вторых, относительно роли задания поперечной подачи следует констатировать, что в технологических рекомендациях данный прием не рассматривается. Очевидно, предполагают, что качество шлифуемых БП при сохранении производительности процесса остается на одном уровне при обоих вариантах реализации поперечной подачи. В-третьих, рассмотрены возможности шлифования БП без СОЖ. Три вышеперечисленные приема сокращают производственные расходы, снижают нагрузку на окружающую среду. Вместе с фактической стоимостью изготовления и подготовки СОЖ к работе необходимо учитывать и текущие расходы на обслуживание установок по их подготовке, фильтрацию и удаление примесей после использования. Кроме того, установки для подачи СОЖ в зону резания также требуют дополнительных площадей и затрат на электроэнергию. Адгезионная активность абразивного инструмента и закаленных легированных сталей не носит критического характера, о чем свидетельствуют как отсутствие на обработанной поверхности дефектов в виде нали-пов и выхватов обрабатываемого материала, так и налипание металла на рабочих поверхностях абразивных зерен. Таким образом, теоретически обработка шлифованием закаленных легированных сталей и, в частности, БП может успешно осуществляться абразивным инструментом без применения СОЖ [7].
На последней позиции среди технологических приемов повышения эффективности шлифования не по важности, а по очередности рассмотрения занимает метод правки режущей поверхности АК: алмазным кристаллом в оправке и многокристальным алмазным карандашом типа 02 из синтетических зерен по ГОСТ 607-804
Преимуществами алмазной правки являются малые усилия и большая износостойкость алмаза, что обеспечивает повышение точности геометрической формы круга, снижение шероховатости обработанной поверхности. Карандаш из природного алмаза применяется на операциях шлифования для обеспечения высокой точности деталей (6-го и меньшего квалитета) и шероховатости Яа0,8-0,4 и меньше. Алмазные многокристальные карандаши при правке обеспечивают большую производительность по сравнению с однокристальными правящими инструментами. Они широко используются в серийном и крупносерийном производствах [5, 8]. В рассмотренных технологических приемах отсутствуют сведения о их влиянии на микротвердость деталей из закаленных сталей.
В работе [9] рассмотрены многие методы контроля прижогов: химическое травление; метод, основанный на измерении удельного сопротивления металла; методы выявления прижогов по электризации и свечению их зон в ультрафиолетовом свете; рентгеновский метод; метод обнаружения прижогов с использованием эффекта Баркгаузена по анализу шумов; использование планшетного сканера и анализа фотографий по плотности оттенков серого тона и т.д. Большинство из рассмотренных методов контроля обладает высокой трудоемкостью, трудно автоматизируется и не всегда дает количественную оценку прижо-гов. В связи с этим проблема с анализом прижогов, в частности, на поверхности БП существует до настоящего времени и требует своего решения.
4ГОСТ 607-80. Карандаши алмазные для правки шлифовальных кругов. Введен 01.01.81. М.: Изд-во стандартов, 1980. 14 с. GOST 607-80. Diamond dressers for grinding wheel dressing. Introduced 01 January 1981. Moscow, Standartinform Publ., 1980, 14 p.
Целью работы является повышение эффективности шлифования, обеспечивающего повышение микротвердости и снижение прижогов БП Р9М4К8 при маятниковом шлифовании периферией абразивного инструмента. Кроме этого, в исследовании представлен инновационный метод определения количества прижогов, образующихся на поверхности БП на основе циф-
ровых технологий и программного комплекса. Полученные результаты позволят получить количественную оценку прижогов, и рекомендовать использовать технологические режимы шлифования по минимальному тепловому воздействию на поверхность БП Р9М4К8 сборных режущих инструментов.
Методика исследования
Органически разбивается на три этапа: условия проведения натурного эксперимента, методика определения прижо-гов с использованием цифровых технологий и программного комплекса и статистические методы интерпретации экспериментальных данных.
Условия проведения натурного эксперимента. Опыты вели по схеме маятникового съема операционного припуска при шлифовании периферией АК. При этом сохранялись следующие неизменные условия реализации эксперимента: плоскошлифовальный станок модели 3Г71; круг Norton Vitrium 5NQ46I6VS3; форма 01 (прямого профиля) и размеры - 250х20х76 мм -по каталогу фирмы Norton [10]; скорость резания vK = 35 м/с; продольная подача
S =7 м/мин; глубина резания t = 0,015 мм, операционный припуск z = 0,15 мм; объект исследования - БП из стали Р9М4К8 (66-68 HRC) с размерами: диаметр D=40 мм, высота H = 40 мм, которая крепилась на магнитной плите станка, ее исходная микротвердость
HVKCX = 7201 МПа; число параллельных
опытов п = 30 (V = 1;30) при изучении микротвердости (НУ) в МПа, п = 10 (V = 1;10) при исследовании прижогов (П) в процентах. В общем виде выходные параметры шлифования представлены выражением Угецт, в котором индексы несут переменную информацию о используемых технологических приемах.
Схемы врезания АК в БП отражены индексом г = 1;2: 1 - встречное шлифова-
ние, 2 - попутное шлифование (по подаче). Варианты реализации поперечной подачи
представлены е = 1;2: 1 - Эп=1 мм/дв.ход, 2 - Эп=0,5 мм/ход. При этом по основному времени обе подачи 5пе обеспечивают равную производительность процесса. Использование охлаждения отражено q = 1;2:
1 - работа с применением СОЖ - 5%-й эмульсии Аквол-6 (ТУ 0258-00148843-98), подаваемой на БП с расходом 7-10 л/мин,
2 - всухую. Методы правки кругов характеризует w = 1;2: 1 - многокристальными синтетическими алмазами, 2 - натуральным алмазом. В обоих случаях ее вели на режиме: V = 35 м/с; 5 = 7 м/мин,
£п = 1 -2 мм/дв.ход, г = 0,005-0,015 мм,
число двойных ходов равно 4-6. Выходной параметр процесса представляют опытные средние упс[х, или медианы угедм>, которые
для базового приема имеют индексы г = е = q = w = 1.
По кинематике плоского шлифования схемы врезания АК в БП (г = 1;2) могут быть реализованы только в случае шлифования с в мм/дв.ход (е = 1). С учетом вращения инструмента по часовой стрелке его опускание на глубину t при встречном шлифовании вели в тот момент времени, когда продольный стол станка с заготовкой смещался в крайнее левое положение относительно оператора станка. В связи с изложенным, съем металла со шлифуемой поверхностью БП протекал в условиях шлифования против Эпр. Соответственно обратное перемещение продольного стола
выполняло роль выхаживающего прохода и протекало в условиях попутного шлифования. Обычно на выхаживание поверхности при реверсивном движении не обращают внимания, понимая под выхаживанием только шлифование без врезания на глубину t в конце его цикла. При попутном срезании припуска ( r = 2 ) условия работы АК меняются на противоположные.
Микротвердость HV измерялась на приборе ПМТ-3 по методике ГОСТ 9450-765
Методика определения количества прижогов с использованием цифровых технологий и программного комплекса ENVI. Определение количества прижогов включает в себя три этапа: съемку исходной поверхности в отраженных лучах света; ее оцифровку в программе Adobe Photoshop CS6.13.1.2 и конвертирование в виде растровых изображений цветов с использованием программного комплекса ENVI 5.0. После шлифования поверхность БП очищалась от пыли и загрязнений. ^емка велась с искусственным светом от набора студийных осветителей Smartum с источниками 5500оК через рассеиватели, которые позволили устранить возможные полутени. Режим съемки: фокусное расстояние 250 мм со штатива цифровой зеркальной фотокамерой Canon 60D с матрицей CMOS, с общим количеством пикселей 17,92 миллиона, с объективом Tamron 17-50 мм f 2.8-4.5, с чувствительностью ISO100, скоростью затвора (время экспозиции) 1/100 с, диафрагмой f 2.8. ^емка позволила отразить пикселем соответствующего цвета каждую элементарную площадку поверхности. При этом участки поверхности с прижогами характеризуются более темными цветами.
Редактирование фотографий вели с помощью программы Adobe Photoshop CS6 13.1.2, имеющей специальные инструменты «Shadow/Highlight - тень/свет» и «Brightness/Contrast - яркость/контраст»,
которые усиливают контрастность темных (с прижогами) и светлых (без прижогов) участков.
Количество прижогов определялось программным комплексом ENVI 5.0, который является одним из наиболее удачных и доступных программных продуктов для визуализации, анализа и обработки данных изображений. Он включает набор инструментов для проведения полного цикла обработки данных - от ортотрансформирова-ния до пространственной привязки изображения, получения необходимой информации и ее интеграции [11]. Для визуализации цветов (темные и светлые) использован инструмент «Density Slice Band Choice -выбор диапазона плотностного ломтика», а для определения количества пикселей каждого цвета «Class Statistic - статистическая классификация».
Количество прижогов рассчитывается из выражения
П =
reqw
XPe
i p
Л
<100%,
(1)
где ПгефЛ/ - плотность прижогов поверхности детали в процентах; IPпр(reqW) - общее количество пикселей, отражающих цвета прижогов, - общее количество всех
пикселей.
Статистические методы интерпретации экспериментальных данных при шлифовании. Теплофизика и динамика процесса шлифования оцениваются значимой нестабильностью, которую обуславливает неориентированное расположение зерен, большое рассеяние радиусов округления и углов при вершинах режущих кромок, разновысотность их вершин в связи с различной глубиной заделки в черепок АК. Сказанное позволяет рассматривать режущие способности кругов случайными величинами (СВ), и для интерпретации экспериментальных данных привлекать теоре-
ГОСТ 9450-76. Измерение микротвердости вдавливанием алмазных наконечиков. Введен 1977-01-01. М.: Изд-во стандартов, 1993. 36 с. GOST 9450-76. Microhardness measurement by diamond tip indentation. Introduced 1 January 1977. Moscow, Standartinform Publ., 1993, 36 p.
тико-вероятностные подходы. В силу сказанного, анализ экспериментальных данных:
{Уге^} , г = е = Я = М = 1;2,
V = 1;30(10)
возможно проводить с привлечением параметрического и непараметрического (в частности рангового) методов статистики. В конкретных условиях в (2) вместо индексов указаны цифры, свидетельствующие, при каких приемах получены наблюдения. Например, запись у((2)111) в (2) указывает на то, что наблюдение относится к 20-му опыту (V = 20) при попутном врезании круга в БП (г = 2) и остальных базовых приемах е = я = м = 1. Характеристиками одномерного распределения частот для (2) служат [12, 13]: для первого направления -
средние yreqw - yr
' reqw
стандарты отклоне-
ний (SD)reqw, размахи Rreqw =|ymax -Ут
ireqw
для второго направления - медианы у квартильные широты
КШ.......=
reqw
|У0,75
-у<
0,25
В обоих случаях
первая частота характеризует меру положения (опорное значение), а последующие - меры рассеяния (прецизионность).
Каждый метод статистики имеет «свое поле» [12] для эффективного применения в технических приложениях. Для параметрического метода необходимо, чтобы все (2) обладали свойствами го-москедастичности (синонимы - однородность или гомогенность дисперсий отклонений (£0)^, г = е = я = м = 1;2) и нормальности распределений (2). В противном случае точные критерии параметрического метода статистики теряют свою надежность и могут привести к принятию неверных статистических решений. В подобной ситуации целесообразнее воспользоваться ранговыми статистиками, которые не связаны с каким-либо семейством распределений и не используют их свойств. Выбор статистического метода и последующий
поиск ожидаемых средних у и медиан
тугедк, г = е = я = м = 1;2 изложены в [13]. В
рамках данного исследования ограничимся констатацией того факта, что процедура интерпретации (2) включает два последовательно выполняемых этапа. Первоначально проводится одномерный дисперсионный анализ (ОДА) на предмет установления значимого различия между уровнями мер положений без поименного их выявления. При установлении такого различия проводится второй этап множественного анализа мер положений с установлением прогнозируемых средних у и медиан
тугеям ■
Влияние непараметрического метода на опорные значения представлено медианными коэффициентами при одноименных г = е = я = м = 1;2:
К
Mreqw
Уreqw ^ У*
reqw
(3)
Оценки эффективности альтернативных технологических приемов г = е = я = м = 2 относительно базового варианта шлифования (г = е = я = м = 1) ведем для обеих характеристик одномерного распределения частот (2) [12-14]. При этом индекс, взятый в скобки, характеризует эффективность альтернативного технологического приема относительно базового варианта шлифования:
К(2)111 У2\\\1У\\\\> №
К (2)111 = my 2111 / туг
Iii > (5)
КСТ(2)111 1 = SD1111 / SD2111 , (6)
КСТ(2)111 2 R1111 / ^2111 , (7)
КСТ(2)111 3 - КШ1111 / КШ2111 ■ (8)
В (3)-(8) представлены выражения для расчета поправочных коэффициентов
на меры положения и рассеяния для попутного врезания круга в БП (г = 2) по сравнению с базовым вариантом встречного шлифования (г = 1). В (6)-(8) при коэффициентах стабильности Кст . добавлен
индекс у = 1;3, характеризующий принятую меру рассеяния: 1 - ЭО по (6), 2 - R по (7) для параметрических статистик; 3 - КШ по (8) для ранговых статистик. Коэффициенты (6)-(8) получены путем сопоставления индексов воспроизводимости [14]:
КСТу Ср]альт / Ср]баз , где Ср]альт Ср]2 ,
С .¡¡аз = С^ - альтернативные и базовый
технологические приемы шлифования по фактическим разбросам (2) без учета допуска их рассеяния при одноименных
] = Р.
Для снижения трудоемкости расчетов в исследовании привлечена программа Stаtisticа 6.1.478.4.
Результаты исследования и их обсуждение
Определение количественных прижогов. В качестве примера на рис. 1 представлены фотофайлы шлифованной поверхности БП с номером v = 7 при поперечной подаче 0,5 мм/ход (е = 2); остальные условия шлифования - базовые. Для визуализации цветов на шлифованной поверхности БП в инструменте «Density Slice Band Choice» привлечены 13 цветов (табл. 1), которые обеспечили требуемую точность при удовлетворительной трудоемкости обработки изображений.
С помощью инструмента «Class Statistic» рассчитаны количественные пиксели для каждого цвета, которые представлены в табл. 1. Из рис. 1 и табл. 1 видно, что количество пикселей прижогов составляют: 1453589 (255, 255, 0) - красный (Red); 2739929 (0, 0, 255) - синий (Blue); 1228848 (0, 128, 0) - зеленый (Green) и 775770 (255,
255, 0) - желтый (Yellow). Таким образом, сумма пикселей прижогов равна 6198136. По ним и (1) рассчитано процентное количество прижогов: П = 66,17%. Аналогичным образом был выполнен поиск прижогов по всем опытам.
Выбор статистических методов интерпретации экспериментальных данных. Выбор метода статистики зависит от свойств полученных наблюдений (2). Тестирование на нормальность их распределений вели по критерию Шапиро - Уилка, по которому условием принятия проверяемой гипотезы Н0 служит неравенство: а > 0,5. Как видно из табл. 2, Но приняты в двух случаях: для приемов 2111 (а = 0,5606) и 1121 (а = 0,5429) по прижо-гам гистограммы качества, представленных на рис. 2, б, г.
а б (b)
Рис. 1. Фотофайлы шлифованной поверхности БП, v = 7 при поперечной подаче 0,5 мм/ход: а - исходный фотофайл; б - обработанный фотофайл Fig. 1. Photo files of high speed cutting plate ground surface, v = 7 under cross-feed of 0.5 mm per stroke:
a - original photo file; b - processed photo file
Таблица 1
Частотное распределение встречаемости пикселей каждого цвета
Table 1
Frequency distribution of each color pixel occurrence_
Номер цвета / Color Number Цвет / Color RGB-код / RGB-code HTML-код / HTML-code Диапазон плот-ностного ломтика / Density Slice Band Количество пикселей / Number of pixels
1 Красный / Red (255, 0, 0) #FF0000 30-46 1453589
2 Синий / Blue (0, 0, 255) #0000FF 47-60 2739929
3 Коралловый / Coral (255, 217, 80) #FF7F50 61-73 2641497
4 Зеленый / Green (0, 128, 0) #008000 74-86 1228848
5 Желтый / Yellow (255, 255, 0) #FFFF00 87-100 775770
6 Фиолетовый / Purple (255, 0, 255) #FF00FF 101-115 292552
7 Светло-лиловый / Heliotrope (218, 112, 214) #DA70D6 116-130 71136
8 Зеленовато-голубой / Turquoise blue (127, 255, 212) #7FFFD4 131-146 9864
9 Каштановый / Maroon (128, 0, 0) #800000 147-160 2075
10 Ярко-голубой / Cyan (0, 255, 255) #00FFFF 61-176 1160
11 Пурпурный / Magenta (128, 0, 128) #800080 177-200 1651
12 Буро-желтый / Sienna (160, 82, 45) #A0522D 201-226 1890
13 Бледно-розовый / Pale pink (216, 191, 216) #D8BFD8 227-255 7129
Таблица 2
Проверка множеств наблюдений на нормальность распределений
Table 2
_Distribution normalcy tests of the sets of observations_
Прием / Method reqw Критерий Шапиро - Уилка ( a ) / Shapiro-Wilk criterion( a )
для HV/ for HV для прижогов П / for burns B
1111 0,1539 0,0906
2111 0,0207 0,5606
1211 0,2846 0,1001
1121 0,4070 0,9429
1112 0,3610 0,3747
I *
3 О of <])
О
^ £
О U.
«0
'5 с
Ф 3 ir
я>
■Q
S о
S о <e
У... "v. й! ч
40 46 60 66 $0 66 70 76 «0 S6 90
а
40 45 50 55 60 65 70 75 60 35 &0 6(b)
i «• 3
s
3 с
s= ®
5 3
о ^
S Si
° £
40 45 50 56 во 65 70 75 «0 »5 90 в (С)
г (d) д (e)
Рис. 2. Гистограммы прижогов (П,%) с наложением кривой нормального распределения по приемам:
а - 1111; б - 2111; в - 1211; г - 1121; д - 1112 Fig. 2. Histograms of burns (B, %) with the overlaying of the normal frequency curve by methods:
a - 1111; b - 2111; c - 1211; d-1121; e - 1112
На рис. 2, а, д гистограммы качества, имеющие место при шлифовании БП на базовом варианте (1111) и при правке АК натуральным алмазом (1112), имеют несимметричные распределения, аппроксимируемые по экспоненте.
Для оценки однородности дисперсий
привлечены тесты т = 1;3: 1 - Левене, 2 - Брауна - Форсайта, 3 - Хартли, Кохрена и Бартлетта. Последние критерии т = 3 в программе представлены единой совокупностью. Однородные дисперсии должны удовлетворять неравенствам: ат< 0,05,
т = 1;3 . В связи с вероятностным характером принимаемых гипотез отдельные решения в пользу гомоскедастичности рас-
Таблица 3
Проверка множеств наблюдений на гомоскедастичность
Table 3
Homoscedasticity test of the sets of observations_
Параметр / Parameter m = 1 m = 2 m = 3 Не
HV 0,134568 0,109902 0,297146 -
П 0,007551 0,190478 0,132864 -
пределений (2) могут различаться. По этой причине окончательное решение в пользу гомогенности дисперсий должно удовлетворять условию: /0 е[2;3]. По результатам тестирования дисперсий (табл. 3) их различие не носит случайного характера, и Н0 отклонены по прижогам и микротвердо-стям. Сказанное отражено знаком минус в последнем столбце табл. 3. По представленным результатам решено воспользоваться непараметрическим методом. Приводимые параллельно меры положения и рассеяния гауссового конкурента направлены на выявление опасности их использования «на чужом поле» [14].
Примечание / Note. M: 1 - Левене / Leven; 2 - Брауна - Форсайта / Brown - Forsythe; 3 - Хартли, Кохрена и Бартлетта / Hartley, Cochran and Bartlett.
Оценки эффективности технологических приемов по мерам положения.
С позиции стойкости режущих инструментов желательно, чтобы любой технологический прием сопровождался повышением микротвердости передней и задних поверхностей БП и естественным снижением при-жогов. Использование непараметрического метода статистики позволило выявить случаи благоприятной асимметрии распределений, которые отмечаются при (у>у.)гедм,
для НУ и (у<у.)гечк - для прижогов. Это связано с тем, что процентили (^0,75-^0,25)™^. расположенные в зоне
угедк, увеличивают долю более качественных БП в операционной партии шлифуемых БП.
В табл. 4 представлены опытные средние у.гедк и медианы угщм, по микротвердости и прижогам, имеющим место при шлифовании БП Р9М4К8 с использованием всех технологических приемов. Предыдущую информацию наглядно отражают описательные статистики для параметрического (рис. 2) и непараметрического (рис. 3) методов, на которых одномерные распределения частот содержатся в закодированном виде. Единое обозначение «квадратом» относится к опытным средним и медианам. Остальные условные обозначения несут различную смысловую нагрузку. На рис. 2 для параметрических статистик «прямоугольником» представлены стандарты ошибок ±ЕЖ, а «усиками» - стандарты отклонений ±Ж, охватывающие 68,27% выборки. На рис. 3 подобными символами охарактеризованы соответственно процентили (у075 -у0 25), включающие 50%
выборки, и размахи. Установлено, что наиболее неблагоприятные условия, связанные с положительной скошенностью распределений, выявлены по прижогам. Для них только для двух приемов: (2111), (1211) - из пяти - у оказались меньше
У.кдп. По микротвердостям благоприятное неравенство yreqw > y.reqw возросло на один
прием: (1111), (1211) и (1121).
На качественном уровне влияние технологических приемов (reqw) на меры положения для обоих методов статистик совпало. Различия по (3) составили: Км = 0,972-1,011 для микротвердости и
Км = 0,944-1,01 по прижогам. Относительно базового варианта шлифования
(1111) наиболее благоприятная ситуация по микротвердости сложилась при правке АК карандашом с природным алмазом. На второй позиции расположились сразу два приема: попутное шлифование (2111) и шлифование всухую (1121). По прижогам и микротвердостям теоретические результаты должны были совпасть с зеркальным их изменением на противоположные: наибольшим микротвердостям должны соответствовать наименьшие прижоги. Однако снижение выборки n = 30 до n = 10, т.е. в 3 раза, отразилось на точности результатов по прижогам: на первой позиции расположился прием при работе без СОЖ (1121), на второй - с правкой природным алмазом
(1112). Наихудшим вариантом шлифования среди них оказался метод с применением поперечной подачи на проход (1211). Сравнение медиан на 5%-м уровне значимости показало, что все технологические приемы, за исключением (1211), оцениваются единой микротвердостью mHV = 9164,33 МПа и коэффициентом (5), равным единице. При этом при шлифовании с Sn в мм/ход (1211) он снизился до 0,795. По прижогам БП наилучшие результаты предсказаны для приемов (1121), (1112), которые характеризуются (4), равными К = 0,966 (таб. 4). На второй позиции
с прогнозируемым прижогом тП = 59,61% расположились приемы (1111), (2111). Последнюю позицию по прижогам так же, как и по микротвердости, заняло шлифование с на проход (1211).
а б (b)
Рис. 2. Описательные статистики параметрического метода по микротвердости (а) и прижогам (б) Fig. 2. Descriptive statistics of the parametric method by microhardness (a)
and grinding burns (b)
а б (b)
Рис. 3. Описательные статистики непараметрического метода по микротвердости (а) и прижогам (б) Fig. 3. Descriptive statistics of the nonparametric method by microhardness (a)
and grinding burns (b)
Как иллюстрирует табл. 4, конкурент из нормальной теории по ожидаемым средним y предсказал разбиение технологических приемов: на четыре группы по микротвердости и сохранил пять групп по прижогам. Эффективность приемов по ожидаемым опорным значениям характеризуют последовательности: убывающая (1112) > (2111; 1121) > (1111) > (1211) для HV и возрастающая (1121) < (1112) < (2111) < (1111) < (1211) по прижогам П. При этом следует считать, что технологический прием, расположенный на первой позиции, является наиболее эффективным. Наименьшая эффективность приема (1211) подтверждена полностью параметрическим методом статистики. Однако по остальным технологическим приемам наметилось их явное различие по ожидаемым мерам положения. Гауссовый конкурент предсказал иное различие между средними по сравнению с непараметрическими статистиками с использованием медиан, которое можно
принять более точно. Для этого имеются две предпосылки. Во-первых, параметрический метод интерпретации экспериментальных данных был отклонен в связи с нарушениями гомоскедастичности распределений, хотя с небольшими ошибками 2-го рода дисперсии отклонений можно было принять однородными. Во-вторых, с незначительными отклонениями распределений от нормальных параметрические критерии обладают большой робастностью. Абстрагируясь от некоторых частностей, предложили новый технологический прием шлифования БП Р9М4К8 со свойствами (2122), который имеет все перспективы повысить опорные значения микротвердости хотя бы по экспериментальным данным.
Несколько неожидаемым оказалось повышение микротвердости БП при работе всухую (1121), при котором НУ = 9158,7 МПа превысило
НУ = 8895,9 МПа для базового приема (1111). Вероятнее всего отмеченное явле-
ние обусловлено повышением интенсивности теплового источника на БП, которое вызвало рост НУ в результате фазового наклепа при а^-у превращении. Однако в [1] отмечено, что этот слой имеет пониженную устойчивость против нагрева, который испытывает режущий инструмент при обработке деталей.
Оценки эффективности технологических приемов по мерам рассеяния. Результаты исследования будут неполными, если не учесть стабильность формиро-
вания НУ и П по каждому приему. Данная характеристика одномерного распределения частот является наименее изученной и практически не регламентируется в технологических рекомендациях по шлифованию. Результаты по стабильности исследуемых приемов по КШ, во, Я представлены в табл. 5. Для удобства их анализа меры рассеяния дополнительно представлены в табл. 6 в виде возрастающих последовательностей по каждому параметру качества поверхности БП Р9М4К8.
Таблица 4
Влияние технологических приемов на опорные значения микротвердости, прижогов и коэффициенты (3)-(5)
Influence of processing methods on the reference values Of microhardness, grinding burns and coefficients (3)-(5)
Table 4
Прием / Method reqw HV, (МПа / MPa) / П, % КМ (3) К (4) К (5)
y. y y. my
1111 (1) 8900,87 61,90 8895,90 62,29 9079,82 59,51 9164,33 59,61 0,999 1,006 1,000 1,000 1,000 1,000
2111 (2) 9080,28 58,94 9158,20 57,95 9128,26 57,73 9164,33 59,61 1,009 0,983 1,029 0,930 1,000 1,000
1211 (3) 7498,37 71,64 7289,50 67,66 7498,37 71,64 7289,50 62,64 0,972 0,944 0,819 1,086 0,795 1,051
1121 (4) 9185,65 53,33 9158,20 54,03 9128,26 55,22 9164,33 57,60 0,997 1,013 1,029 0,867 1,000 0,966
1112 (5) 9346,27 54,94 9445,00 56,14 9178,80 56,52 9164,33 57,60 1,011 1,021 1,062 0,901 1,000 0,966
Примечание / Note. Прием / Method: (1) - базовый режим (встречное врезание) / base mode (up grinding), (2) - попутное врезание / down grinding, (3) - поперечная подача на ход / cross-feed per stroke, (4) - сухое шлифование / dry grinding, (5) - правка кругов природным алмазным карандашом / wheel dressing by a natural diamond dresser; над чертой информация по микротвердости, под чертой - по прижогам / above the line - information on microhardness, below the line - information on grinding burns.
Таблица 5
Оценка эффективности приемов по мерам рассеяния микротвердости по (6)-(8)
Table 5
Method efficiency estimation by microhardness dispersion measures by (6)-(8)
Прием / SD R КШ КСТ/
Method reqw (МПа / MPa) / % i=1 (6) i=2 (7) i=3 (8)
1111 (1) 685,978 3042,150 882,675 1,000 1,000 1,000
6,342 15,615 11,446 1,000 1,000 1,000
2111 (2) 528,310 1602,500 811,400 1,298 1,898 1,088
4,277 15,056 4,607 1,483 1,037 2,485
1211 (3) 653,600 2397,600 1100,350 1,050 1,269 0,802
7,788 20,933 11,616 0,814 0,746 0,955
1121 (4) 638,421 2584,650 1040,150 1,074 1,177 0,849
5,135 17,210 5,469 1,235 0,907 2,093
1112 (5) 605,258 2227,800 854,100 1,133 1,366 1,033
3,379 10,160 4,606 1,877 1,532 2,485
Примечание / Note. Прием / Method: (1) - базовый режим (встречное врезание) / base mode (up grinding), (2) - попутное врезание / down grinding, (3) - поперечная подача на ход / cross-feed per stroke, (4) - сухое шлифование / dry grinding, (5) - правка кругов природным алмазным карандашом / wheel dressing by a natural diamond dresser; над чертой информация по микротвердости, под чертой - по прижогам / above the line - information on microhardness, below the line - information on grinding burns.
Таблица 6
Сопоставление прецизионности технологических приемов для обоих
методов статистики
Таблица 6
Comparison of processing technique precision for both statistical methods_
Мера рассеяния / Measure of dispersion Параметр/ Parameter Возрастающие последовательности мер рассеяния по приемам / Increasing sequences of dispersion measures by processing techniques
КШ / QW HV 2111,1112,1111,1121,1211
П (1112, 2111), 1121, 1111, 1211
SD HV 2111,1112,1121,1211,1111
П 1112,2111,1121,1111,1211
R HV 2111,1112,1211,1121,1111
П 1112,2111,1111,1121,1211
Описательные статистики, представленные на рис. 2 и 3, позволяют вскрыть дополнительные резервы повышения качества отшлифованных БП с учетом реального расположения процентилей относительно медиан и размахов. По данным табл. 5, по КШ наибольшую прецизионность обеспечивает технологический прием (2111) как по НУ, так и П. По КШ для прижо-гов он практически совпадает с мерой рассеяния для приема (2111), в силу чего в табл. 6 оба приема объединены в одну группу. По КШ для микротвердости прием (1112) находится на второй позиции (табл. 6). Но если посмотреть на рис. 3, а, то все Утах, Уо,75, Уо,25 для этого приема смещены в области больших микротвердостей, которые ведут к повышению качества БП. При таком подходе к стабильности процесса шлифования с учетом КШ по прижогам прием (1112) имеет преимущества перед «лидером» (2111). Последнюю позицию по мерам рассеяния занял прием (1211) с поперечной подачей на ход. Приемы (1111) и (1121) могут разниться между собой на одну позицию.Оценки стабильности микротвердости и прижогов по вО и Н для наиболее эффективных приемов (2111) и (1112) полностью совпали с результатами
Анализируя представленный инновационный метод определения количества прижогов на шлифованной поверхности БП
непараметрической статистики по КШ (табл. 6). Описательные статистики по вО и Н (рис. 2, 3) по количеству более качественных БП отдали первое место приему (1112) с правкой АК природным алмазом, как было ранее отмечено по КШ (рис. 3). Наиболее неэффективный прием (1211) по стабильности прижогов замкнул последнюю позицию по вО и Н. По микротвердости этот прием поднялся на предпоследнюю позицию, оттеснив базовый вариант шлифования (1111).
В работе [6] отмечено, что при глубинном (однопроходном) шлифовании встречное шлифование обладает большей стабильностью по сравнению с попутным. Данное утверждение позволило переосмыслить приоритеты между рабочим и выхаживающим проходами при маятниковом шлифовании с вп на двойной ход -прием (1111) и (2111). В условиях эксперимента наибольшую стабильность показал прием (2111), который имеет место при схеме встречного шлифования на обратном проходе. Результат исследования позволил принять решение - окончательное формирование стабильности процесса протекает на обратном (выхаживающим) ходе.
с использованием цифровых технологий и программного комплекса ENVI, можно сделать следующие выводы:
1. Привлечение цифровых технологий для оценки прижогов позволило выявить физическую природу формирования микротвердости при шлифовании БП Р9М4К8 кругом Norton Vitrium -разупрочнение поверхности, сопровождаемое прижогами. Технологический прием, обеспечивающий повышение микротвердости БП Р9М4К8, является наиболее благоприятным с позиции стойкости сборных режущих инструментов.
2. Использование статистических методов позволило оценить эффективность технологических приемов не только по общепринятым мерам положения, но и мерам рассеяния, которые до сих пор не используются при проектировании шлифовальных операций.
3. Нарушение нормальности и особенно гомоскедастичности распределений
Библиогра
1. Rudometov Yu.I. Abrasive Tools Steeped in Special Suspensions // Russian Engineering Research. 2013. Vol. 33. № 6. P. 381-383.
2. Soler Ya.I., Van Canh N. Microhardness of HighSpeed Р12Ф3К10М4 Steel plates in pendulum grinding by the periphery of abrasive wheels // Russian Engineering Research. 2015. Vol. 35. № 10. P. 785-791.
3. Солер Я.И., Нгуен Ван Кань. Численное моделирование и прогнозирование режущих способностей абразивного инструмента при шлифовании с привлечением дискриминантного анализа // Вестник ИрГТУ. 2016. № 7 (114). С. 37-47.
4. Палей М.М., Дибнер Л.Г., Флид М.Д. Технология шлифования и заточки режущего инструмента. М.: Машиностроение, 1988. 288 с.
5. Кремень З.И., Юрьев В.Г., Бабошкин А.Ф. Технология шлифования в машиностроении. СПб.: Политехника, 2007. 424 с.
6. Носенко С.В., Носенко В.А., Лясин Д.Н., Креме-нецкий Л.Л. Взаимосвязь составляющих силы резания и мгновенной режущей способности при глубинном шлифовании титанового сплава с постоянной правкой абразивного инструмента // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2016. № 5 (674). С. 41-51.
7. Starkov V.K. Highly porous cubic boron nitride
обусловило целесообразность привлечения ранговых методов статистик, для которых мерами положения и рассеяния служат соответственно медианы и квартильные широты (КШ).
4. По ожидаемым медианам все технологические приемы, за исключением (1211) (шлифование с поперечной подачей на ход), признаны равноценными. По опытным медианам представляется целесообразным реализовать прием (2122): встречное врезание, поперечная подача в мм/дв.ход; работа без СОЖ; правка АК природным алмазом.
5. По стабильности формирования поверхности БП следует использовать приемы (2111), (1112), которые по трем признакам совпадают с предлагаемым приемом по опорным значениям.
кий список
wheels for dry grinding // Journal of superhard materials. 2013. Vol. 35. № 5. P. 56-62. DOI: 10.3103/S1063457613050055.
8. Лурье Г.Б. Прогрессивные методы круглого наружного шлифования. Л.: Машиностроение, Ле-нингр. отделение, 1984. 103 с.
9. Солер Я.И., Казимиров Д.Ю., Нгуен В.Л. Выбор абразивных кругов по прижогам закаленных деталей с использованием цифровых технологией // Вектор науки ТГУ. 2015. № 2 (32-2). С. 176-184.
10. Abrasive Technological Excellence. Norton Saint-Gobain, 2012. 569 p.
11. Горбачева Е.Н. Программный комплекс ENVI -профессиональное решение для комплексной обработки мультиспектральных, гиперспектральных и радарных данных // Геоматика. 2013. № 2. С. 50-55.
12. Hollander M., Wolfe D.A., Chicken E. Nonparamet-ric statistical methods. Third Edition. New York: John Wiley & Sons, 2014. 844 p.
13. Sachs L. Applied Statistics: A Handbook of Techniques. Second Edition. New York: Springer-Verlag, 1984. 707 p.
14. Wheeler D.J., Chambers D.S. Understanding statistical process control. Second Edition. Knoxville, TN: SPC Press, 1992. 428 p.
References
1. Rudometov Yu.I. Abrasive Tools Steeped in Special Suspensions. Russian Engineering Research. 2013, vol. 33, no. 6, pp. 381-383.
2. Soler Ya.I., Van Canh N. Microhardness of HighSpeed P1203K10M4 Steel plates in pendulum grinding by the periphery of abrasive wheels. Russian Engineer-
ing Research. 2015, vol. 35, no. 10, pp. 785-791. 3. Soler Ya.I., Nguen Van Kan'. Microhardness of HighSpeed R12F3K10M4 Steel plates in pendulum grinding by the periphery of abrasive wheels [Numerical simulation and prediction of abrasive tool cutting capacities under grinding with the use of discriminant analysis]
Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2016, no. 7, pp. 37-47. (In Russian) DOI: 10.21285/18143520-2016-34-47
4. Palej M.M., Dibner L.G., Flid M.D. Tehnologija shlifo-vanija i zatochki rezhushhego instrumenta [Technology of cutting tool grinding and sharpening]. Moscow, Mash-inostroenie Publ., 1988, 288 p. (In Russian)
5. Kremen' Z.I., Jur'ev V.G., Baboshkin A.F. Tehnologija shlifovanija v mashinostroenii [Grinding technology in mechanical engineering]. Saint Petersburg, Politehnika Publ., 2007, 424 p. (In Russian)
6. Nosenko S.V., Nosenko V.A., Ljasin D.N., Kre-menetskii L.L. Vzaimosvjaz' sostavljajushhih sily rezani-ja i mgnovennoj rezhushhej sposobnosti pri glubinnom shlifovanii titanovogo splava s postojannoj pravkoj abrazivnogo instrumenta [Relationship between the cutting force components and the instantaneous cutting capability under titanium alloy creep feed grinding with continuous dressing of an abrasive tool]. Izvestija vys-shih uchebnyh zavedenij. Mashinostroenie [Proceedings of higher educational institutions. Mechanical Engineering]. 2016, no. 5 (674), pp. 41-51. (In Russian)
7. Starkov V.K. Highly porous cubic boron nitride wheels for dry grinding. Journal of superhard materials. 2013, vol. 35, no. 5, pp. 56-62. DOI: 10.3103/S1063457613050055
8. Lur'e G.B. Progressivnye metody kruglogo
Критерии авторства
Солер Я.И., Нгуен Ван Кань, Казимиров Д.Ю. представили инновационный метод определения количества прижогов на шлифованной поверхности БП с использованием цифровых технологий и программного комплекса ENVI, провели обобщение и написали рукопись. Ответственность за плагиат несет Солер Я.И.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Статья поступила 19.07.2016 г.
naruzhnogo shlifovanija [Progressive methods of external cylindrical grinding]. Leningrad, Mashinostroenie, Leningrad otdelenie Publ., 1984, 103 p. (In Russian)
9. Soler Ya.I., Kazimirov D.Yu., Nguyen V.L. Vybor abrazivnykh krugov po prizhogam zakalennykh detalei s ispol'zovaniem tsifrovykh tekhnologiei [Selection of abrasive wheels based on hardened part burns using a digital technology]. Vektor nauki TGU [TGU Science Vector] 2015. No. 2 (32-2). P. 176-184.
10. Abrasive Technological Excellence. Norton Saint-Gobain, 2012, 569 p.
11. Gorbacheva E.N. Programmnyj kompleks ENVI -professional'noe reshenie dlja kompleksnoj obrabotki mul'tispektral'nyh, giperspektral'nyh i radarnyh dannyh [ENVI software - a professional solution for complex processing of multispectral, hyperspectral and radar data]. Geomatika [Geomatics]. 2013, no. 2, pp. 50-55. (in Russian)
12. Hollander M., Wolfe D.A., Chicken E. Nonparamet-ric statistical methods. Third Edition. New York, John Wiley & Sons, 2014, 844 p.
13. Sachs L. Applied Statistics. A Handbook of Techniques. Second Edition. New York, Springer-Verlag, 1984, 707 p.
14. Wheeler D.J., Chambers D.S. Understanding statistical process control. Second Edition. Knoxville, TN, SPC Press, 1992, 428 p.
Authorship criteria
Soler Ya. I., Nguyen Van Canh, Kazimirov D.Yu. presented an innovative method of determining the number of burns on the grinded surface of the high speed cutting plate using digital technologies and ENVI software package, summarized the material and wrote the manuscript. Soler Ya.I. bears the responsibility for avoiding plagiarism.
Conflict of interests
The authors declare that there is no conflict of interests regarding the publication of this article.
The article was received 19 July 2016
