CC BY
27
ш
https://doi.org/10.38013/2542-0542-2021-3-98-106 УДК 621.922.3
Обработка шлифованием высоколегированных коррозионно-стойких сталей на примере 12Х18Н10Т
А. М. Романенко1, Д. Б. Шатько1, А. А. Непогожев2,3, Я. С. Караваев3
1 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева», Кемерово, Российская Федерация
2 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный технологический университет «<СТАНКИН», Москва, Российская Федерация
3 Акционерное общество «Московский машиностроительный завод «АВАНГАРД», Москва, Российская Федерация
Работа направлена на исследование процесса обработки высоколегированных коррозионно-стойких сталей методом бесцентрового круглого шлифования. Физико-механические свойства данных сталей обуславливают определенные трудности при их шлифовании в сравнении с другими материалами, что вызывает необходимость подробного изучения этого вопроса. В статье представлены экспериментальные данные зависимости шероховатости и твердости обрабатываемой поверхности, а также средней температуры поверхности заготовки и микротвердости от режимов обработки и характеристик шлифовальных кругов.
Ключевые слова: коррозионно-стойкая сталь, характеристика шлифовального круга, бесцентровое круглое шлифование, шероховатость поверхности, твердость, температура поверхности, микротвердость
Для цитирования: Романенко А. М., Шатько Д. Б., Непогожев А. А., Караваев Я. С. Обработка шлифованием высоколегированных коррозионно-стойких сталей на примере 12Х18Н10Т // Вестник Концерна ВКО «Алмаз - Антей». 2021. № 3. С. 98-106. https://doi.org/10.38013/2542-0542-2021-3-98-106
For citation: Romanenko A. M., Shatko D. B., Nepogozhev A. A., Karavaev Ya. S. Abrasive machining of high-alloy corrosion resistant steels by example of 12Kh18N10T // Vestnik Koncerna VKO "Almaz - Antey". 2021. No. 3. P. 98-106. https://doi.org/10.38013/2542-0542-2021-3-98-106
Я Поступила 31.05.2021 Отрецензирована 11.06.2021 Одобрена 25.08.2021 Опубликована 20.10.2021
Плохая шлифуемость высоколегированных сталей объясняется следующими особенностями характеристик материала:
1. Высокая пластичность.
2. Низкая теплопроводность.
3. Сохранение твердости и прочности при высоких температурах.
4. Низкая виброустойчивость при обработке ввиду нестабильности процесса пластической деформации.
На процесс абразивной обработки оказывает влияние очень большое количество факторов, среди которых - способ шлифования, применяемое оборудование, режимы
и СМ
О.
ф
■ci-io см
< I
(0 та
г
Введение
о В последнее время наблюдается тенденция ро-
оз ста использования высоколегированных корен
розионно-стойких сталей в различных узлах и механизмах, что объясняется целесообразно-£ стью применения данных материалов в усло-| виях высоких нагрузок, температур, давления, о а также агрессивных сред. Однако данные ста-00 ли обладают очень существенным недостатком - плохой обрабатываемостью резанием 9 и, в частности, шлифованием.
w © Романенко А. М., Шатько Д. Б., Непогожев А. А., И Караваев Я. С., 2021
резания. Помимо этого, в отличие от лезвийных инструментов, сам шлифовальный круг является многокомпонентным телом, параметры которого нужно учитывать при обработке. На свойства и работоспособность кругов влияют форма и ориентация абразивных зерен, используемых в структуре круга, тип связки, рецептура круга, способ смешивания компонентов, особенности технологии производства и пр. [1-3].
хМбЗ
R1±0,3 2 места
1,5*°'3хЗО ±2
ц
Юм
/
19.6-02
19.6.
'-0.2
474.
-0,1
3 места
11.2т
Методика проведения исследований
Целью проводимых испытаний было исследование шлифуемости высоколегированных коррозионно-стойких сталей на операции бесцентрового шлифования и определение наиболее оптимальных режимов обработки.
В качестве характеристик работоспособности шлифовальных кругов были приняты следующие параметры:
- шероховатость обработанной поверхности;
- средняя температура поверхности заготовки;
- микротвердость обработанной поверхности;
- среднеквадратичное отклонение размера детали.
Характеристики используемых в работе кругов были выбраны на основе рекомендаций, изложенных в работах [4-6], в соответствии с ГОСТ Р 52781-2007 и имеют следующие обозначения:
- 1350x100x203 (25А16СТ16К5);
- 1350x100x203 (25А25СТ16К5);
- 1350x100x203 (25А25СТ36К5);
- 1350x100x203 (25А16С26К).
Рис. 1. Заготовка детали
Ведущий абразивный круг имеет следующую характеристику:
- 250x100x127 14А F90 P4R (14А12СТ24В).
Обработка проводилась методом бесцентрового шлифования с поперечным врезанием. Исследования проводились на детали, заготовка которой представлена на рисунке 1.
В качестве исследуемого материала была принята сталь марки 12Х18Н10Т (ТУ 14-1377-72), обладающая плохой обрабатываемостью, поскольку содержит в больших количествах легирующие элементы: хром (15-18 %), никель (8-11 %), титан (1,0-1,5 %).
В таблице 1 представлена приборная база, используемая в ходе проведения экспериментов.
Определение микротвердости осуществлялось на приборе «ПМТ-3» при нагрузке 25 г, на каждом образце делалось 20 отпечатков, на основании которых искомая величина определялась как среднее арифметическое. Остальные параметры определялись по стандартным методикам.
Эксперименты проводились на круг-лошлифовальном бесцентровом станке мод. 3М182 (рис. 2).
Таблица 1
Используемые средства измерений
25А F80 O6V
25А F60 O6V
25А F60 Q6V
25А F80 N7V
Измеряемый параметр Средство измерения
Отклонение наружного диаметра Рычажный микрометр мод. «МРИ 0-25» (точность 0,001 мм)
Шероховатость поверхности Профилометр «MarSшf-1PS»
Твердость Твердомер мод. «ИТР-60/150-А»
Микротвердо сть Прибор «ПМТ-3»
Средняя температура поверхности Тепловизор «Тesto 868»
ф о о.
I-
О
о
Э
те
Рис. 2. Станок круглошлифовальный бесцентровый мод. 3М182
Исследования предусматривали 2 основных этапа:
1. Определение характеристик шлифовального круга, обеспечивающих наилучшие условия шлифования.
2. Оценка влияния режимов обработки на процесс шлифования.
Рассмотрим более подробно данные этапы.
Первый этап
Критериями выбора абразивного инструмента были приняты:
- средняя температура поверхности заготовки;
- изменение исходной твердости поверхности детали после обработки.
Теплонапряженность процесса шлифования зависит от ряда характеристик круга, а именно его твердости, числа и размера зерен, принимающих участие в процессе резания.
Анализ полученных результатов по средней температуре обрабатываемой поверхности показал, что наименьшая температура наблюдается при шлифовании кругом с характеристикой 25А F60 ОбУ (25А25СТ16К) и составляет порядка 550600 °С (рис. 3 а). Максимальная температура Т - 700 и более °С была зафиксирована при обработке кругами с характеристикой 25А F80 О6У (25А16СТ16К) (рис. 3в) и 25А F80 ШУ (25А16С26К) (рис. 3г). Круги с характеристикой 1350x100x203 25А F60 дбУ (25А25СТ36К5) показали промежуточные результаты Т - 650-700 °С (рис. 3б).
ю
2 Рис. 3. Изображение зоны резания при шлифовании кругами: а) 25А Б60 О6У (25А25СТ16К) (Т - 550-600 °С); ю б) 25А Б60 06У (25А25СТ36К) (Т - 650-700 °С); в) 25А Б80 О6У (25А16СТ16К) (Т - 700 и более °С);
- г) 25А Б80 ШУ (25А16С26К) (Т - 700 и более °С)
Результаты изменения исходной твердости после обработки представлены в таблице 2.
Полученные результаты показывают, что наибольшую твердость после шлифования имеют детали, обработанные кругом с характеристикой 25А F60 O6V(25А25СТ16К). Дальнейшие испытания проводились данным инструментом.
Второй этап
В процессе испытания изменялась глубина резания и частота вращения ведущего круга.
В качестве параметров оценки процесса шлифования были приняты следующие показатели:
- шероховатость обработанной поверхности;
- размер детали после шлифования и среднеквадратичное отклонение размера;
- твердость обработанной поверхности;
- микротвердость;
- средняя температура поверхности заготовки.
В таблице 3 представлена зависимость изменения шероховатости от глубины резания.
Из анализа таблицы 3 видно, что с увеличением глубины резания наблюдается значительной рост шероховатости - с Rа 0,81 при глубине резания 0,05 мм до Rа 5,88 при глубине резания 0,35 мм (для детали № 2).
Твердость деталей (3 шт.) п
Данное обстоятельство можно объяснить тем, что с увеличением глубины резания в работу вступает все большее количество зерен -как расположенных на поверхности круга, так и более утопленных в тело круга. При этом зерна врезаются в поверхность обрабатываемого материала, деформируют его и оставляют более глубокие срезы. Кроме того, увеличение глубины резания обуславливает повышение контактного давления круга на обрабатываемую поверхность, что приводит к увеличению толщины стружки, а следовательно, росту шероховатости.
В таблице 4 представлены экспериментальные данные изменения параметра шероховатости в зависимости от частоты вращения ведущего круга.
Полученные результаты подтверждают существенное влияние частоты вращения круга на шероховатость обработанной поверхности. Это можно объяснить возникновением налипания и внедрения обрабатываемого материала на рабочую поверхность круга, что подтверждается визуальным осмотром поверхности инструмента.
Анализ влияния режимов обработки на окончательный размер детали и его стабильность представлен в таблицах 5 и 6.
Как видно из полученных результатов -глубина резания и частота вращения ведущего
Таблица 2
ле операции «Шлифование»
Характеристика абразивного инструмента Значение по чертежу, HRC Твердость, HRC
1350x100x203 25А F80O6V (25А16СТ16К) 34 32
1350x100x203 25АF60O6V (25А25СТ16К) 34 34
1350x100x203 25АF60Q6V (25А25СТ36К) 34 33
1350x100x203 25АF80N7V (25А16С26К) 34 31
Таблица 3
Изменение шероховатости в зависимости от глубины резания после операции «Шлифование»
Характе ристика абразивного инструмента: 25А F60 O6V (25А25СТ16К)
Глубина резания, мм Среднее арифметическое отклонение профиля Яа, мкм
Деталь № 1 Деталь № 2 Деталь № 3
0,05 0,84 0,81 0,80
0,10 0,96 0,94 0,92
0,15 1,23 1,20 1,19
0,20 2,74 2,71 2,70
0,25 3,58 3,56 3,54
0,30 4,25 4,22 4,21
0,35 5,91 5,88 5,87
Ж
Таблица 4
Изменение шероховатости в зависимости от частоты вращения ведущего круга после операции «Шлифование»
Характе ристика абразивного инструмента: 25А Б60 О6У (25А25СТ16К)
Частота вращения ведущего круга, об/мин Среднее арифметическое отклонение профиля Ra, мкм
Деталь № 1 Деталь № 2 Деталь № 3
20 0,87 0,85 0,83
42 1,06 1,04 1,02
64 1,16 1,13 1,10
86 2,58 2,56 2,54
108 3,19 3,17 3,15
130 3,47 3,44 3,41
150 5,86 5,84 5,82
Таблица 5
Изменение размера детали в зависимости от глубины резания после операции «Шлифование»
Характеристика абразивного инструмента: 25А Б60 О6У (25А25СТ16К)
Глубина резания, мм Диаметр, мм Среднеквадратичное отклонение размера
Деталь № 1 Деталь № 2 Деталь № 3
0,05 10,938 10,933 10,929 0,004
0,10 10,931 10,927 10,923 0,003
0,15 10,929 10,923 10,920 0,004
0,20 10,923 10,918 10,916 0,003
0,25 10,916 10,912 10,909 0,002
0,30 10,897 10,891 10,887 0,005
0,35 10,876 10,871 10,868 0,003
Таблица 6
Изменение размера детали в зависимости от частоты вращения ведущего круга после операции «Шлифование»
см о см
Характеристика абразивного инструмента: 25А Б60 О6У (25А25СТ16К)
Частота вращения ведущего круга, об/мин Диаметр, мм Среднеквадратичное отклонение размера
Деталь № 1 Деталь № 2 Деталь № 3
20 10,937 10,936 10,935 0,001
42 10,936 10,934 10,932 0,002
64 10,928 10,927 10,926 0,001
86 10,921 10,920 10,919 0,001
108 10,918 10,916 10,914 0,002
130 10,914 10,913 10,912 0,001
150 10,911 10,910 10,909 0,001
< I
<0 та
г
I
о ^
со
о.
<и
о
о <и со
см ■ч-ю
с?
см ■ч-ю см
(П (П
круга оказывают влияние на размер обработанной детали за счет снижения фактического съема металла с обрабатываемой поверхности, но при этом практически не влияют на стабильность получаемых размеров.
Влияние глубины резания на твердость обработанной поверхности представлено на рисунке 4.
Снижение твердости обработанной поверхности с ростом глубины резания объясняется тем, что при обработке твердых материалов быстрее истираются и затупляются абразивные зерна. С увеличением глубины
резания этот процесс интенсифицируется, на резание расходуется большая мощность, поверхностный слой обрабатываемой заготовки значительно нагревается.
Рост количества теплоты в зоне резания и продолжительность теплового воздействия шлифовального круга на металл в зоне резания приводят к интенсификации процесса разупрочнения и снятию наклепа поверхностного слоя, обеспечивая при этом снижение твердости.
Зависимость твердости обработанной поверхности от частоты вращения ведущего абразивного круга приведена на рисунке 5.
Глубина резания, мм
Рис. 4. График изменения твердости детали в зависимости от глубины резания
Как видно из графика, при увеличении частоты вращения имеет место существенное снижение твердости обрабатываемой поверхности. Очевидно, это происходит потому, что при снятии стружки с большой скоростью имеет место деформация (уплотнение) шлифуемой поверхности, сопровождаемая трением и возникновением очень высокой температуры. При повышении частоты вращения круга нагрузка на абразивные зерна снижается, а количество теплоты, выделяющейся в зоне шлифования и снимающий наклеп, увеличивается. Упрочнение поверхностного слоя при этом уменьшается.
Частота вращения круга (скорость резания) влияет на наклеп через изменение интенсивности теплового воздействия на поверхностный слой и продолжительности воздействия сил резания и нагрева на металл. При повышении скорости резания уменьшается время воздействия сил резания, интенсифицируется трение и выделение теплоты в зоне резания, что способствует ускорению процесса отдыха металла. В результате с ростом скорости резания, как правило, наклеп поверхностного слоя уменьшается и, следовательно, снижается твердость обработанной поверхности.
Далее проводились исследования микротвердости поверхности обрабатываемого материала. Микротвердость поверхностного слоя характеризует его упрочнение (наклеп) и является результатом интенсивной пластической
Частота вращения, об/мин
Рис. 5. График изменения твердости детали в зависимости от частоты вращения ведущего абразивного круга
деформации. Уменьшение микротвердости (разупрочнение) после шлифования, как правило, связано с нагревом до 400-600 °С, отпуском поверхностного слоя стали и, как следствие, изменение его структуры: образованием троостита и сорбита вместо мартенсита.
Таким образом, микротвердость поверхности снижается с повышением глубины резания, а также увеличением температуры в зоне резания. Поэтому все режимные факторы, способствующие повышению температуры в зоне резания или увеличению продолжительности теплового воздействия, приводят к снижению упрочнения поверхности [6].
Вышеприведенные теоретические выкладки были полностью подтверждены практическими исследованиями (рис. 6). Во время проведения испытаний было отмечено, что для принятых условий обработки с увеличением глубины резания микротвердость обрабатываемой поверхности монотонно убывает. Микротвердость (Нц) материала 12Х18Н10Т в состоянии поставки составила 4584 МПа.
Влияние глубины резания на среднюю температуру шлифования представлено на рисунке 7.
Анализ данных рисунков показывает, _ что с увеличением глубины резания с 0,05 до 0,25 мм имеет место рост температуры о в 2 раза. Это явление можно объяснить увели- ^ чением времени шлифования детали и продолжительностью воздействия источника теплоты на обрабатываемую поверхность.
4600
¡4200
«3800
о &
3400
3000
0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 Глубина резания, мм
0,35
Рис. 6. График изменения микротвердости детали в зависимости от глубины резания
Влияние частоты вращения ведущего круга (рис. 8) несколько ниже - до 1,5 раза. Это можно объяснить тем, что с увеличением трения детали о рабочую поверхность круга, одновременно уменьшается время активного контакта детали с шлифовальным кругом.
Выводы
Полученные в ходе проведения экспериментов статистические данные позволили сформулировать следующие практические рекомендации.
1. При шлифовании высоколегированных коррозионно-стойких сталей целесообразно применять абразивные круги с характеристикой 25А Б60 О6У (25А25СТ16К).
2. С увеличением глубины резания и частоты вращения ведущего круга наблюдается увеличение шероховатости обработанной поверхности. Исходя из требований к качеству обработки детали, следует принимать глубину резания не более 0,2 мм и частоту вращения ведущего круга не более 108 об/мин.
3. Глубина резания и частота вращения ведущего круга оказывают влияние на размер обработанной детали за счет снижения фактического съема металла с обрабатываемой поверхности, но при этом практически не влияют на стабильность получаемых размеров.
ем о ем
со
Ф
н
X <
1
«
п
2
с; <
О т
а
ф
о
н
о ф
т
ем ^
ю о
ем ^
ю ем
(О (О
Т, °С
700
600
550
500
450
400
350
300
250
200
150
100
50
а
б
Рис.
аб
Рис. 8. Изображение зоны резания при шлифовании. Частота вращения ведущего круга: а) 25 об/мин (Т - 400-450 °С); б) 150 об/мин (Т - 600 и более °С)
Т, °С
700
600
550
500
450
400
350
300
250
200
150
100
50
7. Изображение зоны резания при шлифовании: а) глубина резания 0,05 мм (Т - 400-600 °С); б) глубина резания 0,25 мм (Т - 700 и более °С)
0
0
4. С увеличением глубины резания и частоты вращения ведущего круга наблюдается снижение твердости и микротвердости обрабатываемой поверхности.
5. Глубина резания оказывает более сильное влияние на среднюю температуру шлифования, чем частота вращения ведущего круга.
Список литературы
1. Romanenko A.M., Shatko D.B., Strelni-kov P.L. The influence of the formulation components and the mixing technology on physical and mechanical properties of abrasive wheel. MATEC Web of Conferences. 2019. Vol. 297. 09005. DOI: 10.1051/matecconf/201929709005
2. Shatko D.B., Lyukshin V.S., Strelnikov P.L. The influence of the grinding grains shape and
orientation on performance of coated abrasive tools. MATEC Web of Conferences. 2019. Vol. 297. 09006. DOI: 10.1051/matecconf/201929709006
3. Shatko D.B., Lyukshin V.S., Strelnikov P.L., Samorodova L.L. Influence of shape and orientation of grinding grains on their cutting capacity. IIIrd International Innovative Mining Symposium. E3S Web of Conferences. 2018. Vol. 41. 03003. DOI: 10.1051/e3sconf/20184103003
4. Старков В.К. Шлифование высокопористыми кругами. М.: Машиностроение, 2007. 688 с.
5. Кащук В.А., Верещагин А.Б. Справочник шлифовщика. М.: Машиностроение, 1988. 480 с.
6. Попов С.А., Малевский Н.П., Терещенко Л.М. Алмазно-абразивная обработка металлов и твердых сплавов. М.: Машиностроение, 1977. 261 с.
Об авторах
Романенко Андрей Михайлович - кандидат технических наук, доцент кафедры металлорежущих станков и инструментов института информационных технологий, машиностроения и автотранспорта федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева», Кемерово, Российская федерация.
Область научных интересов: технология обработки материалов резанием, разработки рецептуры абразивного инструмента, разработка технологии изготовления абразивного инструмента.
Шатько Дмитрий Борисович - кандидат технических наук, доцент кафедры «Металлорежущие станки и инструменты», начальник отдела «Системы менеджмента качества» федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Кузбасский государственный технический университет им. Т.Ф. Горбачева», Кемерово, Российская Федерация.
Область научных интересов: абразивная обработка, проектирование и исследование новых конструкций абразивных инструментов, оптимизация производственных процессов, системы менеджмента качества, бережливое производство.
Непогожев Андрей Александрович - аспирант кафедры «Высокоэффективные технологии обработки» федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Московский государственный технологический университет «СТАНКИН»; инженер-технолог механосборочного цеха № 6 акционерного общества «Московский машиностроительный завод «АВАНГАРД», Москва, Российская Федерация. Область научных интересов: абразивная обработка, подбор рецептуры абразивного инструмента по температурному критерию, технология машиностроения, автоматизация технологического процесса, цифровизация производства.
Караваев Ярослав Сергеевич - кандидат технических наук, начальник технологического бюро механообрабаты- _ вающего производства акционерного общества «Московский машиностроительный завод «АВАНГАРД», Москва, ^ Российская Федерация.
Область научных интересов: обработка материалов резанием, обработка материалов давлением, технология мао
шиностроения, режущий инструмент.
о.
Э
те
Abrasive machining of high-alloy corrosion resistant steels by example of 12Kh18N10T
Romanenko A. M.1, Shatko D. B.1, Nepogozhev A. A.2,3, Karavaev Ya. S.3
1 T. F. Gorbachev Kuzbass State Technical University, Kemerovo, Russian Federation
2 Moscow State University of Technology "STANKIN", Moscow, Russian Federation
3 Moscow Machine Building Plant "Avangard" JSC, Moscow, Russian Federation
The paper focuses on research into processing of high-alloy corrosion resistant steels by the method of centre-less circular grinding. The physical and mechanical properties of such steels determine certain difficulties in their grinding as compared with other materials, which necessitates a thorough investigation of this issue. The paper presents experimental data on the dependence of machined surface roughness and hardness, as well as workpiece surface average temperature and microhardness, on the machining conditions and grinding wheel characteristics.
Keywords: corrosion resistant steel, grinding wheel characteristic, centreless circular grinding, surface roughness, hardness, surface temperature, microhardness
CM
o
CM
Information about the authors
Romanenko Andrey Mikhailovich - Candidate of Engineering Sciences, Associate Professor, Department "Metal Cutting Machines and Tools", Institute of Information Technology, Machine Building, and Motor Transport, T. F. Gorbachev Kuzbass State Technical University, Kemerovo, Russian Federation.
Science research interests: technology of material processing by cutting, cutting tools composition development, abrasive tools manufacturing method development.
Shatko Dmitry Borisovich - Candidate of Engineering Sciences, Associate Professor, Department "Metal Cutting Machines and Tools", Head of Department "Quality Management Systems", T. F. Gorbachev Kuzbass State Technical University, Kemerovo, Russian Federation.
Science research interests: abrasive processing, development and research of new abrasive tool designs, optimisation of production processes, quality management systems, lean manufacturing.
Nepogozhev Andrey Aleksandrovich - Post-Graduate Student, Department "High-Efficiency Processing Technologies a of Materials", Moscow State University of Technology "STANKIN", Process Engineer of Machine Assembly Shop No. 6, — Moscow Machine Building Plant "Avangard" JSC, Moscow, Russian Federation.
'jjj Science research interests: abrasive processing, selection of cutting tool composition by thermal criterion, machine building x technology, manufacturing process automation, production digitalisation.
i
I Karavaev Yaroslav Sergeevich - Candidate of Engineering Sciences, Head of Process Bureau, Machining Production ^ Operations, Moscow Machine Building Plant "Avangard" JSC, Moscow, Russian Federation.
^ Science research interests: material processing by cutting, material processing by pressure, machine building technology,
g cutting tools.
ra i Q.
V J I
0
x s
1 I-
o
V CÛ
CM ■Clio
9
CM ■Cl-
io
CM Z
w w
