МЕТОДИКА НАЗНАЧЕНИЯ РЕЖИМОВ ОБРАБОТКИ ПРИ СОВМЕЩЕНИИ ОПЕРАЦИЙ АБРАЗИВНОГО ШЛИФОВАНИЯ И ПОВЕРХНОСТНОЙ ЗАКАЛКИ ТВЧ Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

ТЕХНОЛОГИЯ УДК 621.785:621.923

МЕТОДИКА НАЗНАЧЕНИЯ РЕЖИМОВ ОБРАБОТКИ ПРИ СОВМЕЩЕНИИ ОПЕРАЦИЙ АБРАЗИВНОГО ШЛИФОВАНИЯ И ПОВЕРХНОСТНОЙ ЗАКАЛКИ ТВЧ*

В.В. ИВАНЦИВСКИЙ, канд. техн. наук, доцент, В.Ю. СКИБА, канд. техн. наук, доцент, В.Н. ПУШНИН, магистрант (НГТУ, г. Новосибирск)

Статья поступила 3 октября 2011 г.

Иванцивский В.В. - 630092, г. Новосибирск, пр. К.Маркса, 20, Новосибирский государственный технический университет, e-mail: wwi08@ngs.ru, skeeba_vadim@mail.ru

Рассмотрен метод интегрированной обработки деталей машин, совмещающий поверхностную закалку высокоэнергетическим нагревом токами высокой частоты (ВЭН ТВЧ) и абразивное шлифование. Предложена методика нормирования режимов обработки.

Ключевые слова: шлифование, поверхностная закалка, глубина упрочнения, остаточные напряжения, микротвердость, шероховатость, режимы обработки.

Объектом данных исследований является финишная стадия технологических процессов, содержащая операции поверхностной закалки на глубину до 1 мм и финишной механической обработки стальных жестких деталей. Для повышения эффективности этой стадии технологического процесса поверхностная закалка и абразивное шлифование выполняются на одном технологическом оборудовании [1].

В этом случае термомеханическая операция состоит из следующих переходов:

- первый переход - предварительное шлифование, необходимое для устранения погрешностей, возникших на предшествующей части технологического процесса и связанных с переустановкой детали и обеспечения постоянства зазора между деталью и индуктором;

- второй переход - поверхностная закалка ТВЧ на заданную глубину упрочнения;

- третий переход - чистовое шлифование и выхаживание.

Для эффективного использования нового технологического оборудования становится актуальной задача разработки новых методик назначения режимов для указанных методов обработки, рассматривающих данные операции технологического процесса не изолированно, а во взаимосвязи, и позволяющих гарантированно получать детали с заранее заданной точностью и физико-механическими свойствами их рабочих поверхностей.

Целью работы является разработка комплексной методики назначения режимов интегрированной обработки деталей машин, совмещающей абразивное шлифование и поверхностную закалку ТВЧ.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

- проведена оценка влияния каждого из объединяемых видов обработки на геометрические показатели точности и физико-механические свойства поверхностного слоя деталей машин;

* Работа выполнена при финансовой поддержке ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009 - 2013 годы», мероприятие 1.3.1. (проект П1189)

- выявлены зависимости глубины упрочнения от режимов обработки, закономерности распределения остаточных напряжений в поверхностном слое и определены величины коробления детали посредством моделирования тепловых полей, структурно-фазовых превращений и напряженно-деформированного состояния материала при закалке ТВЧ;

- установлены функциональные зависимости параметров волнистости и шероховатости поверхности от режимов предварительного и окончательного шлифования;

- установлены зависимости стойкости абразивного круга от режимов обработки.

В качестве материала для исследований выбраны углеродистые стали 45, 60 и У8. Для интеграции процессов механической и поверхностной термической обработки была произведена модернизация плоскошлифовального станка модели 3Г71, заключающаяся в оснащении станочной системы дополнительным концентрированным источником энергии, в качестве которого использован выносной закалочный контур, реализующий высокоэнергетический нагрев токами высокой частоты (ВЭН ТВЧ). В качестве источника энергии использовали генератор ВЧГ 6 -60/0,44. Исследования проводились в диапазоне режимов обработки: удельная мощность источника qи = (1,5.. ,4)108 Вт/м2, скорость перемещения детали V = (50.. .100) мм/с, размер источника Rи = 2 мм. Процесс нагрева осуществлялся по глубинной схеме (толщина упрочненного слоя не превышает глубины проникновения тока в горячий металл) непрерывно-последовательным способом.

Шлифование осуществлялось кругами из белого электрокорунда с различной зернистостью и твердостью связки (ГОСТ Р 52781-2007): 1 250x32x76 25^ F90 ^60, F46) K 6 (К 7, L 6, P 6) V 35 м/с 2 кл. - на следующих технологических режимах по схеме врезного шлифования: скорость круга V = 35 м/с, продольная подача V = 5.20 м/мин.

д

Для установления функциональных зависимостей параметров волнистости и шероховатости поверхности от режимов предварительного шлифования были проведены энергетические испытания плоскошлифовального станка модели 3Г71 с определением точностных параметров обрабатываемых деталей. На основании обра-

ботки результатов экспериментальных данных установлена зависимость эффективной мощности Ne от технологических режимов при обработке незакаленных сталей:

Ке (К., .) = 3.441К

0.985.0.834

Г ' 1

(1)

где V - продольная подача; t - глубина резания.

На основании данной зависимости была установлена граница начала формирования дефектов при шлифовании незакаленных сталей и предельная совокупность режимов резания, при которых наблюдается падение скорости резания. Следует отметить, что дефекты при шлифовании на жестких режимах незакаленных сталей проявлялись в виде прижогов, при этом нарушения сплошности материала зафиксировано не было.

Проведенная серия экспериментов, направленная на исследование влияния режимов абразивной однопроходной обработки на параметры шероховатости и волнистости поверхности, позволила получить следующие функциональные зависимости для параметра шероховатости поверхности Ra и для параметра волнистости поверхности Wz:

Яа (V,К) = 6,448К0,721.0,815К,

(2)

где K = М(Н, £) - коэффициент, характеризующий влияние твердости круга Н, выражаемый в численном виде по шкале Нортона, и зернистости абразива на шероховатость поверхности:

М (Н, Ъ) = а + ЬЪ + сН + й Ъ2 + еН2

/Н Ъ +

+g^3 + НН3 + ¡ЪН2

-л2 Н,

где а = 18,051613; Ь = -0,013940328; с = = -5,9080823; ё = 0,0001043142; е = 0,65311835; / = 0,00063960682; g = -1,6152134-10-7; И = = -0,022616428; / = -2,4449524-10-5; ] = = 1,958807-10-6.

^ )= а + ЬКд + с. + йКд2 + е.2 + /У^ +

+gVд3 + Ы3 + ¡Кд.2 + (3)

где а = 3,9630; Ь = 9,4628-10-8; с = -2,7380-10-6; ё = -1,0069-10-8; е = 872,6288; / = 9,5255-10-7; g = -3,3129-10-4; И = 3,9282-104; / = -9,2764-10-7; ] = -3,4392-10-8.

Для обеспечения заданной степени точности поверхности необходима многопроходная

обработка. Результаты экспериментов показали, что каждый последующий проход способствует уменьшению высоты волны в среднем на 2,7±0,4 мкм. Это происходит за счет наложения фазового сдвига колебаний абразивного круга относительно обрабатываемой детали.

В качестве основного параметра, характеризующего стойкость шлифовального круга, был выбран параметр удельного съема металла 0уд, мм3/мм, который определяется отношением объема снятого металла к величине высоты, снятой с круга за одну правку:

<2уд (V' t )=

(a + bV + ct + dt2 + ef) (1 + fV + gV2 + hV3 + it)'

(4)

где а, Ь, с, ё, е, /, g, к, I - коэффициенты, зависящие от марки круга. Например, для круга марки 1 250х32х76 25^ ^60 К 7 V 35 м/с 2 кл. ГОСТ Р 52781-2007: а = 368,1119; Ь = = -1,6736594; с = 9070,4658; ё = -380474,11; е = 2659270,4; / = -0,17019272; g = 0,010186962; к = -0,00020028775; / = -0,15588196.

Таким образом, полученные зависимости (1)-(4) позволяют назначать режимы предварительного шлифования исходя из обеспечения требуемой шероховатости и волнистости поверхности с учетом стойкости шлифовального круга.

На основании численного моделирования температурных полей и структурно-фазовых превращений, а также проведенных экспериментальных исследований поверхностной закалки ВЭН ТВЧ получена функциональная зависимость глубины упрочнения от технологических режимов обработки [2,3]:

h (qu,Vu )= a + bVu + cqu + dVn + eqn + fVq +gVu3 + hqj + iVu qH2 + jV^q^,

(5)

где а, Ь,..., ] - коэффициенты, характеризующие марку стали, например, для стали У8: а = = 1,122425, Ь = -25,210979, с = 3,673506-10-9, ё=281,263627, е=8,690586-10-18, /= -8,175952-10-8, g = -1471,413565, к = 1,428863-10-27, / = = -9,270236-10-17, ] = 6,005372-10-7.

Однако рассчитанные режимы поверхностной закалки по зависимости (5) не гарантируют формирования упрочненного слоя без наличия закалочных трещин. Следовательно, при назначении соответствующих режимов об-

работки крайне важно учитывать величину и характер распределения остаточных напряжений по глубине закаленного слоя. Моделирование напряженно-деформированного состояния материала осуществлялось с использованием конечно-элементного комплекса ANSYS 9.0 [3].

В связи с тем что основной технологической характеристикой при поверхностной закалке является глубина упрочнения, воздействовать на величину и характер распределения остаточных напряжений возможно лишь путем изменения величины переходной зоны [4].

Учитывая тот факт, что очагом разрушения детали в процессе эксплуатации является место расположения максимальных растягивающих напряжений о , необходимо переместить

г р max' " г

опасную зону как можно глубже от поверхности изделия. Естественно, глубина залегания о

р max

будет наибольшей в том случае, если величина переходного слоя окажется максимальной. Но в этом случае наблюдается значительное снижение сжимающих напряжений о на поверх-

^ г c max г

ности. Анализ результатов экспериментальных и теоретических исследований показал, что величина переходного слоя должна составлять 25... 33 % от глубины упрочненного слоя, что хорошо согласуется с данными, представленными в работе [5]. При выполнении этого требования получается определенный баланс, при том что значения максимальных растягивающих напряжений смещаются в более глубокие слои материала и величина сжимающих напряжений на поверхности в среднем уменьшается не более чем на 4.6 %. При этом большие значения величины переходной зоны необходимо обеспечивать при закале сталей с большим содержанием углерода.

В результате обработки результатов исследований получена соответствующая функциональная зависимость соотношения величины переходного слоя к общей глубине упрочнения от режимов закалки:

^,qH) = a - bV3 - cqU ,

(6)

где 0,25 < < 0,33; а, Ь, с - коэффициен-

ты, характеризующие марку стали, например, для стали У8 а = 0,799; Ь = 371,487; с = 2,1496-10-26.

Таким образом, режимы закалки, полученные из решения системы уравнений (5) и (6),

гарантируют необходимую глубину упрочнения и рациональную величину переходной зоны, что устраняет вероятность возникновения закалочных микротрещин [6].

В условиях предлагаемой интегрированной обработки финишное шлифование подразумевает съем припуска, возникшего на предшествующем переходе за счет объемного расширения упрочненного слоя (не более 0,015 мм). Наличие минимального припуска гарантирует исключение отрицательного влияния температурных полей в зоне обработки на структуру упрочненного слоя. Завершающей стадией обработки является выхаживание, в процессе которого резания практически не происходит, а преобладает пластическое деформирование материала, что в итоге сказывается на повышении поверхностной микротвердости [7].

Выхаживание осуществлялось на следующих режимах: скорость круга V = 35 м/с, продольная подача V = 20 м/мин, поперечная подача £п = = 0,2 мм/дв.ход. Проведенные экспериментальные исследования позволили установить зависимость повышения микротвердости поверхностного слоя от времени обработки:

^ГЧтвьж) = С^Г + к) - k - ехр(-«тБЫХ), (7)

где Н^ и ^20™

^ (тбых)=1 + (^Исх -l)e

ИСХ -1)e("XБЫх/í)

(8)

где W;ИСХ - исходное значение волнистости поверхности; твых - время выхаживания; I и р - параметры, зависящие от начальной волнистости поверхности, исходной микротвердости НУ^С1

материала и условий обработки. Для указанных марок сталей параметры I и р могут быть найдены из следующих зависимостей:

1 = 0,52 + 0,05Ж#Сх2,

-8 ог^исх2

p = 13,0821 - 6,098 -10-8 - ШИХ2 + 0,5524^^^^^; для шероховатости поверхности

Яa (твых) = Яai

Яаисх - Яa„•

11т

11т

(1 + Хтвых )

(9)

г, исх

где Ка - исходное значение шероховатости поверхности; твых - время выхаживания; КаИш - значение шероховатости, которого можно достичь при указанных параметрах процесса обработки; X - параметр, зависящий от начальной шерохо-

исх

ватости поверхности Ка , исходной микротвердости НУ2оСХ материала и марки круга. Для указанных марок сталей КаИш и х определяются из следующих зависимостей:

значение микротвердости

Яa1im = 0,117

Ъ

0,371

Яa

исх0,839

на поверхности соответственно исходное и после выхаживания; твых - время выхаживания; к и п - коэффициенты, свойственные данной марке стали (например, для стали У8: к = 1530, п = = 0,031). При этом следует отметить, что возрастание поверхностной твердости приводит и к увеличению уровня сжимающих напряжений в поверхностном слое материала.

В процессе выхаживания исследовалось не только изменение физико-механического состояния поверхностного слоя, но и изменение геометрии поверхности детали. Статистическая обработка экспериментальных данных показала, что

зависимости W z (тБЫХ) и Яа (тБЫХ) можно описать следующими математическими выражениями:

для волнистости поверхности

Н0,623 Ну2Исх0,546

-3 Н1,371 HV20

Х = 0,926 -10

исх1,258

Ъ

1,523

Яa

исх1,475

где Н - твердость круга; Ъ - зернистость круга.

Анализ данных зависимостей позволил определить рациональное время выхаживания твых = = 20.30 с, при котором наблюдается резкое уменьшение интенсивности падения шероховатости и волнистости поверхности.

Таким образом, процесс выхаживания, следующий непосредственно после поверхностной закалки (без переустановки детали), позволяет не только значительно снизить уровень волнистости и шероховатости поверхностного слоя, но и повысить уровень микротвердости и величину сжимающих остаточных напряжений на поверхности.

Рис. 1. Определение области режимов обработки стали У 8 при закалке ВЭН ТВЧ на глубину к = 0,524 мм

На основе результатов проведенных исследований была разработана комплексная методика назначения технологических режимов для предлагаемой интегрированной обработки.

Алгоритм использования данной методики рассмотрим на примере обработки призматической детали из стали У 8.

Пусть необходимо изготовить деталь, технологические требования к которой следующие: окончательный размер на толщину 10 мм должен быть выдержан в пределах 5-го квалитета, шероховатость поверхности Raтр = 0,2.0,4 мкм, волнистость поверхности Wz < 2 мкм, глубина закалки Н = 0,5.0,8 мм, твердость поверхностного слоя HRC 64.66. Руководствуясь известными методиками расчета линейных операционных размеров, определяем размер предварительной обработки, минимально необходимое значение технологической глубины упрочнения и припуск на окончательную обработку z. В условиях предлагаемой интегрированной обработки первый переход - предварительное шлифование -обеспечивает постоянный зазор порядка 0,1 мм между индуктором и упрочняемой поверхностью, что приводит к появлению минимальной деформации. Припуск на окончательное шлифование равен z = 0,013 мм, при этом глубина закаленного слоя должна составлять Н = 0,524 мм (рис. 1). Исходя из заданной шероховатости и обеспечения более высокой стойкости обработка осуществляется кругом 1 250*32*76 25А ^60 K 7 V 35 м/с 2 кл.

Согласно уравнению (5) получаем функциональную зависимость технологических режимов qи (Уд) (рис. 1). Любые сочетания режимов (Уд, qи), отвечающие данным зависимостям, позволяют при соответствующих условиях охлаждения обеспечить заданную глубину упрочнения. Пересечение функциональных зависимостей ¥(Уд^и) = 0,25 и ¥(Уд^и) = 0,33 с кривой к = 0,524 мм существенно сужает диапазон возможных сочетаний скорости и удельной мощности источника нагрева (на рисунке данный диапазон ограничен точками А и В). В данном случае полученные режимы обработки гарантируют реализацию необходимой глу -бины закалки и рациональную величину переходной зоны.

Зная из эксперимента значение поверхностной микротвердости детали НУИСХ, которое достигается при использовании конкретной марки стали при соответствующих режимах поверхностной закалки, по зависимости (7) определяем необходимое время выхаживания для достижения заданной твердости (рис. 2). Далее, исходя из полученного значения времени выхаживания, по зависимостям (8) и (9) с учетом требуемых значений Raтр и Wzтр рассчитываются предельно допустимые значения шероховатости ^адоп = = 1,279 мкм) и волнистости (Wzдоп = 4,26 мкм) поверхности после перехода «предварительное шлифование».

Рис. 2. Зависимость шероховатости, волнистости и микротвердости поверхности от времени выхаживания

а б

Рис. 3. Определение режимов обработки предварительного шлифования:

а - определение необходимого количества проходов; б - определение области возможных режимов

обработки при черновом шлифовании

На рис. 3, б представлена область возможных режимов предварительного шлифования, на которой изображены линии равной шероховатости и волнистости, полученные по зависимостям (2) и (3), а также стойкости абразивного круга, построенные по зависимости (4). Здесь же изображены кривая 1, характеризующая границу начала формирования дефектов при шлифовании незакаленных сталей, и кривая 2, регламентирующая совокупность режимов резания, при которых наблюдается падение скорости резания.

При выборе режимов предварительного шлифования незакаленной стали необходимо обеспечить большую стойкость абразивного инструмента даже в ущерб производительности обработки. Такому условию соответствуют режимы, обозначенные на рисунке точкой С, пересечение кривой равной шероховатости (Яа= 1,279 мкм) с кривой равной стойкости абразивного круга (0уд = 6000 мм /мм). При этом видно, что при данных режимах обработки значения волнистости будут явно ниже допустимых = 4,26 мкм).

4 доп ' '

В соответствии с полученной глубиной резания по графику ^(^пр) (рис. 3, а) определяется требуемое количество проходов Ыпр> на переходе предварительного шлифования (#пр = 5).

Таким образом, предложенная методика назначения режимов обработки при совмещении закалки высокоэнергетическим нагревом токами высокой частоты и абразивного шлифования на одном технологическом оборудовании позволяет комплексно подходить к обеспечению качества поверхностного слоя, т.е. совместно учитывать физико-механическое состояние, микро- и ма-крогеометрические параметры, которые должны быть достигнуты на завершающей стадии обработки деталей.

Список литературы

1. Иванцивский В.В. Технологическое обеспечение качества поверхностного слоя деталей машин при интеграции поверхностной термической и финишной механической обработки / В.В. Иванцивский, Х.М. Рахимянов // Упрочняющие технологии и покрытия. - 2005. - № 6. - С. 43 - 46.

2. Иванцивский В. В Назначение режимов закалки с использованием концентрированных источников нагрева / В.В. Иванцивский, В.Ю. Скиба, Н.П. Степанова // Обработка металлов - 2005. -№ 3 (28). - С.22 - 24.

3. Иванцивский В.В. Связь параметров термических циклов, реализуемых в поверхностных слоях деталей машин, с глубиной упрочнения при воздействии объемных концентрированных источников

нагрева / В.В. Иванцивский, В.А. Батаев // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. -2004. - № 10. - С. 30-34.

4. Скиба В.Ю. Обеспечение требуемого характера распределения остаточных напряжений при упрочнении высокоэнергетическим нагревом токами высокой частоты / В.Ю. Скиба // Обработка металлов - 2007. - № 2 (35). - С. 25-27.

5. Головин Г.Ф. Высокочастотная термическая обработка: Вопросы металловедения и технологии / Г.Ф. Головин, М.М. Замятнин. - Л.: Машиностроение, 1990. - 239 с.

6. Иванцивский В.В. Методика назначения режимов обработки, обеспечивающих рациональное распределение остаточных напряжений при поверхностной закалке ВЭН ТВЧ / В.В. Иванцивский,

B.Ю. Скиба, Н.П. Зуб // Научный вестник НГТУ. -2008. - № 3 (32). - С. 83-94.

7. Иванцивский В. В. Повышение поверхностной микротвердости стали при интеграции поверхностно-термической и финишной механической обработок / В.В. Иванцивский, В.Ю. Скиба // Научный вестник НГТУ. - 2006. - № 3(24). -

C. 187-192.

Methods of appointment processing conditions when combining the operations of abrasive grinding

and surface induction hardening

V.V. Ivancivsky, V.Yu. Skeeba, V.N. Pushnin

In article the new method of integrated processing combining training by high-energy heating by currents of high frequency (HEH CHF) and abrasive grinding is considered. The technique of rationing of processing conditions is offered.

Key words: grinding, surface hardening, hardening depth, residual stress, microhardness, roughness, processing conditions.