CC BY
33
Оригинальная статья / Original article УДК: 629. 923. 1
DOI: 10.21285/1814-3520-2016-8-43-55
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КАРБИДКРЕМНИЕВЫХ АБРАЗИВНЫХ КРУГОВ ПРИ ПЛОСКОМ ШЛИФОВАНИИ ТИТАНОВОГО СПЛАВА ВТ20
© Я.И. Солер1, Май Динь Ши2
Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, Россия, ул. Лермонтова, 83.
Резюме. Цель. В данной работе проведено изучение влияния десяти характеристик абразивных кругов из карбида кремния на высотные параметры шероховатости поверхности деталей из титанового сплава ВТ20 и выбор наилучшего. Методы. Учитывая неустойчивость процесса шлифования и случайную природу формирования микрорельефа поверхности, анализ исследуемых данных (ИД), рассматриваемых случайными величинами (СВ), ведем с привлечением непараметрического метода статистики, который использует медианы (меры положения) и квартильные широты КШ (меры рассеяния). В связи с большим объемом вычислений использована программа Statistics 6.1.478.0. Результаты и их обсуждение. Наименьшие высоты шероховатости получены при шлифовании абразивными кругами (АК) Norton 39С 46 К8 VK (i = 2) и 39С 60 К8 VK (i = 3). Российский абразивный инструмент 63С F40 L7V (базовый) обеспечивает достаточно хорошую шероховатость поверхности титановых деталей (Ra1 = 0,5 мкм). Наименьшая КШ, предсказана для АК i = 2, что обеспечило повышение стабильности шлифования по сравнению с базовым кругом 63C F40 (i = 1) в 2,6 раза для Ra и в 1,42 раза для Rmax. По сравнению с АК i = 2 возросли КШ для высокопористого круга (ВПК) 39С 46 I12 VP (i = 4) от 0,05 до 0,07 мкм по Ra и от 0,43 до 0,53 мкм по наибольшей шероховатости. Выводы. Установлено, что шлифование деталей из сплава ВТ20 рекомендуется вести на предварительном этапе - ВПК Norton 37С (46, 60) K12 VP, на окончательном - Norton 39C46 K8 VK нормальной пористости. Круг 63C F40 L7V российского производства уступает кругам Norton по РС, но дешевле их почти в десять раз.
Ключевые слова: шлифование, титановый сплав, шероховатость, статистика, среднее, медиана, мера рассеяния.
Формат цитирования: Солер Я.И., Май Динь Ши. Повышение эффективности использования карбидкремниевых абразивных кругов при плоском шлифовании титанового сплава ВТ20 // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2016. № 8 (115). С. 43-55. DOI: 10.21285/1814-3520-2016-8-43-55
IMPROVING EFFICIENCY OF USING SILICON CARBIDE ABRASIVE WHEEL UNDER SURFACE GRINDING OF VT20 TITANIUM ALLOY Ya.I. Soler, Mai Dinh Si
Irkutsk National Research Technical University, 83, Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.
Abstract. Purpose. The paper studies the influence of ten characteristics of silicon carbide abrasive wheels on the height parameters of surface roughness of titanium alloy VT20 workpieces and selection of the best tool for their grinding. Methods. Considering the instability of the grinding process and the random nature of surface microrelief formation, the research data (ARD) are analyzed by random variables (RV) with the application of a nonparametric statistical method which uses medians (measures of position) and quartile latitudes (QL) (measure of dispersion). Statistica 6.1.478.0. program has been used due to the large volume of calculations. Results and their discussion. The smallest heights of surface roughness were obtained under grinding by abrasive wheels (AW) Norton 39С 46 К8 VK (i = 2) and 39С 60 К8 VK (i = 3). The Russian abrasive tool 63С F40 L7V (a base wheel) provides a sufficiently good surface roughness of titanium parts (Ra1 = 0.5 |jm). The smallest QL/ was predicted for the AW (i = 2), which provided improved grinding stability as compared with the base wheel 63C F40 (i = 1) by 2.6 times for Ra and by 1.42 times for Rmax. As compared to the AW i = 2 the QL for the highly porous wheel (HPW) 39С 46 I12 VP (i = 4) increased from 0.05 to 0.07 jm by Ra and from 0.43 to 0.53 by Rmax. Main conclusions. It was found that at the roughing stage the HPW Norton 37С (46, 60) K12 VP is
1Солер Яков Иосифович, кандидат технических наук, доцент кафедры технологии и оборудования машиностроительных производств, e-mail: solera@ istu.irk.ru
Soler Yakov, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Technology and Equipment of Machinery Production, e-mail: solera@istu.irk.ru
2Май Динь Ши, аспирант кафедры технологии и оборудования машиностроительных производств, e-mail: solera@istu.irk.ru
Mai Dinh Si, Postgraduate of the Department of Technology and Equipment of Machinery Production, e-mail: solera@istu.irk.ru
©
recommended for grinding parts from VT20 alloy, whereas normal porous wheel Norton 39C46 K8 VK is advisable to use at the final stage. The Russian-manufactured wheel 63C F40 L7V is inferior in cutting capability to Norton wheels but it is ten times cheaper.
Keywords: grinding, titanium alloy, roughness, statistics, mean, median, measure of dispersion
For citation: Soler Ya.I., Mai Dinh Si. Improving efficiency of using silicon carbide abrasive wheel under surface grinding of VT20 titanium alloy. Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2016, no. 8 (115), pp. 43-55. (In Russian) DOI: 10.21285/1814-3520-2016-8-43-55
Введение
Наиболее важными эксплуатационными свойствами деталей машин и их соединений являются износостойкость, контактная жесткость, коррозионная стойкость, усталостная прочность, герметичность, которые зависят от топографических параметров микрогеометрии, свойств материалов и приложенной нагрузки. Сказанное раскрывает доминирующую роль шероховатости в характеристике качества поверхности деталей в машиностроении. На формирование поверхностного слоя деталей в наибольшей мере влияет окончательный этап механообработки, в качестве которого наиболее часто применяется шлифование [1].
Титановые сплавы, обладающие отличным сочетанием уникальных свойств: высокой удельной прочностью (отношения прочности к массе), исключительной устойчивостью к коррозии и жаропрочностью -широко используются в авиационной и космической технике, газоперекачивающей аппаратуре, химическом оборудовании и судостроении [2; 3]. В табл. 1 приведены материалы, которые применяются при про-
изводстве газотурбинных двигателей (ГТД). Очевидно, что потребление титановых сплавов существенно возросло со времени перехода от двигателей второго поколения к четвертому (в 5,64 раза).
Одной из основных причин, ограничивающих использование титановых сплавов в промышленности, является их низкая обрабатываемость абразивными инструментами. Это объясняется адгезионным и диффузионным взаимодействием между абразивными и обрабатываемыми материалами, а также интенсивным засаливанием рабочей поверхности абразивного инструмента. В работах [4-7] отмечены случаи налипания стружки на рабочие поверхности абразивного инструмента и повышенное содержание кремния и алюминия при шлифовании соответственно кругами из карбида кремния и электрокорунда. Работа [8] посвящена исследованию влияния режима шлифования кругом из зеленого карбида кремния обычной пористости на шероховатость поверхности титанового сплава ВТ6. Установлено, что шероховатость поверхно-
Таблица 1
Материалы, применяемые при производстве ГТД (% от массы двигателя) [3]
Table 1
Materials used in gas turbine engine production (% of the engine mass) [3]
Материал / Material Поколение двигателей / Engine generation Примечание/ Note
II III IV
Жаропрочные М-сплавы и стали / Heat-resistant Ni alloys and steels 28 41 58 Остальное - конструкционные стали и цветные сплавы / The rest - structural steels and nonferrous alloys
Нержавеющие стали / Stainless steels 26 12 12,6
Титановые сплавы / Titanium alloys 5,5 11,5 31
Алюминиевые сплавы / Aluminum alloys 7,3 1,8 0,28
сти остается практически неизменной в пределах Ra = 0,175-0,234 мкм при увеличении скорости движения заготовки от 5,52 до 16,1 м/мин и подачи на глубину от 0,005 до 0,015 мм/ход.
С целью снижения прижогов при шлифовании деталей из труднообрабатываемых материалов были созданы высокопористые круги (ВПК), образующие большее пространство между зернами по сравнению с обычной структурой (6-7-ой) для более свободного размещения стружки. Сказанное снижает их засаливание и улучшает условия подачи СОЖ в зону резания, предотвращая появление прижогов и трещин [9].
Известно, что ВПК на керамических связках нашли широкое применение на операциях предварительного и окончательного шлифования различных групп титановых сплавов со скоростью до 120 м/с. Разработка и освоение производства ВПК из зеленого карбида кремния на основе ке-
рамической связки, как показано в [10], обеспечивают повышение производительности шлифования (до 40% по машинному времени) по сравнению с кругами обычной структуры и отсутствие дефектов на шлифованной поверхности. Сказанное значительно уменьшает количество бракованных деталей.
Выполненная работа посвящена изучению влияния характеристик абразивных кругов из разных марок карбида кремния на высотные параметры шероховатости титанового сплава ВТ20. В качестве базового варианта использован абразивный круг (АК) нормальной пористости, выпускаемый Лужским абразивным заводом (ЛАЗ) со структурой 73. Остальные АК и ВПК изготовлены крупнейшим производителем абразивного инструмента в мире Saint-Gobain Abrasives - подразделением многопрофильного концерна Saint-Gobain (Франция - США) под торговой маркой Norton [11].
Методика проведения эксперимента
В табл. 2 представлены основные условия проведения натурного эксперимента. Опускание круга на глубину вели в момент смещения продольного стола в крайнее левое положение относительно оператора. В связи с этим перемещение стола слева направо считаем рабочим.
Срезание металла с поверхности протекало по схеме встречного шлифования, поскольку круг имеет вращение по часовой стрелке. Тогда обратное движение стола вместе с заготовкой в пределах заданной подачи яп становится выхаживающим, формирующим микрорельеф поверхности. Учитывая, что величина яп меньше высоты абразивного инструмента, оставшаяся рабочая поверхность круга обеспечивает выхаживание поверхности в обоих направлениях продольного перемещения стола. Но и в этом случае завершающий проход инструмента всегда протекает в условиях попутного шлифования. Исследуемые образцы подготовлены из тита-
нового сплава ВТ20 (ае = 950-1150 МПа, 6 = 5-12%, Е = 105-110 ГПа) с размерами LxВxH = 35*40*40 мм [3]. Объект исследования шлифуется по плоскости L^В без выхаживания; СОЖ - 5%-ная эмульсия Аквол- 6 (ТУ 0258-024-00148845-98), подаваемая поливом на деталь с расходом 7-10 л/мин. Количество параллельных наблюдений - п = 30 (V = 1;30). Форма и размеры инструментов представлены в табл. 2. Переменные условия шлифования отражены кодом «dijv», удобным для анализа выходных параметров процесса с использованием статистических методов. В данном случае индекс ё = 1;2 характери-
ГОСТ 3647-80. Материалы шлифовальные. Классификация. Зернистость и зерновой состав. Методы контроля. Введ. 01.01.1982. М.: Изд-во стандартов, 2004. 19 с.
GOST 3647-80. Materialy shlifoval'nye. Klassifikaciya. Zernistost' i zernovoj sostav. Metody kontrolya. [Grinding materials. Classification. Grain size and grain structure. Control methods]. Moscow, Izd-vo standartov Publ, 2004. 19 p.
Таблица 2
Основные условия проведения эксперимента
Table 2
Main experimental conditions_
Станок/ Круг / Форма и размеры / Технологические параметры / Technological parameters
Machine-tool Wheel Shape and dimensions W, Snp, Sn, t, Z,
Vw Slnq Scr t z
3Е711В 3E711V Norton 01 250 x 20 x 76, мм/mm [11]
3Г71М 3G71M Norton 01 250 x 20 x 76, мм/mm [11] 35 6 4 0,01 0,1
ЛАЗ LAZ 1 250 x 20 x 76, мм3 /mm3
Примечание. vK - скорость круга, м/с; snp - продольная подача, м/мин; sn - поперечная подача, мм/дв.ход; t - глубина резания, мм; z - операционный припуск, мм.
Note. vw - grinding wheel speed, m/s; S|ng - longitudinal feed, m/min; scr - cross feed, mm/double throw; t - cutting depth, mm; z - operating allowance, mm.
зует направление расположения шероховатости: 1 - параллельно вектору sn, 2 -параллельно вектору . Характеристики исследуемых инструментов закодированы индексом i = 1,10:
1 - 63С F40 L7 V;
2 - 39С 46 К8 VK:
3 - 39С 60 К8 VK:
4 - 39С 46 112 VP;
5 - 39С 46 K12 VP;
6 - 39С 80 K12 VP;
7 - 37С 46 112 VP;
8 - 37С 46 К12 VP;
9 - 37С 60 К12 VP;
10 - 37С 80 К12 VP.
Абразивные круги i = 1,6 изготовлены из зерен зеленого карбида кремния, а круги i = 7,10 - из зерен черного карбида кремния. АК i = 1 обычной пористости (структура 7) выпускают в России по ГОСТ 3647-80 с твердостью L и с зернистостью 40 (500/400)4. Остальные круги созданы под торговой маркой Norton , где i = 2; 3 являются инструментами обычной пористости, а i = 4,10 - ВПК, в которых варьировались зернистость от 46 (425/355) до 80
(212/180)4 и твердость от I до В скобках представлены размеры зерен основной фракции. Буквы в конце характеристик инструмента показывают используемую связку. При этом остеклованные керамические связки обозначаются буквой V, которые дополнительно при высокой чистоте обозначаются буквой Р. Эти связки идеальны для операций, где требуется высокая точность и узкие допуски. Остеклованные связки противостоят воде, маслам, химикатам и температурам шлифования. Для кругов / = 2; 3 буквами VK обозначают особую связку
для зерен карбида кремния. Индекс ] = 1;3 использован в коэффициентах стабильности, которые рассмотрены ниже для различных мер рассеяния: 1 - по 2 - по
я,,, 3 - по кшл.
Исследуемые параметры шероховатости (Яа, Яд, Яг, Я^), измерены с помощью
ТОСТ Р 52381-2005 (ИСО 8486-1:1996, ИСО 63442:1998, ИСО 9138:1993, ИСО 9284:1992). Зернистость и зерновой состав шлифовальных порошков. Контроль зернового состава. Введ. 01.07.2006. М.: Стандартинформ. 2006. 12с. GOST R 52381-2005 (ISO 8486-1:1996, ISO 63442:1998, ISO 9138:1993, ISO 9284:1992;. Zernistost' i zernovoj sostav shlifoval'nyh poroshkov. Kontrol' zerno-vogo sostava. [Grain size and size composition of grinding powders. Control of size composition]. Moscow, Standartinform Publ., 2006. 12 p._
системы на базе профилографа - профи-лометра модели 252 завода «Калибр»5.
Учитывая неустойчивость процесса шлифования и случайную природу формирования шероховатостей, анализ наблюдений ведем с привлечением статистических подходов. Рассматриваем их случайными величинами (СВ), образующими независимые множества:
{у1Х],1=mv=1зо. (1)
В технических приложениях используются параметрические и непараметрические методы статистики (например, ранговые). Характеристиками одномерного распределения частот для (1) служат6,7 [12; 13]: для первого направления - средние y = y, стандарты отклонений (SD
размахи R =|ymax - yM„l; для второго
направления - медианы уп квартальные
широты КЩ = |_у075 -_у025| , охватывающие
50% наблюдений (1). Первая частота характеризует меру положения (опорное зна-
ГОСТ 25142-82. Шероховатость поверхности. Термины и определения. Введен 83-01-01. М.: Изд-во стандартов, 1982. 22 с.
GOST 25142-82. Sherohovatost' poverhnosti. Terminy
i opredeleniya. [Surface roughness. Terms and definitions]. Moscow, Izd-vo standartov Publ., 1982. 22 p.
6ГОСТ Р ИСО 5725-1-2002. Точность (правильность
и прецизионность) методов и результатов измерений. Ч. 1. Основные положения и определения. Введен 2002-11-01. М.: ИПК Изд-во стандартов, 2002. 24 с.
GOST R ISO 5725-1-2002. Tochnost' (pravil'nost' i precizionnost') metodov i rezul'tatov izmerenij. CH. 1.
Osnovnye polozheniya i opredeleniya [Accuracy (correctness and precision) of measurement methods and results. Part 1: Main principles and definitions.]. Mos-
cow, Izd-vo standartov Publ., 2002. 24 p.
7ГОСТ 2789-73. Шероховатость поверхности. Параметры, характеристики и обозначения. Введен 1975-11-01. Взамен ГОСТ 2789-1959. М.: Изд-во стандартов, 1973. 10 с.
GOST 2789-73. Sherohovatost' poverhnosti. Para-metry, harakteristiki i oboznacheniya. Vveden 197511-01. Vzamen GOST 2789-1959 [Surface roughness. Parameters, characteristics and symbols]. Moscow, Izd-vo standartov Publ., 1973. 10 p.
чение), а последующие - меры рассеяния (прецизионность). Сдвиги у. относительно
у.т обусловлены асимметрией (скошенностью) кривых распределений и находятся из выражения:
Ц=[3(у.-у)/!Ю]г (2)
Каждый метод статистики имеет свою область рационального применения. Для параметрического метода (1) должны обеспечивать требования нормальности и гомоскедастичности распределений (однородность и гомогенность дисперсий). При этом второе ограничение должно выполняться наиболее строго. В условиях нарушения оговоренных требований к СВ следует воспользоваться непараметрическим методом, который не связан со свойствами конкретного семейства распределений. Одномерный дисперсионный анализ (ОДА) и множественный поиск ожидаемых опорных значений (у.,ту), 1 = 1; 10 проведены с использованием программы Statistica 6.1.478.0, что снизило трудоемкость работы, связанной с большим объемом вычислений [14; 15].
Влияние непараметрического метода на меры положения оценивали медианными коэффициентами при неизменном d = 1 (ограничились основным направлением для высотных шероховатостей) и переменном 1 = 1; 10:
км11 = (у/уЛп (3)
Кш = (ту/У. к. (4)
Оценку режущей способности (РС) кругов 1 = 2,10 относительно базового инструмента 63С Р40 Ь7 V (1 = 1) ведем для обеих характеристик одномерного распределения частот (1) в поперечном направлении [13-15]:
Кь=(у,/уЛ, (5)
Кh= (myi/myl )l,
(6)
КстШ - (R1 / RJl -
(8)
Kmhl - (SD, /SD) ,
(7)
КтШ - (Ш /КШ) .
(9)
Результаты исследования и их обсуждение
Для выбора статистического метода интерпретации (1) сначала проведено тестирование на однородность дисперсий (нуль-гипотез И0) для всех параметров в двух направлениях й = 1; 2 при работе
кругами , = 1; 10 по трем группам критериев (а = 1;3): 1 - Хартли, Кохрена, Бартлетта (в программе представлены одной совокупностью), 2 - Левене, 3 - Брауна-Форсайта.
Считаем, что И0 имеют место, если количество решений в их пользу составляет / е [2;3]. Установлено, что для шероховатостей (яа, Яя, ^Лтхк в продольном направлении И удовлетворяют условию при / = 3. В ортогональном направлении
для первой группы критериев все приняты (для с незначительной ошибкой 2-го рода). При тестировании гомогенности по остальным критериям выявлено, что подтверждены для всех параметров при наличии ошибок 2-го рода.
Проверка (1) на нормальность распределений для всех параметров шероховатости и кругов , = 1; 10 проведена по критерию Шапиро-Уилка. По нему для принятия И должны выполняться неравенства: щ> 0,5. Результаты тестирования
представлены в табл. 3 и свидетельствуют, что в поперечном направлении из 40 вариантов шлифования (1) можно аппроксимировать кривой Гаусса в 15 случаях, в ортогональном их количество возросло до
23. Таким образом, условия применения параметрического метода обеспечены в неполном объеме. Это привело к необходимости привлечения ранговых статистик в качестве приоритетного направления ис-
следования.
Установлено, что поперечные шероховатости превышают свои продольные аналоги в 2-3,6 раза. Для среднего арифметического отклонения профиля и наибольшей высоты профиля полученные результаты представлены в табл. 4:
Ral/Ra2 =2,2-3,4,
^/^=2,0-2,9.
По остальным шероховатостям, которые не вошли в публикации для сокращения ее объема, полученные результаты таковы:
^/^ = 2,2-3,3, £,1/^2=2,4-3,6. По
этой причине поперечные шероховатости при оценке РС кругов должны приниматься во внимание в первую очередь. Наименьшая анизотропия шероховатости предсказана при шлифовании деталей ВТ20 кругами высокой пористости / = 9 из черного карбида кремния 37С с зернистостью 60, а наибольшая - для ВПК 39С60 (/ = 3). Анизотропию шероховатостей следует использовать для повышения эксплуатационных свойств деталей. В частности, при шлифовании детали следует располагать таким образом, чтобы продольные шероховатости воспринимали наибольшие нагрузки. В работе [16] предлагается для снижения их анизотропии проводить шлифование кругами с аксиально-смещенным режущим слоем и осцилляцией заготовки.
Как видно из табл. 4, для всех исследуемых параметров
(Яа'Яд'Я2'Ятах)1г -
которые частично представлены в статье, выявлено, что 30 опытных медиан уи из
Таблица 3
Тестирование (1) на нормальность распределений
Table 3
_Distribution normalcy testing (1)_
Круг / Wheel i=ш а
Ra1 Rq1 Rz1 Rmax1 Ra2 Rq2 Rz2 Rmax2
1 0,009 0,007 0,006 0,008 0,604 0,340 0,522 0,442
2 0,003 0,0006 0,001 0,001 0,094 0,126 0,118 0,036
3 0,219 0,132 0,757 0,377 0,339 0,334 0,202 0,556
4 0,044 0,033 0,521 0,701 0,594 0,438 0,734 0,380
5 0,002 0,011 0,164 0,015 0,013 0,026 0,042 0,070
6 0,303 0,550 0,727 0,816 0,0002 0,0008 0,0005 0,045
7 0,259 0,251 0,620 0,253 0,00006 0,0002 0,004 0,001
8 0,030 0,012 0,130 0,395 0,290 0,077 0,031 0,045
9 0,9127 0,836 0,393 0,990 0,007 0,014 0,015 0,074
10 0,474 0,510 0,562 0,239 0,007 0,010 0,006 0,013
Примечание. Круги i - см. методику проведения эксперимента. Note. Wheels i - see the experiment methodology above.
общего числа N = 4*10 = 40 оказались меньше одноименных опытных средних, т.е. по (2) имеет место положительная асимметрия. При этом только для R110
параметрическая мера положения превысила медиану на одну КВ. В остальных случаях сдвиг уи относительно у,, протекал
внутри КВ. В результате этого коэффициенты (3) в большинстве случаев оказались меньше единицы, что вскрывает дополнительные резервы повышения эксплуатационных показателей машин или производительности шлифования. Полученные результаты свидетельствуют о целесообразности привлечения рангового метода взамен гауссового конкурента, который «на чужом поле» [13] показал меньшую точность поиска опорных величин. Различия между медианными коэффициентами (4) и (3) также подтверждают целесообразность проведения второго этапа ОДА. При оценке РС кругов по коэффициенту (5) установлено, что наименьшие высоты шероховатости получены при шлифовании инструментами Norton из зеленого карбида кремния обычной пористости (i = 2; 3), так как для всех исследуемых параметров при i = 2; 3 коэффициент (5) предсказан в диапазоне K =
0,753-0,851. Сказанное дополнительно иллюстрирует рисунок. Вторую позицию заняли ВПК i = 9; 10 из черного карбида кремния с зернистостью 60 и 80 - K = 0,975-1,000. По сравнению с аналогичными продуктами, изготовленными зарубежными фирмами, российский абразивный инструмент 63С F40 L7V (базовый) обеспечивает достаточно хорошую шероховатость поверхности титановых деталей (Ra11 = 0,5 мкм), хотя он изготовлен с 7-й структурой и имеет более высокую твердость L.
По параметрам и коэффициентам (6), показанным в табл. 4, очевидно, что по опорным величинам при шлифовании ВПК Norton из зерен чернового и зеленого карбида кремния с варьированием зернистости от 46 до 80 и твердости от I до K шероховатость поверхностей обработанных деталей изменялась слабо, так как коэффициенты (6) в десяти из четырнадцати случаев предсказаны равными единице и ожидаемые медианы myt для всех ВПК колебались в пределах одной КВ (кроме Ra11o) (табл. 4). В результате сказанного ВПК Norton рекомендуется использовать на предварительном этапе шлифования сплава ВТ20 с целью уменьшения теплового воздействия на поверхностный слой, а
Таблица 4
Влияние характеристик кругов на меры положения шероховатостей и коэффициенты (3)-(6) для параметров (Ra, Rmax)1i
Table 4
Influence of wheel characteristics on the measures of roughness position and coefficients (3)-(6) for the parameters (Ra, Rmax)1i
Параметр Parameter Круг Wheel i = ÎJÔ y. yi h myi KMi (3) Kr K (5) K.
мкм / |jm Mi (4) i (6)
1 0,432 0,405 0,424 0,416 0,938 0,981 1,000 1,000
(0,50) (0,50) (0,50) (0,50)
2 0,322 0,305 0,345 0,350 0,947 1,014 0,753 0,841
(0,40) (0,32) (0,40) (0,40)
3 0,332 0,340 0,349 0,367 1,024 1,053 0,840 0,882
(0,40) (0,40) (0,40) (0,40)
4 0,437 0,425 0,425 0,416 0,972 0,979 1,049 1,000
(0,50) (0,50) (0,50) (0,50)
5 0,476 0,465 0,440 0,416 0,976 0,946 1,148 1,000
Ra1i (0,50) (0,50) (0,50) (0,50)
6 0,398 0,390 0,409 0,408 0,979 0,998 0,963 0,980
(0,40) (0,40) (0,50) (0,50)
7 0,449 0,440 0,428 0,416 0,979 0,972 1,086 1,000
(0,50) (0,50) (0,50) (0,50)
8 0,416 0,405 0,418 0,416 0,974 0,995 1,000 1,000
(0,50) (0,50) (0,50) (0,50)
9 0,399 0,395 0,410 0,408 0,991 0,994 0,975 0,980
(0,40) (0,40) (0,50) (0,50)
10 0,386 0,405 0,405 0,398 1,049 0,980 1,000 0,955
(0,40) (0,50) (0,50) (0,40)
1 2,525 2,390 2,513 2,488 0,947 0,990 1,000 1,000
(3,2) (2,5) (3,2) (2,5)
2 1,947 1,880 2,006 2,045 0,965 1,020 0,787 0,822
(2,0) (2,0) (2,5) (2,5)
3 1,895 1,910 1,954 2,045 1,008 1,046 0,799 0,822
(2,0) (2,0) (2,0) (2,5)
4 2,672 2,610 2,574 2,488 0,977 0,967 1,092 1,000
(3,2) (3,2) (3,2) (2,5)
5 2,804 2,665 2,661 2,488 0,950 0,935 1,115 1,000
Rmax1i (3,2) (3,2) (3,2) (2,5)
6 2,393 2,465 2,448 2,488 1,030 1,016 1,031 1,000
(2,5) (2,5) (2,5) (2,5)
7 2,716 2,680 2,612 2,488 0,987 0,952 1,121 1,000
(3,2) (3,2) (3,2) (2,5)
8 2,456 2,405 2,493 2,488 0,979 0,998 1,006 1,000
(2,5) (2,5) (2,5) (2,5)
9 2,340 2,340 2,425 2,488 1,000 1,026 0,979 1,000
(2,5) (2,5) (2,5) (2,5)
10 2,301 2,345 2,387 2,369 1,019 0,992 0,981 0,952
(2,5) (2,5) (2,5) (2,5)
Примечание. (КВ) [20]. Note. Wheels
Круги i - см. методику проведения эксперимента, в скобках указана категориальная величина i - see the experiment methodology above. The categorical value (CV) is indicated in parentheses [20].
Исследуемый круг Wheel under investigation
Описательные непараметрические статистики при шлифовании кругами i = 1;10 по параметру Rai1 Descriptive distribution-free statistics under grinding by the wheels i = 1;10 by the parameter Rai1
круги Norton обычной пористости - на окончательном этапе. Последнее обеспечивает снижение шероховатости на одну-две КВ по сравнению с ВПК Norton. При параметрическом анализе данных по мерам положения, показанным в табл. 4, выявлены различия мер положения у. и уг. нормального распределения от соответствующих аналогов у, и myj непараметрического
метода на одну КВ. На практике сказанное повысило точность оценки РС исследуемых кругов.
Дополнительно проведена оценка РС кругов с учетом стабильности процесса. В табл. 5 показаны все три параметра прецизионности и соответствующие им коэффициенты стабильности (7)-(9), среди которых в условиях приоритетного использования непараметрического метода уделено особое внимание КШ1/ и коэффициентам (9). Меры рассеяния оказались более вариабельными к переменным условиям
шлифования титановых сплавов по сравнению с мерами положения. Представленные результаты свидетельствуют, что наименьшая КШ1( предсказана для АК 39С 46 К8 VK (/ = 2), что обеспечило повышение стабильности шлифования по сравнению с базовым кругом 63С Р40 (/ = 1) в 2,6 раза для ЯЭ1 и в 1,42 раза для Нтах1. Если же проанализировать описательные статистики (рисунок), то достоинства РС АК 39С (/ = 2) только усиливаются. Действительно, все 50% наблюдений (1) сместились ниже процентиля у0Л5(11) для базового АК / = 1. Далее расширяя область исследования до всей операционной партии
(V = 1;30), видим, что верхняя граница размаха уш(11) = 0,8 мкм для базового инструмента снизилась до 0,51 мкм для АК / = 2, т.е. прецизионность процесса повысилась практически на три КВ.
Относительно нижних процентилей: У 0,25 (12) = 0,23 (КВ = 0,25) мкм и у^ т = 0,27
Оценка РС кругов по мерам рассеяния Evaluation of wheel cutting capability by the measures of dispersion
Таблица 5 Table 5
Параметр/ Круг / Wheel S C> Ri/ КШм / QLm Кст1/1 Кст1/2 Кст1/3
Parameter i = 1,10 мкм / ^m (7) (8) (9)
1 0,118 0,530 0,130 1,000 1,000 1,000
2 0,057 0,280 0,050 2,047 1,893 2,600
3 0,084 0,340 0,110 1,406 1,559 1,182
4 0,082 0,360 0,070 1,427 1,472 1,857
Rali 5 0,128 0,640 0,130 0,916 0,828 1,000
6 0,094 0,340 0,120 1,245 1,559 1,083
7 0,084 0,290 0,130 1,403 1,828 1,000
8 0,087 0,410 0,090 1,357 1,293 1,444
9 0,076 0,300 0,100 1,551 1,767 1,300
10 0,084 0,330 0,140 1,401 1,606 0,929
1 0,604 2,830 0,610 1,000 1,000 1,000
2 0,333 1,660 0,430 1,814 1,705 1,419
3 0,348 1,270 0,420 1,736 2,228 1,452
4 0,459 1,910 0,530 1,315 1,482 1,151
Rmax1 i 5 0,609 2,440 0,840 0,992 1,160 0,726
6 0,471 2,060 0,700 1,283 1,374 0,871
7 0,479 1,660 0,610 1,261 1,705 1,000
8 0,418 1,840 0,530 1,444 1,538 1,151
9 0,348 1,460 0,500 1,735 1,938 1,220
10 0,387 1,330 0,660 1,560 2,128 0,924
Примечание. Круги i - см. методику проведения эксперимента Note. Wheels i - see the experiment methodology above.
(КВ = 0,32) мкм - следует отметить, что их снижение ведет к повышению состояния качества поверхности. При этом обеспечиваются условия для сокращения количества технологических переходов не менее, чем на один-два. Установлено, что при шлифовании деталей ВТ20 использование ВПК Norton i = 4; 5 привело к снижению стабильности формирования шероховатости шлифованной поверхности. По сравнению с АК нормальной пористости i = 2 возросли КШ для ВПК i = 4 мягкой твердости от 0,05 до 0,07 мкм по Ra1 и от 0,43 до 0,53 мкм по наибольшей шероховатости. Для ВПК при среднемягкой твердости (K) выявленные закономерности протекали еще с большей интенсивностью. В связи с
одновременным ростом медиан Яаи, / = 4; 5 (рисунок) их нижние процентили сместились выше у№(11) для АК 39С46 К8 УК, что
снизило надежность пребывания 50% наблюдений в пределах КВ = 0,4 мкм. Выявлено, что при шлифовании титановых заготовок ВПК 37С зависимость КШ = 1 (зернистости - 46; 60; 80) коррелирована дополнительно с параметрами шероховатости. В частности, для шероховатости
имеем минимум при зернистости 46, а для Кщгл - при зернистости 60. Выбор разновидности зерен карбидов кремния имеет большое практическое значение. Оказалось, что стабильность процесса для зерен 39С и 37С коррелирована с двумя другими
характеристиками ВПК: твердостью (/ - мягкой, К - среднемягкой) и зернистостью, которая рассмотрена выше. В частности, принято решение, что для повышения прецизионности процесса целесообразнее выбрать зернистость 46. В связи с этим основной акцент по результатам табл. 5 сделан на КШ для ВПК / = 4; 7 и / = 5; 8. Известно, что абразивный материал 39С отличается большей хрупкостью и способностью к самозатачиванию зерен при шлифовании по сравнению с карбидом кремния черным. Установлено, что при шлифовании ВПК 39С46 при твердости / по сравнению с ВПК / = 7 предсказано повышение стабильности процесса: в 1,46 раза по и 1,15
раза по !. При большей твердости ВПК, равной К, прецизионность процесса усилилась до 1,4-1,6 раза. Возможно, последнее связано с тем, что затупленные зерна 37С дольше удерживаются связкой
при увеличении его твердости, вызывая усиление нестабильности формирования топографии поверхности деталей. Для самых мелких зерен 39С60 и 39С80 можно принять, что ВПК оцениваются равной воспроизводимостью процесса по КШ: 0,12-0,14 мкм по Яа1 и 0,66-0,7 по ЯтахХ.
Стабильность работы кругов по (8Б,Я), 1 = 1; 10 для параметрического
метода удобнее всего сопоставить с их конкурентом по коэффициентам Кст1/д
q = 1;3 (7)-(9). Как видно из табл. 5, в большинстве случаев они совпали на качественном уровне, когда все (7)-(9) одновременно оказались больше или меньше единицы. В частности, для ВПК / = 8 для
параметра ^а1 имеем Кст18д: Я = 1-1,357,
д = 2-1,293, д = 3-1,444, а для Ятах1 соответственно: 1,444; 1,538; 1,151.
Заключение
Подводя итог изложенному в статье, сформулируем выводы:
1. Тестирование (1) показало, что для анализа экспериментальных данных следует в качестве предпочтительного варианта использовать непараметрический метод.
2. По общим оценкам положения и рассеяния среди анализируемых инструментов круг 63С F40 L7 V, выпускаемый в России с более низкой ценой по сравнению с инструментами Norton, обеспечивает хорошую шероховатость поверхности деталей ВТ20 (Ra = 0,5 мкм). Им рекомендуется шлифовать титановый сплав ВТ20 при отсутствии особых требований к качеству изготовляемых деталей.
3. Очевидно, что варьирование зернистости ВПК Norton слабо влияет на
меры положения, а по мерам рассеяния наилучшие результаты показаны кругами с зернистостью 46, 60. При снижении зернистости до 80 шероховатость поверхности деталей повышается.
4. Выявлено, что при постоянной зернистости (46, 60) шероховатость поверхности титановых деталей коррелиро-вана с маркой зерен и твердостью инструмента. Для шлифования ВТ20 лучше использовать ВПК из зеленого карбида кремния с пониженной твердостью I, а ВПК из черного карбида кремния - с повышенной твердостью K.
5. ВПК Norton рекомендуется использовать на предварительном этапе, а АК Norton обычной структуры из зерен 39С - на окончательном (Ra = 0,32-0,4 мкм).
Библиографический список
1. Рыжов Э.В. Суслов А.Г., Федоров В.П Технологическое обеспечение эксплуатационных свойств деталей машин. М.: Машиностроение, 1979. 176 с.
2. Christoph L., Manfred P. Titanium and titanium alloys. Wiley-VCH, Weinheim, 2003, 532 p.
3. Ильин А.А., Колачев Б.А., Полькин И.С. Титановые сплавы. Состав, структура, свойства. Справочник. М.: ВИЛС МАТИ, 2009. 520 с.
4. Turley D. M. Factors affecting surface finish when grinding titanium and a titanium alloy (Ti-6Al-4V) // Wear. 1985. 104. P. 323-335.
5. Носенко С.В, Носенко В.А., Крутинова А.А. и др. Исследование химического состава поверхностного слоя титанового сплава при шлифовании его кругом из карбида кремния без использования СОСТ // СТИН. 2015. № 1. С. 26-29.
6. Wojcik R. The effect of grinding in titanium alloy deformation // Mechanics and Mechanical Engineering. 2013. № 4 (17). Р. 309-315.
7. Guoqiang G., et al. Experimental investigation on conventional grinding of Ti-6Al-4V using SiC abrasive // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2011. 57. P. 135-142.
8. Федоров Д.Г., Скуратов Д.Л. Экспериментальное исследование качества поверхностного слоя и сил резания при плоском шлифовании титанового сплава ВТ6 // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета. 2015. Т. 14. № 3-2. С. 400-408.
9. Старков В.К. Шлифование высокопористыми кругами. М.: Машиностроение, 2007. 688 с.
10. Кремень З.И. Высокопористые круги - эффективное средство повышения производительности
шлифования и качества деталей из различных материалов // Инструмент и технологии. 2001. № 5 (6). С. 34-37.
11. Abrasive product solutions for the full line industrial market. Available at: http://www.nortonabrasives.com/ sites/sga.na.com/files/document/Catalog-NortonIndustrial-7362-2015-Bookmarked.pdf (20.04.2016).
12. Уилер Д. Чамберс Д. Статистическое управление процессами / пер. с англ. М.: Альпина Бизнес Букс, 2009. 409 с.
13. Hollander M., Wolfe D.A. Nonparametric statistical methods, second edition. Wiley Interscience, 1999. 787 p.
14. Солер Я.И., Май Д.Ш. Выбор абразивных кругов при маятниковом шлифовании деталей из титанового сплава ВТ22 по высотным параметрам шероховатости // Обработка металлов. 2015. № 4 (69). С. 18-30.
15. Soler Ya.I., Kazimirov D.Yu. Selecting abrasive wheels for the plane grinding of airplane parts of the basis surface roughness // Russian engineering research. 2010. № 3 (30). P. 251-261.
16. Симаков А.А., Василенко Ю.В. Методика проведения экспериментальных исследований плоского шлифования с применением кругов с АРС и осцилляции заготовки // Вестник ЮУрГУ. Серия «Машиностроение». 2015. № 2 (15). С. 61-69.
References
1. Ryzhov E.V. Suslov A.G., Fedorov V.P Tekhnolog-icheskoe obespechenie ehkspluatacionnyh svojstv de-talej mashin [Engineering support of machine part operational properties]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1979, 176 p. (In Russian)
2. Christoph L., Manfred P. Titanium and titanium alloys. Wiley-VCH, Weinheim, 2003, 532 p.
3. Il'in A.A., Kolachev B.A., Pol'kin I.S. Titanovye splavy. Sostav, struktura, svojstva. Spravochnik [Titanium alloys. Composition, structure, properties. A handbook]. Moscow, VILS MATI Publ., 2009, 520 p. (In Russian)
4. Turley D. M. Factors affecting surface finish when grinding titanium and a titanium alloy (Ti-6Al-4V). Wear, 1985, no. 104, pp. 323-335.
5. Nosenko S. V, Nosenko V.A., Krutinova A.A. Issle-dovanie himicheskogo sostava poverhnostnogo sloya titanovogo splava pri shlifovanii ego krugom iz karbida kremniya bez ispol'zovaniya SOST [Study of chemical composition of the titanium alloy surface layer under its grinding by a silicon carbide wheel without SOST]. STIN [Machines and Tools]. 2015, no. 1, pp. 26-29. (In Russian)
6. Wojcik R. The effect of grinding in titanium alloy deformation. Mechanics and Mechanical Engineering. 2013, no. 4 (17), pp. 309-315.
7. Guoqiang G., et al. Experimental investigation on conventional grinding of Ti-6Al-4V using SiC abrasive.
The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2011, no. 57, pp. 135-142.
8. Fedorov D.G., Skuratov D.L. Ehksperimental'noe issledovanie kachestva poverhnostnogo sloya i sil re-zaniya pri ploskom shlifovanii titanovogo splava VT6 [Experimental study of the surface layer quality and cutting forces in flat grinding of the VT6 titanium alloy]. Vestnik Samarskogo gosudarstvennogo aehrokosmich-eskogo universiteta [Vestnik of the Samara State Aerospace University]. 2015, vol. 14, no. 3-2, pp. 400-408. (In Russian)
9. Starkov V.K. Shlifovanie vysokoporistymi krugami [Grinding by highly porous wheels]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 2007, 688 p. (In Russian)
10. Kremen' Z.I. Vysokoporistye krugi - ehffektivnoe sredstvo povysheniya proizvoditel'nosti shlifovaniya i kachestva detalej iz razlichnyh materialov [Highly porous wheels as an effective means of improving grinding productivity and quality of parts made of different materials]. Instrument i tekhnologii [Tools and technologies]. 2001, no. 5 (6), pp. 34-37. (In Russian)
11. Abrasive product solutions for the full line industrial market. Available at: http://www.nortonindustrial.com/ uploadedFiles/SGindnortonabrasives/Documents/ Cata-log_PDFs/Catalog-NortonIndustrial-7362-2015-Bookmarked.pdf (accessed 20 April 2016).
12. Wheeler D., Chambers D. Statisticheskoe uprav-lenie processami [Understanding statistical process
control]. Moscow, Al'pina Biznes Buks Publ., 2009, 409 p. (In Russian)
13. Hollander M., Wolfe D.A. Nonparametric statistical methods, second edition. Wiley Interscience, 1999. 787 p.
14. Soler Ya.I., Maj D.Sh. Vybor abrazivnyh krugov pri mayatnikovom shlifovanii detalej iz titanovogo splava VT22 po vysotnym parametram sherohovatosti [Select of abrasive wheels while pendular grinding of parts from titanium alloy VT22 by high roughness parameters]. Obrabotka metallov [Metal working]. 2015, no. 4 (69), pp. 18-30. (In Russian)
Критерий авторства
Солер Я.И. и Май Динь Ши имеют равные авторские права. Ответственность за плагиат несет Солер Я.И.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов
15. Soler Ya.I., Kazimirov D.Yu. Selecting abrasive wheels for the plane grinding of airplane parts of the basis surface roughness. Russian engineering research. 2010, no. 3 (30), pp. 251-261. (In Russian)
16. Simakov A.A., Vasilenko YU.V. Metodika provedeniya ehksperimental'nyh issledovanij ploskogo shlifovaniya s primeneniem krugov s ARS i oscillyacii zagotovki [Method of experimental research of flat grinding with ACL wheels and workpiece oscillation]. Vestnik YUUrGU. Seriya «Mashinostroenie» [Bulletin of the South Ural State University. Series "Mechanical Engineering Industry"]. 2015, no. 2 (15), pp. 61-69. (In Russian)
Authorship criteria
Soler Y. and Mai Dinh Si have equal authors' rights. Soler Ya. I. bears the responsibility for plagiarism.
Conflict of interests
The authors declare that there is no conflict of interests regarding the publication of this article.
Статья поступила 23.05.2016 г. The article was received 23 May 2016
