CC BY
11
ОСОБЕННОСТИ ШЛИФОВАНИЯ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ПОРОШКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ
НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА
Эльдарзаде Э.Г.1, Кулиев А.А.2 ©
12 12
' К.т.н., ' доцент Азербайджанского государственного университета нефти и
пр омышленности
Аннотация
Статья посвящена актуальным направлениям порошковой металлургии, созданию легированных порошковых материалов на основе железа и исследованию процесса их механической обработки шлифованием. Применение предложенной методики исследований рекомендованного материала, режимов и технологии плоского шлифования позволяет повысить качество поверхности и производительность обработки.
Ключевые слова: Порошки, железографит, смешивание шихт, пористость, шлифование. Keywords: Powders, zhelezografit, blending batches, porosity, polishing.
В последние годы расширение области применения шлифования деталей из порошковых материалов привело к усложнению геометрической формы, повышению точности размеров к уменьшению шероховатости поверхности деталей, изготовляемых методом порошковой металлургии. Однако повышение требований к точности изделий, получаемых методом порошковой металлургии, вызывает необходимости усложнения прессового оборудования, что ведет к его удорожанию и снижает экономическую эффективность производства порошковых изделий. Кроме того, методами порошковой металлургии затруднительно получать некоторые элементы деталей машины. Поэтому в большинстве случае технически и экономически может быть оправданным применение механической обработки на операциях технологического процесса получения изделия[1,2].
Добавка легирующих элементов в состав материала значительно улучшает механические и триботехнические свойства спеченных деталей. Кроме того, значительное влияние оказывает методы механической обработки, в частности операции шлифования.
Таким образом, одним из направлений в области порошковой металлургии является создание легированных порошковых материалов на основе железа и исследование процесса их механической обработки шлифованием.
Усложнение формы и повышение класса точности размеров порошковых деталей в ряде случаев вызывает необходимость дополнительной механической обработки резанием. Наиболее широко применятся токарная обработка, сверление зенкерования и развертывание нарезание резьбы, расточка и шлифование. Обработка резанием порошковых материалов имеет ряд особенностей по сравнению с обработкой компактных материалов. Увеличение пористости материала от 15 до 30% повышает шероховатость поверхностей деталей примерно на один класс, однако сила резания снижается в 1,6-1,7 раза . При обработке железографитовых порошковых композиций силы резания также уменьшаются. Данном случае графит, имея сложную систему атомно-кристаллической структуры, выступает в качестве сухой смазки.
Процесс шлифования деталей из порошковых материалов сопровождается изменением физико-механических характеристик поверхностных слоев деталей, что существенно влияет на их дальнейшую эксплуатацию. Свойство поверхностных слоев деталей можно регулировать, изменяя режим шлифования. Так, например, увеличение глубины шлифования с 0,01 до 0,1 мм приводит к росту микронапряжений на 15...30%. Высокую степень уплотнения шлифованной поверхности при использований карборундовых кругов дает следующий режим шлифования: поперечная подача 0,3.0,6 мм/ход, продольная
© Эльдарзаде Э.Г., Кулиев А.А., 2016 г.
подача 13...15м/мин, глубина резания 0,05...0,1 мм [3]. Если уплотнение поверхностного слоя нежелательно, необходима большая поперечная подача 1,7. 3 мм/ход, скорость продольной подачи стола при этом 6.12 м/мин, глубина резания 0,01. 0,03 мм. Применяются карборундовые круги с более частой их правкой. Для материалов на железной основе пористостью 20 % при использовании круга из белого электрокорунда рекомендуется следующий режим шлифования: скорость резания 1,3 м/мин, скорость вращения круга 35 м/с, продольная подача 17 мм/ход, глубина резания 0,05 мм.
Целью данного исследования является разработка новых порошковых материалов на основе железа, легированных медью, графитом и серой позволяющих значительно улучшить антифрикционные свойства деталей и качество обработки резанием при плоском шлифовании.
Недостаточно изучено обрабатываемость антифрикционных порошковых материалов на основе железа шлифованием. Исходя из этого обоснован выбор объекта исследований герметических деталей (Рис.1.) ротационного компрессора и насоса, к которому предъявляются высокие требования конструктивного и технологического характера.
1- цилиндр, 2 - ролик
Анализ технологического процесса обработки цилиндра ротационного компрессора показало, что по предъявленным требования и трудоемкости обработки наибольшего внимания заслуживает обработка торцовых поверхностей этой детали, шероховатость торцов в результате шлифовании должен иметь высоту неровностей 0,32 мкм с отклонением от плоскости не более 3 мкм. После сортировки деталей на селекционные группы, отклонение размера по высоте не должно превышать 5 - 6 мкм.
Сформированы задачи исследований решение которых, связано с разработкой и исследованием порошковых антифрикционных материалов на основе железа с учетом обеспечения требуемых качеств поверхностей обработанных резанием [4]. Для исследований было обосновано и подготовлено три вариантов опытных составов порошковых материалов на основе железа (смотри таблицу). В качестве эталонного принят состав шихты, применяемый в настоящее время для изготовления цилиндра ротационного компрессора.
Таблица
Содержание компонентов шихты в масс %
№ Состав шихты Содержание компонентов шихты в масс.%
Б Си С Бе
1 ЖГр 0,65 Б1,5 К 0,4 0,4 1,5 0,65 остальное
2 ЖГр 0,8 Б2,5 К 1,0 1,0 2,5 0,8 остальное
3 ЖГр 1,0 Б3,0 К 1,5 1,5 3,5 1,0 остальное
4 ЖГр 0,65Б1,5 К 0,1.0,3 (Эталон) 0,1.0,3 1,5 0,65 остальное
Пределы содержания компонентов в шихте опытных образцов были определены исходя следующих соображений. Увеличение содержания серы более 1,5 масс % ухудшает свойства материала вследствие снижения механической прочности[5,6]. Верхний предел содержания меди в шихте приводит к ухудшению антифрикционных свойств материала. При содержании меди менее 1,5 масс % эффект повышения прочности и твердости изделий оказывается недостаточным, также исходили из известного положения, что наиболее оптимальным с точки зрения структуры и свойств материала является содержание графита в шихте в пределах 0,5 .1,0 масс %.
Прессование призматических образцов размерами 10 Х 10 Х 55 мм производилась на гидравлическом прессе ГП - 125 с использованием ручной пресс - формы для стандартных образцов. Дальнейшие исследования: прессование, спекание и вакуумная пропитка маслом, определение свойств порошковых материалов и исследование микроструктуры образцов проводили в лаборатории кафедры «Машиностроения и материаловедения (МиМ)» Азербайджанского Государственного Университета Нефти и Промышленности (АГУ НП).
Исследования качества обработки образцов и определения силы резания при плоском фрезовании периферией инструмента производилась в лаборатории кафедры МиМ АГУНП. Тангенциальную составляющую силу резания Р2 измеряли динамометром СУР - 100 с использованием усилителя УТ - 4 - 1 и осциллографа Н - 117/1 на базе универсально фрезерного станка 6Н82. Шероховатость поверхности после шлифования режимом тонкого шлифования определяли с помощью профилографа «Калибр» модели 250. Исследование антифрикционных свойств, производили на машине трения СМЦ - 2 по ГОСТ 26614 с применением специального приспособления.
В целом результаты исследований физико-механических и триботехнических свойств полученных порошковых спеченных материалов на основе железа показало, что превалирующих (по сравнению с прочностью и твердостью) требованиях к триботехническим характеристикам порошковых материалов, наиболее оптимальным для обеспечения достаточно существенного повышения антифрикционных свойств является введение серы в шихту порядка 1,0%, меди - 3,0% и графита - 1,0 масс. %.
Исследования полазали, что достижение 7,8 классов шероховатости на порошковых спеченных деталях затруднительно, в том числе из-за наличия на обрабатываемой поверхности пор достаточно больших размеров, достигающих 300 мкм (ЖГР 1Д3 Л1) и наименьших 2 мкм. Получено уравнение для определения толщины слоя, снимаемого одним зерном при плоском шлифовании пористых поверхностей
5^р - Ул х I "зф 1ф х £
р 60 Укр±2 Ул у/ Су Vз эпп й В В
Эффективная мощность в кВт при шлифовании периферией круга с продольной подачей
где, ё - диаметр шлифования, мм;
Уз - скорость вращательного или поступательного движения заготовки;
X - глубина шлифования, мм; слой металла, снимаемый периферией или торцом круга в результате поперечной подачи на каждой ход или двойной ход при круглом или плоском шлифовании и в результате радиальной подачи бр при врезном шлифовании.
б - продольная подача, перемещение шлифовального круга в направлении его оси в мм на один оборот заготовки при круглом шлифовании или в мм на каждый ход стола при плоском шлифовании периферией круга;
Ул - скорость перемещения детали в продольном направлении, м/мин;
Укр - скорость вращения круга, м/с;
Б - диаметр шлифовального круга, мм;
1ф - расстояние между зернами шлифовального круга участвующими в процессе резания при обработке плоской поверхности, мм.
Наличие на поверхности спеченных деталей пор приводит к периодическому образованию дополнительного зазора между абразивным кругом и деталью, объём которого и процессе контакта инструмента и детали оказывает значительное влияние на процесс резания.
Характер теплового потока при шлифовании пористых поверхностей также значительно различаются, так как количество и периоды контактов зерен меняются. Соответственно меняется распределение источников тепла на обрабатываемой поверхности и удельное количество тепловых импульсов приходящиеся на единицу площади обработки.
Исследования по выбору режимов плоского шлифования опытных составов спеченных материалов проводили в два этапа. На первом этапе исследования проводились на призматических образцах, изготовленных из всех трех составов при плоском шлифовании периферией круга при продольной подаче Бпр= 8.16 м/мин., поперечной подаче Бпоп = 1,0 и 2,0мм/дв.х. и глубине резание 1 = 0,005 и 0,025 мм. В качестве режущего инструмента использовали шлифовальный круг ПП250х20х76
25А25ПСМ1Р7.
Механические свойства образца шихты ЖГр1 Б3 К 1,5 (1,5 масс % для второго этапа исследований был принят шихта ЖГр1 Б3 К1(серы 1,0 масс % , меди 3,0 масс. % и графита 1,0 масс. %), который обеспечивает требуемые антифрикционные свойства качественно обработанной поверхности.
Для получения полного представления о влиянии режимов шлифования и содержания серы на обрабатываемость опытных образцов были проведены исследования по влиянию указанных факторов на тангенциальную составляющую силу резания Р2 для двух типов образцов с содержанием серы 0,4 масс % и 1,5 масс % шихты ЖГр1Б3 К1,5.
Из всех параметров плоского шлифования отмечалось значительное влияние на Р2 глубины резания и поперечной подачи. При одновременном уменьшении Бпр , Бпоп и 1 происходит существенное уменьшение (в 1,4.2,6 раза) Р2 . Влияние содержание содержания серы на изменение Р2 также зависит от режимов резания. При обработке с применением максимальных значений Бпр , Бпоп и 1 тангенциальная составляющая силы резания Р2 для образцов шихты ЖГрШ3К 1,5 оказалось несколько ниже, для образцов шихты ЖГр0,65 Б1,5 К 0,5. При минимальных же параметрах процесса плоского шлифования наоборот значение Р2 оказалось ниже чем для образца шихты ЖГр0,65Б1,5К0,5.
Полученные по первому этапу исследований результаты показали, что наилучшее качество поверхности при плоском шлифовании обеспечивается при содержании серы в порошковой шихте спеченных материалов в пределах 1,0.1,5 масс %. Однако, учитывая резкое снижение физико-механических свойств образцов шихты ЖГрШ3К1,5 (1,5 масс. %), последующих исследований качества поверхности приплоском шлифовании пористых спеченных образцов была шихта ЖГр1Б3К1 (серы1,0 масс % , меди 3,0 масс % и графита 1,0 масс. %).
На втором этапе исследований в качестве режущего инструмента были приняты круги из электрокорунда марки с твердостью СМ1 на керамической связке К5,зернистостью 16, 25 и 40. Проводились также исследования с применением кругов из эльбора ЛО 125/100 и КО 125/100 на бакелитовой связке Б1 и керамической связке КБ.
При шлифовании глубина резания измерялась в пределах 0,01.0,125 мм, продольная подача в пределах 4. 12 м/мин., скорость круга 20.35 м/с.
Результаты оценки шероховатости поверхности образцов шихты ЖГрШ1,5 К1 обработанных с применением указанных выше шлифовальных кругов, показали, что наименьшая шероховатость поверхности обеспечивается при обработке кругом ЛО 125/100,
так как эльборовыми кругами на бакелитовой связке процесс обработки осуществляется при значительной меньшей силе резания, чем другими абразивными кругами наименьшая шероховатость, обеспечивается кругами зернистостью 16 . Однако по работоспособности лучшие показатели имеет зернистость 25.
Как при обработке электрокорундовыми кругами, так и при обработке эльборовыми кругами с увеличением скорости резания среднеарифметичес- кое отклонение профиля Яа и средняя высота неровностей профиля значительно снижаются.
С увеличением глубины резания шероховатость поверхности во всех рассматриваемых случаях возрастает. Наиболее значительное возрастание шероховатости поверхности образцов отмечается при применении электрокорундовых кругов, что в основном объясняется возрастанием динамических показателей обработки, увеличением нагрузки на единичные зерна и повышением вследствие этого силы резания.
По времени шлифования электрокорундовые круги А25 после правки вначале показывают повышение шероховатости, а после работы круга в течение 4минут снижение шероховатости поверхности; при дальнейшей работе круга шероховатость поверхности вновь увеличивается. Более стабильные результаты были получены при применении эльборовых кругов Л0125/100.
С увеличением продольной подачи повышается величина припуска, снимаемого одним абразивным зерном, что приводит к росту величины Яа и Наименьшая шероховатость во всем диапазоне варьирования Бпр достигалась при шлифовании эльборовыми кругами ЛО125/100 .
При шлифовании с поперечной подачей как при шлифовании электрокорундовыми кругами А25, так и эльборовыми кругами наименьшая шероховатость, была получена при минимальной Б-0,4... 0,6 мм/дв.х. С увеличением Бпоп в несколько раз шероховатость поверхности значительно возрастала. Так как производительность обработки при плоском шлифовании с поперечной подачей по сравнению с шлифованием методом врезания во много раз меньше, то был исследован также процесс врезного шлифования с выхаживанием.
Проведенные эксперименты показали, что для получения необходимой величины шероховатости, при обработке пористых плоских поверхностей абразивными кругами, формирование поверхностного слоя должна проводиться поэтапно. А именно, после черновой обработки чистовая обработка должна проводится с двух- или четырехкратным выхаживанием , в противном случае не обеспечивается требуемая величина шероховатости поверхности деталей из порошковых спеченных материалов .
На поверхности образцов отмечаются отдельные группы пор, ослабляющие микроучастки поверхности и уменьшающие на этих микроучастках прочность порошкового материала. Результаты исследований показали, что при шлифовании электрокорундовыми кругами А25 после четырехкратного выхаживания обеспечивается значение Яа-0,28 мкм, при предъявляемом требовании Яа-0,25...0,32 мкм. Еще более лучшие результаты получены при применении эльборовых кругов. Выхаживание в данном случае способствует получению менее шероховатой поверхности благодаря тому, что с каждым проходом интенсивность съема металла убывает, сила резания существенно уменьшается, а следовательно, уменьшается и вероятность разрушения микроучастков поверхности порошкового материала.
Таким образом, созданы необходимые предпосылки для разработки применительно к условиям Бакинского завода бытовых кондиционеров рабочего технологического процесса изготовления цилиндра ротационного компрессора, позволяющего обеспечить необходимые высокие триботехнические свойства материала, качество обработки и повысится производительность.
Выводы
1. Разработана шихта для получения порошков из антифрикционного материала на основе железа, содержащие порошки серы (0,1. 1,5мас.%), меди (1,5.3,0 масс %). Пределы
содержания компонентов определены исходя из обеспечения, наряду с антифрикционными свойствами, необходимой механической прочности, структуры и обрабатываемости.
2. Теоретическими исследованиями выявлено, что пористость поверхности спеченных порошковых деталей на основе железа несколько затрудняет при плоском шлифовании получение малых значений параметров шероховатости.
3. Выявлен механизм благоприятного формирования микронеровностей при плоском шлифовании деталей из порошковых спеченных материалов, основанный на исключении разрушения при механической обработке микроучастков, ослабленных отдельными скоплениями пор на поверхности.
4. Определены режимы плоского шлифования предложенного порошкового антифрикционного материала на основе железа, обеспечивающие необходимые значения параметров шероховатости поверхности. Выявлено, что легирование порошковой шихты серой в количестве 1,0 масс % при прочих равных условиях значительно улучшает качество обработанной поверхности.
Литература
1. 5 - ci uluslararasi toz metalurjisi konferansi: Konferansin bildirilar kitabi, 08-12 Ekim 2008. Gazi Üniversiteti.- Ankara - Türkiye, 2008.- 475 - 481 s.
2. Eldarzada H.H., Guliyev A.A. Ovuntu materiallardan hazirlanan hissalarin de§ma ila emali. // Azarbaycan Ali Texniki Maktablarinin Xabarlari. - 2015, №2. - S. 41 - 46.
3. Роман О.В., Габриелов И.П. Справочник по порошковой металлургии: Порошки, материалы, процессы. Минск: Беларусь, 1988. 175 стр.
4. Мамедов А.Т. Конструкционные и антифрикционные порошковые материалы. Баку: Элм, 2005. 458 стр.
5. А.с 1564848. Шихта для получения спеченного материала на основе железа А.Т.Гулиев A.A Публикация в открытой печати запрещается, 1990.
6. Мамедов А.Т. Прочностные характеристики порошковых материалов для бытовой техники. Обзорная информация серия << Межотраслевая АзНИИТИ, Баку.1989. 5 стр.
