CC BY
0
ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ РЕЗАНИЕМ
УДК 621.923
Экспериментальное изучение показателей шлифования труднообрабатываемых материалов
А. Б. Переладов
Описаны исследования процесса шлифования труднообрабатываемых материалов (инструментальных сталей) абразивным инструментом с различными характеристиками. Цель исследований — проведение физического эксперимента для оценки работоспособности спроектированного шлифовального инструмента из абразивного зерна 25А на органической (бакелитовой) связке, установление влияния режимов шлифования и характеристик инструмента на выходные показатели процесса и качество обработки. Исследования проводились в рамках комплексных испытаний для совершенствования модельных представлений и методик численного расчета операций шлифования, разработки средств автоматизированного проектирования инструмента и технологий его применения.
Ключевые слова: шлифование, труднообрабатываемые материалы, органическая связка, оценка работоспособности.
Введение
Сегодня на металлообрабатывающих предприятиях как никогда востребованы средства автоматизированного проектирования технологического оснащения операций обработки заготовок. К финишным операциям, в том числе и к шлифованию, предъявляются особенно высокие требования, но эффективность проектирования при этом оставляет желать лучшего. Главным образом это актуально при создании новых технологических процессов шлифования сложнолегированных инструментальных сталей, отличающихся пониженной обрабатываемостью [1—7].
Известные расчетные зависимости и разработанные рекомендации по их использованию обычно не учитывают изменения и влияния многих значимых факторов (а всего их описано и исследовано более 200), что предполагает проведение дополнительных локальных исследований показателей процесса шлифования в конкретных условиях. Полная реализация возможностей процесса шлифования, заложенных в структуру инструмента, элементы режима обработки, существенно огра-
ничивается рядом специфичных явлений и физических эффектов, связанных с характеристиками применяемого инструмента, свойствами обрабатываемых материалов, параметрами взаимодействия шлифовального круга и заготовки.
Шлифование легированных инструментальных сталей на производстве осуществляется в основном инструментом из белого электрокорунда на керамической связке с применением различных СОТС. Процесс обработки характеризуется сравнительно невысокой производительностью и большим расходом инструмента из-за его низкой стойкости, необходимости частых правок его рабочей поверхности и опасности возникновения прижо-гов на шлифованной поверхности заготовки [2, 3, 5, 6].
1. Цель и условия проведения
лабораторных исследований
Для изучения возможности повышения эффективности шлифовальных операций в инструментальном производстве был раз-
Е ТАЛ Л О ОБ РАБО Т Kj
работан и исследован малоизученный, редко применяемый абразивный инструмент из белого электрокорунда 25А на бакелитовой связке. Основная идея исследований заключалась в разработке и проверке работоспособности шлифовальных кругов, не склонных к засаливанию (работающих в режиме самозатачивания), благодаря чему предполагалось повысить качество шлифованной поверхности, стойкость инструмента и, как следствие, снизить его расход. Эффект самозатачивания обеспечивается деструкцией органической связки, удерживающей абразивные зерна, под действием высокой температуры в зоне шлифования (при температуре 400 °С и более), которая может достигать более 1000 °С. В результате этого происходит постепенное удаление с рабочей поверхности инструмента наиболее затупленных режущих зерен.
Предпосылкой к проведению описанных исследований стал уже имеющийся опыт применения аналогичных кругов на ГЗ «Ижмаш» при получении стружечных канавок в концевом лезвийном режущем инструменте (сверла, развертки, фрезы, метчики) из закаленных быстрорежущих сталей. В результате был заменен ранее применяемый на таких операциях инструмент фирмы TyroHt (Италия). При этом был достигнут значительный вторичный эффект — увеличение стойкости обработанного лезвийного инструмента при выполнении операций в среднем на 35 %.
Таким образом, была сформулирована цель лабораторных испытаний — определение влияния на показатели процесса шлифования ранее не изученной комбинации факторов — характеристик структуры абразивного инструмента и элементов режима шлифования при обработке конкретных материалов.
Лабораторные испытания образцов абразивного инструмента, определение связей характеристик инструмента и элементов режима шлифования с выходными показателями процесса обработки осуществлялись в следующих условиях.
Основные этапы научного исследования:
• разработка методики исследования;
• определение области исследования и планирование эксперимента;
• разработка рецептур и изготовление инструмента;
• проведение физического эксперимента;
• обработка, анализ и представление полученных результатов.
Выбранная методика исследований предполагала проведение физического эксперимента, регистрацию и обработку полученных значений измеряемых параметров. Область исследований ограничивалась выбранными марками шлифуемых материалов, режимами шлифования и пределами изменения статических характеристик инструментов, с учетом которых и было осуществлено планирование экспериментов.
С использованием специальной технологической оснастки и прессового оборудования были изготовлены образцы шлифовальных кругов из электрокорундовых шлифовальных материалов на органической связке. В лабораторных условиях образцы испытывались путем шлифования подготовленных заготовок из сложнолегированных сталей. Выходные параметры регистрировались с использованием измерительных приборов и регистрирующей аппаратуры.
Испытания инструмента осуществлялись на универсально-заточном станке 3Д642 с гидро-фицированной продольной подачей рабочего стола. Обрабатываемый материал — образцы из закаленных сталей Р6М5, ХВГ (61, 62 HRC). Регистрирующее и измерительное оборудование: 3-компонентный динамометр УДМ-100 (измерение сил резания), полуискусственная и искусственная термопары (измерение температуры на поверхности шлифуемых образцов), профилограф-профилометр MarSurf PS1 (измерение рельефа шлифованной поверхности). Количество сошлифованного материала и износ инструмента контролировались с использованием весового метода (электронные лабораторные весы Kern EMB 2000) и измерением линейных размеров образцов микрометрами часового типа (цена деления 1 мкм). Постоянная скорость резания (вращение инструмента) обеспечивалась регулируемым приводом электродвигателя главного движения шлифовального станка Omron.
В целях совершенствования разрабатываемых в Курганском государственном университете на кафедре автоматизации производственных процессов компьютерных моделей взаимодействия абразивного ин-
струмента с заготовкой исследовалась топология микропрофиля рабочей поверхности абразивного инструмента с использованием 3Б-профилографа-профилометра Уееео КТ 1100.
2. Испытания кругов из керамических шлифовальных материалов на органической связке
Испытания кругов из керамических шлифовальных материалов проводились в следующем порядке. Образец изготовленного абразивного инструмента устанавливали на шпиндель станка. Рабочую поверхность круга вскрывали правящим инструментом (алмазный карандаш: исполнение С, тип 02 39080084, ГОСТ 607-80), затем установленный в динамометре образец стали обрабатывали периферией круга с назначенными режимами по схеме плоского шлифования с поперечной подачей. Силы шлифования и температуру шлифуемой поверхности замеряли после достижении стабильных показателей процесса обработки. После окончания обработки определяли объемный износ каждого круга и со-шлифованный объем стального образца.
С использованием профилографа-профи-лометра определяли шероховатость шлифованной поверхности образцов Яа. Наличие прижогов фиксировали визуально, а их ин-
тенсивность определяли путем программной обработки оцифрованных изображений, полученных на металлографическом микроскопе «Альтами МЕТ 1М». В целях первоначальной оценки всего комплекса исследуемого факторного пространства был осуществлен эксперимент для оценки работоспособности инструмента для трех твердостей и трех зернистостей при обработке закаленной стали Р6М5. Всего было испытано 36 кругов (по 4 круга каждой характеристики). Типоразмер изготовленного инструмента — 1 150 X 20 X 32. Полученные усредненные экспериментальные данные приведены в табл. 1.
Были проведены также испытания опытных ШК по стали ХВГ с использованием упрощенной матрицы плана эксперимента (четыре точки в вершинах плана 22) в соответствии с разработанным по методике Ю. П. Адлера [8]. Испытания позволили определить влияние физико-механических характеристик обрабатываемого материала на полученные результаты (табл. 2). В качестве изменяемых факторов приняты параметры £ и £пр. Результаты испытаний с изменением режимов обработки приведены в табл. 3 и 4.
Таким образом, в результате экспериментальных исследований были получены необходимые сведения о закономерностях изменения показателей процесса обработки и результатов шлифования в изучаемой области факторного пространства.
Таблица 1
Характеристики инструмента (ШК) и полученные результаты (сталь Р6М5, режимы: ^р = 30 м/с, = 3 мм/ход, 5пр = 10 м/мин, t = 0,02 мм)
Номер точки Зернистость ШК (ГОСТ Р 52381) Твердость ШК (ГОСТ Р 52587) Сила шлифования РУ Н Сила шлифования Рг. Н Температура образца стали Т, °С Шероховатость Ва, мкм Q, мм3 (ме)/мм3 (ШК) Прижоги на шлифованной поверхности
1 Е90 1 90 48 207 0,60 56,3 Есть
2 к 119 58 235 0,55 63,1 Есть
3 т 140 86 285 0,56 72,4 Есть
4 Е60 1 79 40 183 0,77 50,7 Нет
5 к 101 64 209 0,71 55,0 Есть
6 т 128 80 247 0,70 61,9 Есть
7 Е40 1 74 34 168 1,22 40,8 Нет
8 к 80 50 175 1,12 51,5 Нет
9 т 113 75 221 1,18 54,6 Есть
ШШШМБОТКА
Таблица 2
Характеристики инструмента (ШК) и полученные результаты (сталь ХВГ, режимы: ^р = 30 м/с, = 3 мм/ход, 5пр = 10 м/мин, t = 0,02 мм)
Номер точки Зернистость ШК Твердость ШК Сила шлифования Ру, Н Сила шлифования Рг, Н Температура образца стали Т, °С Шероховатость Ва, мкм Q, ммЭ (ме)/ммЭ (ШК) Прижоги на шлифованной поверхности
1 Е90 1 81 42 187 0,69 61,9 Нет
2 т 125 79 255 0,61 81,2 Есть
Э Е40 1 67 Э1 146 1,22 47,1 Нет
4 т 102 70 211 1,11 59,0 Есть
Таблица 3 Характеристики инструмента и полученные результаты (сталь P6M5, режимы: ^р = 30 м/с, 5п = 3 мм/ход, 5пр = 10 м/мин, t = 0,03 мм)
Номер точки Зернистость ШК Твердость ШК Сила шлифования Ру, Н Сила шлифования Рг, Н Температура образца стали Т, °С Шероховатость Ва, мкм Q, ммЭ (ме)/ммЭ (ШК) Прижоги на шлифованной поверхности
1 Е90 1 108/80 56/4Э 227/191 0,71/0,65 48,1/59,8 Есть/нет
2 т 159/1ЭЭ 98/66 Э05/265 0,65/0,59 65,4/82,9 Есть/нет
Э Е40 1 81/6Э 44/Э1 177/159 1,19/1,15 ЭЭ,2/4Э,0 Нет/нет
4 т 127/98 88/61 242/211 1,15/1,08 49,9/66,5 Есть/нет
Таблица 4 Характеристики инструмента и полученные результаты (сталь P6M5, режимы: ^р = 30 м/с, 5п = 3 мм/ход, 5пр = 15,5 м/мин, t = 0,02 мм)
Номер точки Зернистость ШК Твердость ШК Сила шлифования Ру, Н Сила шлифования Рг, Н Температура образца стали Т, °С Шероховатость Ва, мкм Q, ммЭ (ме)/ммЭ (ШК) Прижоги на шлифованной поверхности
1 Е90 1 119/79 68/Э8 211/20Э 0,88/0,51 41,1/59,9 Есть/нет
2 т 161/97 99/76 266/255 0, 79/0,4Э 44,6/87,1 Есть/нет
Э Е40 1 101/6Э 58/Э1 188/176 1,42/1,0Э 27,5/42,Э Нет/нет
4 т 1Э0/71 86/62 2Э2/201 1,Э1/0,92 4Э,8/58,6 Есть/нет
3. Исследование микрогеометрии
рабочей поверхности инструмента
В рамках запланированных научных исследований в целях уточнения параметров строения рельефа рабочей поверхности приработанного шлифовального круга был использован ЭБ-оптический профилометр Уееео ЫТ 1100 производства США (рис. 1). Профилометр предоставило ООО «Предприятие „Сенсор"» (г. Курган). Основные характеристики измерений Уееео ЫТ 1100:
• вертикальная сканирующая интерферометрия: ^-диапазон — Э нм - 1 мм;
• фазовая интерферометрия: ^-диапазон — 1-160 нм;
• увеличение: 1,25-100 X;
• разрешение матрицы — 80 нм - 8 мкм;
• поле зрения — 50 мкм - 5 мм;
• максимальные размеры образцов — 40 X 50 мм.
Рис. 1. Профилометр Уееео ЫТ 1100 с установленным на рабочем столе образцом ШК
Для исследований из ШК вырезали образец — участок цилиндрической рабочей поверхности, который помещали на рабочем столе профилометра (рис. 1) и подвергали сканированию с установленными параметрами.
Возможности профилометра и его программного обеспечения позволили получать 3-мерное цветное (шкала: координата — цвет) изображение рельефа сканируемой поверхно-
сти, строить графики, определять значения геометрических и статистических параметров. На рис. 2 и 3 представлены сканированный рабочий слой инструмента с характеристиками 25А Е60 К 6 В и его параметры.
Для устранения шумовых погрешностей, получаемых при сканировании, сечения профилей предварительно подвергались процедуре аппроксимации и затем размещались в биб-
в) мм 0,10
0,05
0
-0,05
Рис. 2. Сечения сканированной поверх- _0 10 ности (а) и соответствующие профили сечений по осям X, У (б, в) рабочей поверхности шлифовального круга 0 юо 200 300 400 500 мкм
У
2500
2000 -
я1500 л о
1000
500
-0,20
-0,15
-0,10 -0,05 0 0,05
Высота вершин зерен, мм
0,10
0,15
0,20
Рис. 3. Характеристики распределения высот вершин абразивных зерен в рабочем слое шлифовального круга. Высота микронеровностей отклонения профиля по 10 точкам Яг = 352,35 мкм; среднее арифметическое отклонение профиля Яа = 53,35 мкм; среднее квадратическое отклонение Я„ = 63,92 мкм; полная высота профиля Я£ = 377,85 мкм
0
Е ТАЛ Л О ОБ РАБО Т Kj
Рис. 4. Примеры изображений аппроксимированных сечений профилей вершин режущих зерен
лиотеке файлов базы данных моделирующей программы (рис. 4).
Полученные модели профилей вершин режущих зерен использовались в дальнейшем при компьютерном моделировании рабочего слоя инструмента. Технология и процедура моделирования описана в статье [9]. Моделирование осуществлялось в программной среде конструкторской САПР T-Flex CAD 12 (номер ключа 1A4FA6A7). Модели вершин зерен вставлялись как отдельные фрагменты, а сама модель рабочего слоя являлась файлом eD-сборки. Вершины зерен в объеме модели располагались в соответствии с координатами, полученными с помощью генератора псевдослучайных чисел из библиотеки Net Framework 3.5. При создании компьютерной модели рабочего слоя инструмента учитывались: общее количество вершин зерен (плотность расположения), зернистость, доля объемного содержания материала зерен в единичном объеме круга (номер структуры), степень твердости круга, размеры моделируемого рабочего слоя (длина, ширина, высота), форма профилей вершин зерен.
Данные профилографирования поверхности инструмента позволят в значительной степени усовершенствовать модельные представления о строении рабочего слоя экспериментальных шлифовальных кругов и повысить адекватность получаемых математических зависимостей.
Заключение
Результаты исследования позволяют сделать следующие выводы:
1) установлена зависимость показателей и результатов шлифования от режимов обработки и характеристик применяемого инструмента для исследованной области факторного пространства эксперимента;
2) исследованные рецептуры кругов показали удовлетворительные показатели работоспособности (стойкость, работа в режиме самозатачивания, несклонность к прижогам) по сравнению с аналогичными кругами на керамической связке, что позволило сделать вывод о возможности их эффективного применения на производстве;
3) исследованные рецептуры кругов показали меньшее количество правок и меньший удельный расход в процессе работы на 20-25 % по сравнению с аналогичными кругами на керамической связке, что можно объяснить работой инструмента в режиме самозатачивания;
4) проведенное исследование топографии приработанной рабочей поверхности шлифовального круга позволит уточнить основные параметры образующих ее элементов (профилей вершин режущих зерен, их распределение по высоте рабочего слоя ШК) и скорректировать работу созданной вероятностной имитационной компьютерной модели микровзаимодействия вершин абразивных зерен шлифовального инструмента с заготовкой;
5) полученные данные позволят более эффективно осуществлять оптимизацию процесса шлифования, что даст значительную экономию временных и материальных ресурсов предприятия.
Результаты исследований будут использованы на практике: в разрабатываемых методиках проектирования операций шлифования, шлифовального инструмента с оптимальными характеристиками, импортозамещении инструмента путем подбора и проектирования шлифовальных кругов с оптимальными характеристиками, изготовленных из российских материалов, при внедрении результатов исследований в виде средств программного управления оборудованием и автоматизированного проектирования операций обработки, в математическом ядре САПР «Шлифдизайн»,
создаваемой по контракту с Фондом содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (Фонд содействия инновациям), программе для автоматизированных расчетов путем добавления новых и корректировки коэффициентов ранее полученных математических моделей [10].
Исследования выполнялись на средства гранта Правительства Курганской области, при поддержке Технопарка Курганского госуниверситета, ООО «Предприятие «Сенсор», ООО «Шлифдизайн», ООО «Базис Инструмент» (г. Курган), ООО «МКЦ - Абразив» (г. Екатеринбург).
Литература
1. Переладов А. Б., Кожевников И. В., Камкин И. П.
Автоматизация проектирования операций шлифования и подготовки производства абразивного инструмента // Технология машиностроения. 2014. № 7 (145). С. 51-55.
2. Маслов E. ^ Теория шлифования. М.: Машиностроение, 1974. 319 с.
3. Корчак С. Н. Производительность процесса шлифования стальных деталей. М.: Машиностроение, 1974. 280 с.
4. Байкалов А. К. Введение в теорию шлифования. Киев: Наук. думка, 1978. 207 с.
5. Старков В. К. Шлифование высокопористыми кругами. М.: Машиностроение, 2007. 688 с.
6. Зубарев Ю. М., Приемышев А. В. Теория и практика повышения эффективности шлифования материалов: учеб. пособ. СПб.: Лань, 2010. 304 с.
7. Переладов А. Б., Камкин И. П. САПР «Шлиф-дизайн». Эл. адрес: http://shlif.jaguarsoft.ru
8. Адлер Ю. П., Маркова Е. В., Грановский Ю. В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. М.: Наука, 1976. 280 с.
9. Переладов А. Б., Камкин И. П. Статистико-вероят-ностная модель процесса шлифования // Изв. Волгоград. гос. техн. ун-та. 2014. Т. 12, № 21 (148). С. 40-43.
10. Переладов А. Б., Камкин И. П. Компьютерные технологии в области производства и потребления абразивного инструмента // Изв. Волгоград. гос. техн. ун-та. 2014. Т. 12, № 21 (148). С. 35-40.
Уважаемые коллеги!
Открыта постоянная редакционная подписка на научно-производственный журнал «МЕТАЛЛООБРАБОТКА». Журнал учрежден и издается АО «Издательство «Политехника» с 2001 г.
Тематика: обработка материалов резанием, давлением, электрофизические и электрохимические методы обработки; новые технологии и материалы.
Тираж 1500 экз., объем от 60 с., периодичность — 6 номеров в год, стоимость одного номера — 700 руб. Постоянным подписчикам 10%-ная скидка. С 2003 г. журнал включен в Перечень ВАК.
Приглашаем к сотрудничеству авторов: научные статьи, одобренные редколлегией, редактируются и печатаются бесплатно.
Для рекламодателей по запросу высылаем расценки.
Подписные индексы: по каталогу «Роспечать» — № 14250.
