CC BY
15
Подашев Д.Ю. Оценка качества поверхностного слоя деталей из алюминиевых сплавов после обработки эластичными полимерно-абразивными кругами // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Машиностроение, материаловедение. - 2020. - Т. 22, № 4. - С. 75-86. DOI: 10.15593/2224-9877/2020.4.10
Podashev D.B. Quality assessment of the surface layer of aluminum alloy after processing elastic polymer-abrasive wheels. Bulletin PNRPU. Mechanical engineering, materials science, 2020, vol. 22, no. 4, pp. 75-86. DOI: 10.15593/2224-9877/2020.4.10
ВЕСТНИК ПНИПУ. Машиностроение, материаловедение
Т. 22, № 4, 2020 Bulletin PNRPU. Mechanical engineering, materials science
http://vestnik.pstu.ru/mm/about/inf/
Б01: 10.15593/2224-9877/2020.4.10 УДК 621.923: 621.922
Д.Б. Подашев
Иркутский национальный исследовательский технический университет,
Иркутск, Россия
ОЦЕНКА КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ДЕТАЛЕЙ ИЗ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ ПОСЛЕ ОБРАБОТКИ ЭЛАСТИЧНЫМИ ПОЛИМЕРНО-АБРАЗИВНЫМИ КРУГАМИ
Рассмотрено исследование влияния режимов обработки на такие показатели качества поверхностного слоя деталей из алюминиевых сплавов, как шероховатость поверхности и остаточные напряжения.
При проведении экспериментальных исследований использовались эластичные полимерно-абразивные круги компании 3М марок РБ^Ц ОБ^Ц ОР-РБ.
В результате проведения экспериментальных исследований установлено, что поперечная шероховатость по параметру Ка увеличивается с ростом деформации круга. Это объясняется тем, что с увеличением деформации растет вертикальная составляющая силы, а следовательно, увеличивается глубина внедрения единичных зерен в обрабатываемый материал. С увеличением скорости резания поперечная шероховатость по параметру Ка также растет. Это объясняется тем, что с увеличением скорости растет центробежная составляющая силы удара абразивного зерна по обрабатываемой поверхности. В ходе проведения статистической обработки экспериментальных данных доказано, что от продольной подачи поперечная шероховатость не зависит.
Дисперсионным анализом результатов экспериментов доказано, что продольная шероховатость по параметру Ка для всех использованных эластичных полимерно-абразивных кругов не зависит от заданных режимов обработки.
В результате проведенных исследований получена эмпирическая зависимость, которая позволяет прогнозировать ожидаемую шероховатость при проектировании технологического процесса изготовления детали.
Проведены исследования процесса формирования остаточных напряжений в поверхностном слое деталей из алюминиевого сплава В95ПчТ2 при обработке эластичными полимерно-абразивными кругами. В результате установлено, что при обработке эластичными полимерно-абразивными кругами образцов, полученных цилиндрическим и торцевым фрезерованием, остаточные напряжения оказываются полностью переформированы. С учетом того, что данный процесс обработки происходит на очень тонком разупрочненном поверхностном слое, доказано, что в обрабатываемом материале возникают сжимающие остаточные напряжения на малой глубине залегания, что положительно влияет на эксплуатационные свойства деталей.
Проведен анализ состояния поверхностного слоя при помощи металлографической и электронной микроскопии. На основании данных исследований сделан вывод о том, что случаи потемнения обрабатываемой детали из алюминиевого сплава не могут препятствовать внедрению зачистки поверхностей полимерно-абразивными инструментами в авиационной промышленности, поскольку все присутствующие на поверхности частицы легко удаляются при подготовке к анодированию.
Ключевые слова: эластичный полимерно-абразивный круг, шероховатость поверхности, режимы обработки, деформация круга, скорость резания, остаточные напряжения, главные напряжения, касательные напряжения, спектральный анализ, электронная микроскопия.
D.B. Podashev
Irkutsk National Research Technical University, Irkutsk, Russian Federation
QUALITY ASSESSMENT OF THE SURFACE LAYER OF ALUMINUM ALLOY AFTER PROCESSING ELASTIC POLYMER-ABRASIVE WHEELS
The article examines the study of the processing modes influence on such indicators of the quality of the surface layer of parts made of aluminum alloys, such as surface roughness and residual stresses.
During the experimental studies, we used 3M elastic polymer-abrasive wheels of the FS-WL, DB-WL, CF-FB brands.
As a result of experimental studies, it was found that the transverse roughness in the parameter Ra increases with increasing deformation of the circle. This is due to the fact that with an increase in deformation, the vertical component of the force grows, and, consequently, the depth of penetration of single grains into the processed material increases. As the cutting speed increases, the Ra transverse roughness also increases. This is due to the fact that with increasing speed, the centrifugal component of the impact force of the abrasive grain on the treated surface increases. In the course of statistical processing of the experimental data, it was proved that the transverse roughness does not depend on the longitudinal feed.
An analysis of variance of the experimental results proved that the longitudinal roughness in terms of the Ra parameter for all used elastic polymer-abrasive wheels does not depend on the specified processing modes.
As a result of the research carried out, an empirical dependence was obtained, which allows predicting the expected roughness when designing a technological process for manufacturing a part.
The study of the formation of residual stresses in the surface layer of parts made of aluminum alloy V95PchT2 during processing with elastic polymer-abrasive wheels. As a result, it was found that when the samples obtained by cylindrical and face milling with elastic polymer-abrasive wheels are processed, the residual stresses are completely re-formed. Considering that this processing process takes place on a very thin softened surface layer, it has been proven that compressive residual stresses arise in the processed material at a shallow depth of occurrence, which has a positive effect on the operational properties of parts.
The analysis of the state of the surface layer was also carried out using metallographic and electron microscopy. Based on these studies, it was concluded that the cases of darkening of the workpiece made of aluminum alloy cannot prevent the introduction of surface cleaning with polymer-abrasive tools in the aviation industry, since all particles present on the surface are easily removed during preparation for anodizing.
Keywords: elastic polymer-abrasive wheel, surface roughness, processing modes, wheel deformation, cutting speed, residual stresses, principal stresses, shear stresses, spectral analysis, electron microscopy.
Финишная обработка деталей из алюминиевых сплавов по зачистке поверхностей с целью уменьшения параметров шероховатости, устранения дефектов на поверхностном слое от предыдущей операции, удаления заусенцев и скругления кромок может эффективно осуществляться вращающимися абразивными инструментами на гибкой (полимерной) связке. Изучению процесса взаимодействия эластичных полимерно-абразивных кругов с обрабатываемой поверхностью посвящен ряд работ [1-19]. Однако на сегодняшний день недостаточно изучен вопрос формирования поверхностного слоя деталей при таком виде обработки.
Для научно обоснованного выбора эластичных полимерно-абразивных инструментов и режимов обработки необходимы знания об их влиянии на показатели качества поверхностного слоя.
Шероховатость обработанной поверхности
Достижимая шероховатость формируется в процессе обработки независимо от исходного состояния обрабатываемой поверхности. Ее параметры зависят от условий, режимов обработки, а также свойств обрабатываемого материала. Если шероховатость поверхности до обработки была меньше достижимой, то в процессе обработки она увеличивается; если больше, то уменьшается до значения достижимой [20-22].
Для проведения экспериментальных исследований использовались эластичные полимерно-абразивные круги компании 3М, показанные на рис. 1-3 и изготовленные из абразивного материала 8со1сЬ-Вгке™. Параметры данных эластичных полимерно-абразивных кругов приведены в табл. 1.
Рис. 1. Прессованные круги марки FS-WL
Рис. 2. Прессованный круг марки DB-WL
Рис. 3. Лепестковый круг марки CF-FB
Таблица 1
Параметры эластичных полимерно-абразивных кругов
Круг Dk, мм Bk, мм rk, мм dk, мм Mk, кг yk, кг/м3 Абразив Зернистость Z, мкм
FS-WL-8AMED 140,5 26 17.5 25,4 0,278 712,77 Al2Ü3 50-60
FS-WL-6SFIN 129,5 25,5 17,5 25,4 0,162 501,63 SiC 45-50
FS-WL-2SCRS 147,2 26 17,5 25,4 0,162 377,37 SiC -200
DB-WL-8SMED 147,8 25,6 17,5 25,4 0,284 666,29 SiC 50-60
CF-FB-0,5AFIN 193 50 45 76,5 0,418 339,03 Al2Ü3 45-50
Примечание: Бк - диаметр круга, мм; Вк - ширина круга, мм; гк - радиус втулки круга, мм; dk - диаметр отверстия, мм; Мк - масса круга, кг; ук - плотность материала круга, кг/м3.
В качестве обрабатываемого материала использован сплав В95пчТ2, как типовой представитель высокопрочных алюминиевых сплавов, широко применяемых в авиастроении.
Эксперименты по установлению зависимостей шероховатости по параметру Ra от режимов обработки проводились на опытных образцах, представляющих собой пластины размером 3 х 20 х100 мм (рис. 4) на вертикальном обрабатывающем центре Deckel Maho DMC 635V.
о <N
100
Рис. 4. Опытный образец
Продольная и поперечная шероховатость по параметру Ra измерялась на профилографе-профилометре Taylor Hobson Form Talysurf i200 (рис. 5).
В результате проведения экспериментальных исследований установлено, что поперечная шероховатость по параметру Ra увеличивается с ростом деформации круга (рис. 6). Это объясняется тем, что с увеличением деформации растет вертикальная составляющая силы, а следовательно, увеличи-
Ra, мкм
вается глубина внедрения единичных зерен в обрабатываемый материал.
Рис. 5. Профилограф-профилометр Taylor Hobson Form Talysurf i200
С увеличением скорости резания поперечная шероховатость по параметру Ra также растет (рис. 7). Это объясняется тем, что с увеличением скорости растет центробежная составляющая силы удара абразивного зерна по обрабатываемой поверхности.
От продольной подачи поперечная шероховатость не зависит. Это видно на рис. 8 и подтверждено дисперсионным анализом при доверительной вероятности 0,95 [23], результаты которого приведены в табл. 2.
Ra, мкм
0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 AY, мм
Рис. 6. Зависимость параметра шероховатости Ra от деформации AY при S = 130 мм/мин для кругов: 1 - FS-WL 8A MED при V = 441,4 м/мин; 2 - FS-WL 6S FIN при V = 406,8 м/мин; 3 - FS-WL 2S CRS при V = 464,4 м/мин; 4 - DB-WL 8S MED при V = 464,3 м/мин; 5 - CF-FB 0,5A FIN при V = 606,3 м/мин
Ra, 4
3,5 3
2,5
1,5 1
0,5 0
3\
♦
♦ о ♦
< • о .«о» о Р
и —5
о
Ra, мкм 2
1,5
0,5
0
Р ^4
ф
А M ♦
* 42
250 350 450 550 650 750 850 950 V, м/мин 250 350 450 550 650 700 V, м/мин
Рис. 7. Зависимость параметра шероховатости Ra от скорости резания V при подаче S = 130 мм/мин для кругов: 1 - FS-WL 8A MED при AY = 1,5 мм; 2 - FS-WL 6S FIN при AY = 1,5 мм; 3 - FS-WL 2S CRS при AY = 2,5 мм; 4 - DB-WL 8S MED при AY = 1,5 мм; 5 - CF-FB 0,5A FIN при AY = 4 мм
Ra, мкм 3
Ra, мкм
2,5 2 1,5 1
0,5
• Z1 • 2,5 ♦ —*—
—•- -2-У —•— У 5 2 ♦ ♦
S— / Л - 1,5 -1
4 с *** m
•*• ^2
100 200 300 400 S, мм/мин
100 200 300 400 S, мм/мин
Рис. 8. Зависимость параметра шероховатости Ra от продольной подачи S для кругов: 1 - FS-WL 8A MED при V = 441,4 м/мин, AY = 1,5 мм; 2 - FS-WL 6S FIN при V = 406,8 м/мин, AY = 1,5 мм; 3 - FS-WL 2S CRS при V = 457,9 м/мин, AY = 2,5 мм; 4 - DB-WL 8S MED при V = 464,3 м/мин, AY = 1,5 мм; 5 - CF-FB 0,5A FIN
при V = 606,3 м/мин, AY = 4 мм
Таблица 2
Результаты дисперсионного анализа зависимостей Ra от подачи S
мкм
2
1
0
0
Марка круга Функция SA2, мкм2 S02, мкм2 F = Sa2/SC2 Значимость влияния фактора
FS-WL 8AMED Ra = ÄS) 0,053 0,259 0,204 Не значимо
FS-WL 6SFIN 0,036 0,044 0,812 Не значимо
FS-WL 2SCRS 0,127 0,096 1,327 Не значимо
DB-WL 8SMED 0,145 0,072 2,007 Не значимо
CF-FB 0,5AFIN 0,263 0,125 2,106 Не значимо
Полученные зависимости шероховатости обработанной поверхности по параметру Яа аппроксимированы выражением
Яа = агАУ2 + а2У2 + а3А7 + а4У + а5А7У + а6, (1)
где У - скорость резания, м/мин; А7 - деформация круга, мм.
Значения коэффициентов а1-а5 и свободного члена а6 уравнения (1) приведены в табл. 3.
Исследования достижимой продольной шероховатости показали, что Капрод для всех использованных эластичных полимерно-абразивных кругов не зависит от заданных режимных параметров обработки.
Таблица 3
Значения коэффициентов и свободного члена в уравнении (1)
Коэффициент FS-WL 8A MED FS-WL 6S FIN CF-FB 0,5A FIN DB-WL 8S MED FS-WL 2S CRS
a1 0,053 265 41 2,898 29-10-3 6,666 67 ■ 10-3 0,106 131 15 0,098 297
a2 1,132-10-6 9,908 57-10-7 6,666 67-10-' -1,556 15-10-7 6,746-10-/
a3 0,031 161 26 6,125 33 10-6 0,019 68 0,064 689 23 0,0131 788
a4 -1,2031 10-4 3,8861 10-4 7,317 43 -10-5 9,905-10-4 6,061 10-4
a5 4,9298-10-4 4,531 83 ■ 10-4 2,792 89 10-5 2,3847-10-4 5,708-10-4
a6 1,201 14 0,45 1,11 0,6 1,02427
Таблица 4
Доверительные границы достижимой Яапрод и предельные экспериментальные значения
Марка круга ^-^род Ra (max) Ra (min)
FS-WL-8AMED 0,02 < M (Ra прод) < 0,478 0,49 0,06
FS-WL-6SFIN 0,018 < M (Ra^) < 0,508 0,59 0,07
FS-WL-2SCRS 0,124 < M (Ranra) < 0,68 0,7 0,17
DB-WL-8SMED 0 < M ДОапрод) < 0,49 0,47 0,06
CF-FB-0,5AFIN 0,184 < M (Ra^) < 0,722 0,69 0,22
Дисперсионным анализом результатов экспериментов доказано, что при уровне значимости Р = 0,95 по критерию Фишера влияния Д Y, V и S на Капрод являются незначимыми. Численное значение достижимой продольной шероховатости зависит только от характеристик эластичного полимерно-абразивного круга (зернистость, жесткость и т.д.).
После исключения грубых промахов во всей совокупности экспериментальных данных, которые составляли от 48 до 72 измерений, с использованием квантилей Стьюдента определены доверительные границы достижимой Капрод. В табл. 4 приведены эти границы, а также предельные экспериментальные значения.
Таким образом, полученная эмпирическая зависимость (1) позволяет прогнозировать ожидаемую шероховатость при проектировании технологического процесса изготовления детали.
Если в технической документации на изделие есть ограничения по продольной шероховатости, то, пользуясь табл. 4, можно выбрать марку эластичного полимерно-абразивного круга, который позволит обеспечить требуемое значение продольной шероховатости.
Экспериментальное исследование остаточных напряжений
Исследования проведены на образцах из высокопрочного алюминиевого сплава В95пчТ2. Опытный образец (см. рис. 4) крепился в приспособлении с боковых сторон и обрабатывался периферией кругов CF-FB 0,5A FIN (см. рис. 3) и FS-WL 8A MED (см. рис. 1) при различных режимах.
Определялось распределение остаточных напряжений по глубине образца со стороны обработанной плоскости. Напряжения определялись вдоль (по оси ф = -45°), поперек (по оси X, ф = +45°) и промежуточное по оси XI при ф = 0° (рис. 9). При этом измерены нормальные, касательные и главные напряжения во всех направлениях.
Область
Z
=►450
измерения
--- Область травления
Рис. 9. Схема исследования остаточных напряжений
Исследования проводились на дифрактометре рентгеновском Х8ТЯБ88 3000 вЗ/вЗЯ производства 81ге551ес1 0У (Финляндия) с рентгеновской трубкой TFS-3007-HP (рис. 10) и универсальным программным обеспечением для управления оборудованием и обработки данных.
Рис. 10. Дифрактометр рентгеновский XSTRESS 3000 G3/G3R
Измерения дифракции рентгеновских лучей, анализ и отчетность выполнялись в соответствии со стандартом EN 15305:2008. Non-destructive Testing. Test Method for Residual Stress analysis by X-ray Diffraction (Неразрушающий контроль. Метод определения остаточных напряжений с помощью дифракции рентгеновских лучей).
Образцы перед обработкой эластичными полимерно-абразивными кругами фрезеровались четырех-зубой фрезой при n = 1600 об/мин, S = 130 мм/мин, глубине резания 0,5 мм. Состояние остаточных напряжений образцов до обработки эластичными полимерно-абразивными кругами приведено
в табл. 5, из которой видно, что все нормальные остаточные напряжения являются растягивающими.
По результатам исследования образцов, обработанных эластичными полимерно-абразивными кругами, построены эпюры распределения остаточных напряжений по глубине залегания t в поверхностном слое, которые приведены на рис. 11 (после обработки кругом FS-WL-8A MED), а на рис. 12 - после обработки кругом CF-FB-0,5A FIN, по которым видно, что все нормальные остаточные напряжения на поверхности образца являются сжимающими и уменьшающимися (по модулю) по глубине залегания.
Таблица 5
Остаточные напряжения в образцах до обработки эластичными полимерно-абразивными кругами
Метод обработки образца G°z, МПа, вдоль Ф = ^5° G°x, МПа, поперек Ф = +45° T°z, МПа, вдоль Ф = ^5° Главные напряжения
ст°1, МПа о°2, МПа
Цилиндрическое фрезерование +31,1 +154,9 -76,7 + 155,2 +30,8
Торцевое фрезерование +48,9 +41,0 -63,4 +61,3 +28,6
^ X? ^ z ^ xz? 100
50 -
-50
100
\ ■ ■ "« N XI
И 2
0
0,01 0,02 0,03 0,04 t, мм
ст°ь g°2, МПа
150 100 50
0
-50 -100
0,01 0,02 0,03 0,04 t, мм
Рис. 11. Эпюры распределения остаточных напряжений по глубине залегания после обработки кругом FS-WL-8A MED при V = 11,77 м/с, AY = 1 мм, S = 21 мм/мин: 1 - c°z при ф = -45о; 2 - c°xz при ф = 0; 3 - c°x при ф = +45°; 4 - максимальные главные напряжения а°ь 5 - минимальные главные напряжения а°2
50
0
-50 -100 -150 -200 -250 -300
2
\ 1
; \ V
\ х h к
у \ ? N
J1 * * ***
ст°1, о°2, МПа 50-
0
-50 -100 -150
-200 -250 -300 -350
V
< :iN / Г nA
> 1 Г 1
^ 4 /
- :-Д- ''I р_< 4 5
Jj
-
0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 t, мм
0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 t, мм
Рис. 12. Эпюры распределения остаточных напряжений по глубине залегания после обработки кругом CF-FB 0,5A FIN при V = 16,755 м/с, AY = 3 мм, S = 21 мм/мин: 1 - c°z при ф = -45°; 2 - a°xz при ф = 0; 3 - a°x при ф + 45°; 4 - максимальные главные напряжения о°ь 5 - минимальные главные напряжения а°2
0
a°x, a°z, a°xz, МПа
Результаты измерения остаточных напряжений приведены в табл. 6 и 7.
Анализ касательных напряжений показал, что данные напряжения всегда сжимающие и практически не изменяются по глубине залегания и не меняются в зависимости от параметров обработки (скорости резания и деформации круга). До обработки эластичными полимерно-абразивными кругами касательные напряжения были в пределах 65-70 МПа, после обработки эластичным полимерно-абразивным кругом зафиксировано их колебание от 55 до 78 МПа.
При обработке кругом FS-WL-8A MED остаточные напряжения вдоль образца (о°г при ф = -45°) и минимальные главные напряжения о°2 оказались сжимающими, а поперек образца (о0х при ф = +45°) и максимальные главные напряжения o°i при некоторых режимах - растягивающими. Это видно по результатам, приведенным в табл. 6.
В процессе обработки кругом FS-WL-8A MED на формирование остаточных напряжений существенное влияние оказал температурный фактор, поскольку в зоне резания действовали значительные температуры, что и послужило причиной появления малых сжимающих и растягивающих остаточных напряжений.
В результате обработки кругом CF-FB-0,5A FIN в поверхностном слое сформированы сжимающие нормальные остаточные напряжения. Это видно по данным наибольших (по модулю) остаточных напряжений на поверхности образца, приведенным в табл. 7. При обработке кругом CF-FB-0,5A FIN температура в зоне резания мала и существенного влияния на остаточные напряжения оказать не могла. Следовательно, главным фактором является нормальная составляющая силы, под действием которой формируются сжимающие остаточные напряжения.
Таблица 6
Результаты экспериментального определения остаточных напряжений после обработки кругом FS-WL 8A MED при S = 21 мм/мин
V, м/с ДГ, мм o0z, МПа, вдоль, ф = -45° о0*, МПа, поперек, ф = +45° T0z, МПа, вдоль, ф = -45° Главные напряжения
о01, МПА о02, МПа
3,53 1,5 -29,7 +41,5 -78,3 +43,9 -31,8
7,069 -23,1 +41,4 -71,8 +41,5 -23,2
8,831 -43,1 +34,7 -73,2 +37,4 -45,7
7,069 0,5 -49,9 -14,5 -52,8 +0,3 -64,7
1,0 -60,7 -41,8 -75,5 0 -102,5
1,5 -23,1 +41,4 -71,8 +41,5 -23,2
2,0 -19,4 +43,2 -77,2 +67,2 -43,5
Таблица 7
Результаты экспериментального определения остаточных напряжений после обработки кругом CF-FB 0,5A FIN при S = 21 мм/мин
V, м/с ДГ, мм o0z, МПа, вдоль, ф = -45° о0*, МПа, поперек, ф = +45° T0z, МПа, вдоль, ф = -45° Главные напряжения
о0!, МПА о02, МПа
5,053 4,5 -264 -51,4 -71,4 -36,9 -278,5
10,106 -183,9 -200,9 -69,9 -151,9 -232,9
12,632 -217,7 -178,8 -55,3 -143,2 -253,3
16,169 -204,1 -116,5 -65,6 -99,3 -221,3
10,106 3 -283,8 -182,4 -65,8 -163,9 -302,3
3,5 -240,8 -87,9 -97,2 -70,2 -258,4
4,0 -241,9 -107,7 -73,8 -87,1 -262,5
4,5 -183,9 -200,9 -69,9 -151,9 -232,9
В целом следует отметить, что при обработке исследуемыми эластичными полимерно-абразивными кругами образцов, полученных цилиндрическим и торцевым фрезерованием (см. табл. 5), остаточные напряжения оказываются полностью переформированы. С учетом того, что данный процесс обработки происходит на очень тонком разупрочненном поверхностном слое, установлено, что в обрабатываемом материале возникают сжи-
мающие остаточные напряжения на малой глубине залегания.
Как известно [24, 25], сжимающие остаточные напряжения положительно влияют на эксплуатационные свойства изделий, следовательно, обработка эластичными полимерно-абразивными кругами оказывает положительное влияние на формирование качества поверхностного слоя по данному показателю.
Анализ состояния поверхностного слоя при помощи металлографической и электронной микроскопии
При обработке образцов (см. рис. 4) эластичными полимерно-абразивными кругами на обработанной поверхности появляется незначительное потемнение. Необходимо установить, может ли данное явление повлиять на эксплуатационные свойства изделий. Первоначально предполагалось, что на поверхности образца остаются частицы полимерной связки в результате взаимодействия инструмента с материалом образца.
Для установления истиной причины такого явления были проведены исследования поверхностного слоя на электронном микроскопе Jeol JIB-Z4500 (рис. 13) с детектором Oxford X-max и программой INCA Point ID, а также на металлографическом микроскопе «Микромед МЕТ-2» (рис. 14).
Из приведенных снимков поверхностей на микроскопе «Микромед МЕТ-2» до обработки (рис. 15, б), после обработки (рис. 15, г) и после обработки и травления (рис. 15, е) по технологии, применяемой при анодировании всех деталей из алюминиевых сплавов в авиационной промышленности (травление в 20%-ном водном растворе ШОН и последующее осветление в 20%-ном водном растворе НМО3), видно, что обработанные и непротравленные образцы имеют признаки потемнения. После травления по технологии анодирования потемнение полностью исчезает.
Исследования, проведенные на электронном микроскопе 1ео1 ЛБ-24500, показали, что в поверхностном слое присутствуют следующие химические элементы: углерод, кислород, магний, алюминий, кремний, марганец, медь и цинк. Это хорошо видно на диаграмме спектрального анализа (рис. 16).
Рис. 13. Растровый электронный микроскоп JIB-Z4500 Multibeam
Рис. 14. Металлографический микроскоп «Микромед МЕТ-2»
Образец отфрезерован. Травлению не подвергался.
70 мкм а
Увеличение х1000
Образец обработан кругом DB-WL 8SMED. V = 479,09 м/мин, AY = 2 мм, S = 130 мм/мин.
Травлению не подвергался.
Увеличение х1000
70 мкм
в г
Рис. 15. Снимки поверхностей образцов, полученные на электронном (а, в) и металлографическом (б, г) микроскопах. См. также с. 83
Образец обработан кругом Е8-МЪ-8АМЕБ. V = 461,81 м/мин, ДГ = 1,5 мм, S = 130 мм/мин. Подвергался травлению: ЫаОИ - 20 %, НЫ03 - 20 %.
• ; & Щ »" Г#
% |* ■
^ з 1 &
I1-
f-
н
70 мкм
# If. i
«
Увеличение х1000
Э е
Рис. 15. Снимки поверхностей образцов, полученные на электронном (Э) и металлографическом (е) микроскопах. Окончание
Рис. 16. Диаграмма спектрального анализа поверхностного слоя
Если проанализировать данные, полученные при помощи электронной микроскопии и приведенные в табл. 8, то можно сделать вывод о том, что потемнение связано с окислением алюминия при интенсивном взаимодействии инструмента с поверхностным слоем (химическое соединение с участием кислорода, алюминия и других элемен-
тов). Электронное изображение во вторичных электронах по кислороду составляет 14,71 %, а в отраженных электронах - 19,44 %, в необработанном образце кислорода содержится 1,53 и 2,60 % соответственно. После травления содержание кислорода становится практически таким же, как и у необработанного образца.
Таблица 8
Химический состав поверхностного слоя (все результаты средние в вес. %)
Образец Электронное изображение в электронах C O Mg Al Si Mn Cu Zn
Фрезерован, не протравлен вторичных 33,65 1,53 0,63 61,44 0,25 - 0,25 2,25
отраженных 5,43 2,60 0,79 84,75 0,25 - 0,28 2,68
Обработан, не протравлен вторичных 10,15 14,71 2,00 67,17 0,33 0,30 1,02 4,10
отраженных 6,72 19,44 1,83 63,11 0,32 0,28 0,85 3,70
Обработан, протравлен вторичных 19,68 2,13 1,80 70,46 0,41 1,07 4,46
отраженных 8,74 1,16 2,01 81,60 0,31 1,26 4,92
Заключение
Установлено, что исследованные эластичные полимерно-абразивные круги можно эффективно применять для обработки поверхностей деталей из алюминиевых сплавов, применяемых в авиастроении. Полученная в результате проведенных исследований эмпирическая зависимость, описывающая взаимосвязь шероховатости по параметру Ra с режимами обработки, позволяет прогнозировать ожидаемую шероховатость при проектировании технологического процесса изготовления детали.
Установлено, что при рассмотренном способе обработки в обрабатываемом материале возникают сжимающие остаточные напряжения на малой глубине залегания, что положительно влияет на эксплуатационные свойства деталей.
На основании проведенного анализа состояния поверхностного слоя при помощи металлографической и электронной микроскопии следует сделать вывод о том, что случаи потемнения обрабатываемой детали из алюминиевого сплава не могут препятствовать внедрению зачистки поверхностей полимерно-абразивными инструментами в авиационной промышленности, поскольку все присутствующие на поверхности частицы легко удаляются при подготовке к анодированию.
Список литературы
1. Абрашкевич Ю.Д., Оглоблинский В. А., Оглоб-линский А.В. Щеточные инструменты на основе полимерно-абразивных // Мир техники и технологий. -2°°6. - № 5. - С. 5°-52.
2. Абрашкевнч Ю.Д., Пелевин Л.Е., Мачишин Г.Н. Полимерно-абразивные щеточные инструменты для обработки металлических и неметаллических поверхностей // Сб. науч. тр. КНУБА. - 2°°6. - С. 6°-65.
3. Абрашкевич Ю.Д., Мачишин Г.М. Эффективная эксплуатация полимерно-абразивной щетки // Вестник Харьков. нац. автомоб.-дорож. ун-та. - 2°16. -Вып. 73. - С. 59-62.
4. Димов Ю.В., Подашев Д.Б. Исследование качества поверхности при скруглении кромок полимерно-абразивными щетками // Вестник ИрГТУ. - 2° 16. -№ 9. - С. 23-34.
5. Димов Ю.В., Подашев Д.Б. Исследование производительности процесса скругления кромок полимерно-абразивными щетками // Вестник машиностроения. -2°17. - № 3. - С. 74-78.
6. Обоснование выбора полимерно-абразивного инструмента для выполнения отделочных операций / С.И. Дядя [и др.] // Новые материалы и технологии в металлургии и машиностроении. - 2°1°. - № 2. - С. 145-148.
7. Китов А.К. Определение геометрических и силовых параметров контакта ворса полимерно-абразивной щетки с поверхностью детали // Механика деформируемых сред в технологических процессах: сб. науч. тр. -Иркутск, 1997. - С. 23-28.
8. Макаров В.Ф., Виноградов А.В. Измерение профиля скругленных кромок образцов при исследовании обработки кромок дисков ГТД абразивно-полимерными щетками // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Машиностроение, материаловедение. -2010. - Т. 12, № 2. - С. 106-115.
9. Проволоцкий А.Е., Негруб С.Л. Использование полимерабразивного эластичного инструмента на операциях чистовой обработки // Вестник Харьков. нац. авто-моб.-дорож. ун-та. - 2006. - № 33. - С. 106-108.
10. Степанов Д. Н. Влияние параметров полимерно-абразивного инструмента и режимов обработки на шероховатость поверхности титанового сплава ВТ8-М // Нж матерiали i технологи в металургп та машино-будувант. - 2012. - № 2. - С. 87-90.
11. Устинович Д.Ф. Эластичный абразивный инструмент для отделочно-зачистной обработки // Современные методы и технологии создания и обработки материалов: материалы II Междунар. науч.-техн. конф., г. Минск, 3-5 октября 2007 г.; ГНУ «ФТИ НАНБ». -Минск, 2007. - С. 142-146.
12. Устинович Д.Ф., Прибыльский В.И., Мочай-ло А.Г. Эластичный полимерно-абразивный инструмент с дискретным режущим контуром // Машиностроение и техносфера XXI века: сб. тр. 15 междунар. науч.-техн. конф., г. Севастополь, 15-20 сентября 2008 г.: в 4 т. / ДонНТУ. - Донецк, 2008. - Т. 3. - С. 241-244.
13. Чапышев А.П., Иванова А.В., Крючкин А.В. Технологические возможности процессов механизированной финишной обработки деталей // Известия Самарского научного центра РАН. - 2013. - Т. 15, № 6 (2). -С. 533-537.
14. Чапышев А.П., Стародубцева Д.А. Программный модуль назначения режимов финишной обработки с применением автоматических щеточных стационарных установок // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Машиностроение, материаловедение. - 2016. - Т. 18, № 2. - С. 21-37.
15. Яковлев Д.Р., Пини Б.Е. О взаимодействии волокна абразивно-полимерной щетки с обрабатываемой поверхностью // Известия МГТУ «МАМИ». - 2009. -№ 2 (8). - С. 184-187.
16. Dimov Yu.V., Podashev D.B. Edge forces in machining by abrasive brushes // Russian Engineering Research. - 2017. - Vol. 37, no. 2. - P. 117-121.
17. Research on processing efficiency and contact characteristics of M300 steel surface grinding with elastic abrasives / X. Wu, Z. Chen, T. Zhou, C. Ma, X. Shu, J. Dong, J.G. Xuebao // Journal of Mechanical Engineering. - 2018. -Vol. 54, iss. 1. - P. 171-177.
18. Wu X.-J., Zhou T.-Z., Tong Z.-X. Experimental study on surface quality in elasticity ball-end grinding of m330 steel // Journal of Computational and Theoretical Nanoscience. - 2017. - Vol. 14, iss. 11. - P. 5372-5377.
19. Experimental study on flexible abrasive grinding of M330 steel / X. Wu, X. Yu, R. Liu, Q. Wu, N. Jishu yu J. Gongcheng // Nanotechnology and Precision Engineering. -2015. - Vol. 13, iss. 3. - P. 199-204.
20. Бабичев А. П. Вибрационная обработка деталей. - М.: Машиностроение, 1974. - 136 с.
21. Димов Ю.В. Обработка деталей свободным абразивом. - Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2000. - 293 с.
22. Димов Ю.В. Обработка деталей эластичным инструментом. - Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2007. -352 с.
23. Пустыльник Е.И. Статистические методы анализа и обработки наблюдений. - М.: Наука, 1968. - 288 с.
24. Гринченко М.И. Метод определения механических остаточных напряжений и его перспективы для создания эталона единицы механического остаточного напряжения // Вестник метролога. - 2016. - № 4. -С. 19-23.
25. Технология финишной обработки, качество поверхностного слоя и прочностные свойства лопаток паровых и газовых турбин / В.Е. Михайлов [и др.] // Тяжелое машиностроение. - 2015. - № 5. - С. 7-10.
References
1. Abrashkevich Iu.D., Ogloblinskii VA., Ogloblinskii A.V. Shchetochnye instrumenty na osnove poli-merno-abrazivnykh [Brushing tools based on polymer-abrasive materials]. Mir tekhniki i tekhnologii, 2006, no. 5, pp. 50-52.
2. Abrashkevnch Iu.D., Pelevin L.E., Machishin G.N. Polimerno-abrazivnye shchetochnye instrumenty dlia ob-rabotki metallicheskikh i nemetallicheskikh poverkhnostei [Polymer-abrasive brush tools for metal and non-metal surface treatment]. Sbornik nauchnyh trudov. KNUBA, 2006, pp. 60-65.
3. Abrashkevich Iu.D., Machishin G.M. Effektivnaia ekspluatatsiia polimerno-abrazivnoi shchetki [Efficient operation of polymer-abrasive brush]. Vestnik Khar'kovskogo nats. avtomob.-dorozh. Universiteta, 2016, iss. 73, pp. 59-62.
4. Dimov Iu.V., Podashev D.B. Issledovanie kache-stva poverkhnosti pri skruglenii kromok polimerno-abrazivnymi shchetkami [Investigation of surface quality at edge rounding with polymer-abrasive brushes]. Vestnik IrGTU, 2016, no. 9, pp. 23-34.
5. Dimov Iu.V., Podashev D.B. Issledovanie pro-izvoditel'nosti protsessa skrugleniia kromok polimerno-abrazivnymi shchetkami [Performance study of edge rounding process with polymer-abrasive brushes]. Vestnik mashinostroeniia, 2017, no. 3, pp. 74-78.
6. S.I. Diadia et al. Obosnovanie vybora polimerno-abrazivnogo instrumenta dlia vypolneniia otdelochnykh operatsii [Justification for choosing a polymer-abrasive tool for finishing operations]. Novye materialy i tekhnologii v me-tallurgii i mashinostroenii, 2010, no. 2, pp. 145-148.
7. Kitov A.K. Opredelenie geometricheskikh i si-lovykh parametrov kontakta vorsa polimerno-abrazivnoi shchetki s poverkhnost'iu detali [Determination of geometrical and power parameters of the polymer-abrasive brush pile contact with the surface of the part]. Mekhanika deformirue-mykh sred v tekhnologicheskikh protsessakh. Irkutsk, 1997, pp. 23-28.
8. Makarov V.F., Vinogradov A.V. Izmerenie pro-filia skruglennykh kromok obraztsov pri issledovanii obrabotki kromok diskov GTD abrazivno-polimernymi shchetkami [Measuring the profile of rounded edges of samples in the study
of GTE disk edge treatment with abrasive polymer brushes]. Vestnik Permskogo natsional'nogo issledo-vatel'skogo politekh-nicheskogo universiteta. Mashinostroenie, materialovedenie, 2010, vol. 12, no. 2, pp. 106-115.
9. Provolotskii A.E., Negrub S.L. Ispol'zovanie polimerabrazivnogo elastichnogo instrumenta na opera-tsiiakh chistovoi obrabotki [Use of polymer abrasive flexible tools in finishing operations]. Vestnik Khar'kovskogo nats. avto-mob.-dorozh. Universiteta, 2006, no. 33, pp. 106-108.
10. Stepanov D.N. Vliianie parametrov polimerno-abrazivnogo instrumenta i rezhimov obrabotki na she-rokhovatost' poverkhnosti titanovogo splava VT8-M [Influence of polymer-abrasive tool parameters and processing modes on surface roughness of titanium alloy VT8-M]. Novi materiali i tekhnologii v metalurgiï ta mashino-buduvanni, 2012, no. 2, pp. 87-90.
11. Ustinovich D.F. Elastichnyi abrazivnyi instrument dlia otdelochno-zachistnoi obrabotki [Elastic abrasive tool for finishing and finishing work]. Sovremennye metody i tekhnologii sozdaniia i obrabotki materialov. Minsk, 2007, pp. 142-146.
12. Ustinovich D.F., Pribyl'skii V.I., Mochai-lo A.G. Elastichnyi polimerno-abrazivnyi instrument s diskretnym rezhushchim konturom [Elastic polymer-abrasive tool with discrete cutting contour]. Mashinostroenie i tekhnosfera KhKhI veka: sb. tr. 15 mezhdunar. nauch.-tekhn. konf. Donetsk, 2008, vol. 3, pp. 241-244.
13. Chapyshev A.P., Ivanova A.V., Kriuchkin A.V. Tekhnologicheskie vozmozhnosti protsessov mekhaniziro-vannoi finishnoi obrabotki detalei [Technological possibilities of the processes of mechanized bath finishing of the parts]. Izvestiia Samarskogo nauchnogo tsentra RAN, 2013, vol. 15, no. 6 (2), pp. 533-537.
14. Chapyshev A.P., Starodubtseva D.A. Programm-nyi modul' naznacheniia rezhimov finishnoi obrabotki s primeneniem avtomaticheskikh shchetochnykh statsionar-nykh ustanovok [Software module for assigning finishing modes using automatic brush stationary machines]. Vestnik Permskogo natsional'nogo issledovatel'skogo politekhni-cheskogo universiteta. Mashinostroenie, materialovedenie,
2016, vol. 18, no. 2, pp. 21-37.
15. Iakovlev D.R., Pini B.E. O vzaimodeistvii vo-lokna abrazivno-polimernoi shchetki s obrabatyvaemoi poverkhnost'iu [About interaction of abrasive polymer brush fibers with the surface to be treated]. Izvestiia MGTU «MAMI», 2009, no. 2 (8), pp. 184-187.
16. Dimov Yu.V., Podashev D.B. Edge forces in machining by abrasive brushes. Russian Engineering Research,
2017, vol. 37, no. 2, pp. 117-121.
17. Wu X., Chen Z., Zhou T., Ma C., Shu X., Dong J., Xuebao J.G. Research on processing efficiency and contact characteristics of M300 steel surface grinding with elastic abrasives. Journal of Mechanical Engineering, 2018, vol. 54, iss. 1, pp. 171-177.
18. Wu X.-J., Zhou T.-Z., Tong Z.-X. Experimental study on surface quality in elasticity ball-end grinding of m330 steel. Journal of Computational and Theoretical Nanoscience, 2017, vol. 14, iss. 11, pp. 5372-5377.
19. Wu X., Yu X., Liu R., Wu Q., Jishu N., Gongcheng J. Experimental study on flexible abrasive grinding of M330 steel. Nanotechnology and Precision Engineering, 2015, vol. 13, iss. 3, pp. 199-204.
20. Babichev A.P. Vibratsionnaia obrabotka detalei [Vibratory machining of parts]. Moscow: Mashinostroenie, 1974, 136 p.
21. Dimov Iu.V. Obrabotka detalei svobodnym ab-razivom [Processing of parts with free abrasive]. Irkutsk: Izdatelstvo IrGTU, 2000, 293 p.
22. Dimov Iu.V. Obrabotka detalei elastichnym instrumentom [Machining parts with elastic tools]. Irkutsk: Izdatelstvo IrGTU, 2007, 352 p.
23. Pustyl'nik E.I. Statisticheskie metody ana-liza i obrabotki nabliudenii [Statistical methods of analysis and processing of observations]. Moscow: Nauka, 1968, 288 p.
24. Grinchenko M.I. Metod opredeleniia mekhani-cheskikh ostatochnykh napriazhenii i ego perspektivy dlia sozdaniia etalona edinitsy mekhanicheskogo ostatochnogo napriazheniia [Method for determining mechanical residual stresses and its prospects for creating a standard unit of mechanical residual stress]. Vestnik metrologa, 2016, no. 4, pp. 19-23.
25. V.E. Mikhailov et al. Tekhnologiia finishnoi obrabotki, kachestvo po-verkhnostnogo sloia i prochnostnye svoistva lopatok pa-rovykh i gazovykh turbin [Finishing technology, surface layer quality and strength properties of steam and gas turbine blades]. Tiazheloe mashinostroenie, 2015, no. 5, pp. 7-10.
Получено 03.11.2020
Опубликовано 10.12.2020
Сведения об авторе
Подашев Дмитрий Борисович (Иркутск, Россия) -кандидат технических наук, доцент кафедры конструирования и стандартизации в машиностроении Иркутского национального исследовательского технического университета, e-mail: dbp90@mail.ru.
About the author
Dmitriy B. Podashev (Irkutsk, Russian Federation) -Ph.D. in Technical Sciences, Associate Professor, Department of Design and Standardization in Mechanical Engineering, Irkutsk National Research Technical University, e-mail: dbp90@mail.ru.
