CC BY
28
УДК 621.923
Д-р техн. наук В. В. Гусев1, д-р техн. наук Л. П. Калафатова1, Д. В. Поколенко2
Национальный технический университет, г. Донецк 2Казенное научно-производственное предприятие «КВАРСИТ», г. Константиновка
ВЛИЯНИЕ ДИНАМИКИ ПРОЦЕССА АЛМАЗНОГО ШЛИФОВАНИЯ НА ФОРМИРОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ СИТАЛЛОВ
Исследовано влияние особенностей процесса шлифования крупногабаритных изделий сложной пространственной формы, в частности, виброустойчивости системы «станок-приспособление - заготовка» на точность и качество обработки.
Вступление
Керамические материалы широко используются в аэрокосмической технике при производстве иллюминаторов, обтекателей антенн, диффузионных отражателей высокоинтенсивных оптических квантовых генераторов и других установок различного назначения. Головной радиопрозрачный антенный обтекатель является важным элементом современных скоростных летательных аппаратов, управляемых методом радиолокационного наведения. Наиболее распространенным материалом для обтекателей являются [1]: ситаллы, кварцевая и алюмосиликатная керамики, стеклокерамика литий-алюмосиликатного состава. Для изделий из керамики наиболее важными показателями качества поверхностного слоя, оказывающими влияние на их эксплуатационные свойства, являются точность формы, микрогеометрия и степень дефектности обработанной поверхности. Уровень последнего параметра особенно важен для изделий из комбинированно-дефектных (КД) ситаллов - материалов особенно чувствительных к внешним механическим воздействиям. До настоящего времени при разработке технологических процессов обработки крупногабаритных деталей типа оболочек из керамики не учитывается динамика процесса шлифования из-за практического отсутствия сведений о влиянии этого фактора на точность и качество обработки изделий аналогичного класса. Для выработки таких рекомендаций необходимо иметь точные данные о состоянии элементов системы СПИД и их влиянии на виброустойчивость системы, а также о влиянии динамического воздействия на формирование поверхностного слоя изделий из КД ситаллов.
Несмотря на полученный опыт в области механической обработки конструкционной керамики и ситал-лов [2, 3], при изготовлении конкретных изделий возникают проблемы с достижением требуемых эксплуатационных свойств и снижением вероятности появления брака. Поэтому целью настоящей работы
является анализ динамики процесса алмазного шлифования крупногабаритных полых изделий сложной пространственной формы из КД ситаллов и определение степени влияния вибраций, возникающих при механической обработке, на формирование поверхностного слоя изделий.
Основная часть
Технологический процесс обработки изделий, представляющих собой полую оболочку сложной пространственной формы, включает многооперационную обработку шлифованием как наружного, так и внутреннего их контуров на станках типа РТ 66202, оснащенных агрегатной шлифовальной головкой и системой прямого копирования. Особенности обработки изделий рассматриваемого класса из ситаллов в значительной степени обусловлены следующими факторами. Основные размеры изделия: длина до 1,0 м; максимальный диаметр 450...500 мм; толщина стенки заготовки 20 мм при толщине готового изделия 5 мм. На обработку внутреннего контура изделия затрачивается примерно 18-20 часов машинного времени; обработка наружного контура занимает 6-10 часов при значительной доле ручного труда, применяемого на операции чистовой обработки наружного профиля. Эксплуатационные характеристики изделий предполагают соблюдение повышенных требований по точности и качеству обработки, в частности, обеспечение минимальной глубины дефектности поверхностного слоя, которая определяет продолжительность последующих операций химического травления и упрочнения механически обработанных поверхностей [4].
В статье приведены результаты экспериментальных исследований динамических характеристик системы СПИД при шлифовании наружной поверхности детали. На операции наружного шлифования обработка заготовки ведется кругом 1А1 200х 10х3х76 А1-315/250-4-М2-01 в консольно закрепленном при-
© В. В. Гусев, Л. П. Калафатова, Д. В. Поколенко, 2007
способлении, имеющем большой вылет (до полутора метров). В этом случае система СПИД состоит из двух отдельных подсистем: «приспособление - заготовка» и «шпиндель станка - агрегатная шлифовальная головка - суппорт», которые связаны между собой зоной контакта при резании. Подсистема «шпиндельный узел станка - приспособление - заготовка» характеризуется переменной по длине заготовки жесткостью (от 1,6 Н/мкм у вершины изделия до 50 Н/мкм в его цилиндрической части). Жесткость подсистемы «шпиндель станка - агрегатная шлифовальная головка - суппорт» составляет 4 Н/мкм. Низкая и переменная по длине заготовки жесткость первой подсистемы приводит к динамической неустойчивости процесса резания, наличию вибраций, интенсивность которых меняется в зависимости от места контакта заготовки с инструментом, схемы обработки. Динамическая неустойчивость системы резания отрицательно влияет на точность и качество обработки, в частности, на дефектность формируемой поверхности.
В производственных условиях была проведена экспериментальная проверка собственных частот подсистем «шпиндельный узел станка - приспособление -заготовка» и «агрегатная шлифовальная головка - суппорт». Собственные частоты колебаний элементов системы СПИД определяли по записи свободных колебаний системы после импульсного возбуждения. Для преобразования механических перемещений в электрические использовали виброметр ВР-2, а запись свободных колебаний производили на осциллографе модели С 7-8. Экспериментально определенные значения собственных частот колебаний подсистемы «шпиндельный узел станка - приспособление - заготовка» составили по предельным уровням соответственно 55 Гц и 123 Гц. Нижняя собственная частота шпиндельного узла агрегатной шлифовальной головки составила 710 Гц при значении нижней собственной частоты колебаний заготовки 23 Гц.
Низкая и переменная по длине обработки жесткость системы СПИД способствует развитию автоколебаний при шлифовании, что отрицательно сказывается на точности и качестве обработки. Амплитуду автоколебаний и их частоту, возникающую при шлифовании, определяли по профилограммам, снятым с поверхности заготовки. На рис.1 показана наружная поверхность изделия со следами вибраций после алмазного шлифования и профилограмма этой поверхности. Из профилограммы следует, что на поверхности заготовки хорошо видны две составляющие вибраций: низкочастотная и высокочастотная.
Амплитуда вибраций и их частота определялись как средние по результатам измерений на трех заготовках. Среднее значение амплитуды вибрационной волны меняется в зависимости от места контакта заготовки с инструментом вдоль поверхности (длины Ь) заготовки, закрепленной в приспособлении, как это показано на рис. 2. Наибольшие значения амплитуды колебаний
имеют место вблизи опор приспособления.
В зоне контакта заготовки со шлифовальным кругом имели место колебания на двух частотах 61 ± 3 Гц и 123 ± 10 Гц, близких к собственным частотам подсистемы «шпиндельный узел станка - приспособление - заготовка». На заготовке при резании вблизи опор в некоторых случаях возникали колебания с частотой 23 Гц, совпадающей с нижней собственной частотой колебаний заготовки. При установке шлифовального круга с биением, которое в производственных условиях достигает 0,06 мм, при обработке со скоростью резания 38 м/с имеем источник возбуждения с частотой 60 Гц, что очень близко к значению нижней собственной частоты подсистемы «шпиндельный узел станка -приспособление - заготовка», что приводит к возникновению автоколебаний. С целью снижения величи-
! мм
б
Рис. 1. Следы вибраций на поверхности заготовки, полученные:
а - визуальным путем и б- в виде их профилограммы
ны амплитуды автоколебаний и отрицательного влияния динамической неустойчивости технологической системы на процесс формообразования изделий была разработана новая конструкция приспособления, увеличивающая жесткость закрепления заготовки.
Учитывая сложность реализации эксперимента в производственных условиях, для моделирования процесса формирования дефектного слоя на поверхности реальных деталей из ситалла с учетом динамического фактора в лабораторных условиях были проведены экспериментальные исследования при реализации схе-
1607-6885 Новi матерiали i технологи в металургп та машинобудувант №2, 2007
15
Рис. 2. Амплитуда вибрационной волны на поверхности детали вдоль ее длины Ь
мы плоского врезного шлифования образцов ситалла на плоско-шлифовальном станке 3672. Шлифование осуществлялось кругом следующей характеристики 1А1 250х76х20х3 АС6 125/100-4 -М2-01. Для создания искусственного динамического воздействия на обрабатываемую поверхность к торцевой поверхности корпуса заправленного и отбалансированного шлифовального круга прикрепляляся груз, создающий центробежную силу в диапазоне 10 Н - 50 Н. Центробежная сила груза при шлифовании обеспечивала дополнительное динамическое воздействие на обрабатываемую поверхность.
Нормальную составляющую силы резания, в основном отвечающую за интенсивность возникающего при обработке дефектного поверхностного слоя изделия, определяли на специальном динамометрическом столе, установленном на столе станка, регистрируя через усилитель 8АНЧ-7М на самописце Н338 -4П. Чувствительность измерения нормальной составляющей составила 5 Н/мм. При проведении исследований в каждой экспериментальной точке число повторных измерений было не менее трех.
Структуру дефектного слоя определяли методом люминесцентной дефектоскопии при послойном химическом травлении обработанного образца с шагом 20 мкм. Травление образцов производили до тех пор, пока не исчезала обработочная дефектность. Обработку фотографий травленой поверхности образцов с целью определения структуры дефектного слоя проводили с помощью специальной компьютерной программы [5].
Было проведено сравнение структуры дефектного слоя образцов, обработанных при неизменных режимах резания (скорости вращения круга V = 34 м/с, скорости заготовки Vд = 1,1 м/мин, глубине шлифования / = 0,4мм) при отсутствии динамического воздействия и при дополнительном динамическом воздействии, находящемся в указанном выше диапазоне величин центробежной силы. Оценку состояния структуры дефектного слоя после алмазного шлифования производили по следующим параметрам: глу-
бине проникновения дефектного слоя к^ , вызванного обработкой; величине относительной плотности дефектов Бот, определяемой как отношение площади, занятой возникающими дефектами обработки, к общей площади образца и измеряемой в процентах;
величине максимальных дефектов , вызванных обработкой.
Результаты экспериментов показали, что при дополнительном динамическом воздействии (величина центробежной силы 50 Н) нормальная составляющая силы резания увеличилась с 60±5 Н до 93±70 Н. При этом значительные колебания величины нормальной составляющей силы резания свидетельствуют о неустойчивости процесса обработки. Наряду с относительно небольшим увеличением глубины дефектного слоя (от 350 мкм до 400 мкм, то есть на 10%) при динамическом воздействии увеличивается относительная плотность дефектов (до 2-х раз), возрастают размеры отдельных дефектов. Особенно интенсивно растет
число крупных дефектов на глубинах к^ = 100...250 мкм, что, в случае не удаления дефектного слоя на последующих операциях обработки, может привести к снижению прочности деталей [6].
Для стабилизации процесса алмазного шлифования в производственных условиях было предложено увеличить жесткость закрепления заготовок за счет применения специальной оснастки и применить новую схему шлифования [7], которая увеличивает площадь контакта круга с заготовкой, что в комплексе обеспечивает уменьшение динамического воздействия на обработанную поверхность [3]. В результате принятых решений были уменьшены амплитуда вибрационной волны в 2 раза и глубина дефектного слоя на 30%. Все это позволило значительно снизить трудоемкость последующих операций технологического процесса изготовления крупногабаритных деталей сложной формы из ситаллов.
Выводы
При шлифовании шпиндельный узел станка с приспособлением и заготовкой испытывает вибрации, что отрицательно сказывается на качестве поверхности детали, в частности, на ее дефектности. Это, прежде всего, связано с интенсификацией и характером нагрузок, действующих на обрабатываемую поверхность со стороны шлифовального круга агрегатной головки. Виброустойчивость технологической системы в значительной мере определяет структуру и глубину образующегося дефектного слоя и, как следствие, трудоемкость формирования при обработке требуемых свойств детали. Анализ виброустойчивости элементов технологической системы дает информацию для проектирования эффективных и рациональных технологических процессов обработки комбинированно-дефектных ситаллов с точки зрения обеспечения каче-
М.: Машиностроение. - 2002. - №9. - С.5-8.
5. Kalafatova L. Diagnostics of qualitative performances of products from engineering cetalls // Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji. - Poznan: Komisij budowy maszyn PAN. - 1997. - Vol. 17, № 2. - Р. 107-116.
6. Гусев В. В. Влияние структурных и обработочных дефектов на прочность керамики // Прогрессивные технологии и системы машиностроения. Сб. научн. трудов. - Донецк: ДонГТУ. - 2000. - Вып.10. - С.63-71.
7. Патент на винахд. Украша (UA). 54942 С2 7 В24В 19/ 00. Споаб шлiфування тш обертання з прямолшшни-ми i криволшшними твiрними. / Вяльцев М. В., Гусев В. В., Молчанов О. Д., Покаленко Д. В., ^рченко О. В. (Украша) - №2002054348. Заявлено 28.05.2002. Опуб-лжовано 17.01.05. // Бюл. №1 17.01.2005г. - 6 с.
Одержано 14.06.2007
УДК 669.715
Д-р техн. наук I. П. Волчок1, д-р физ.-
До^джено вплив особливостей процесу шлiфування крупногабаритних eupo6ie складноi просторовог форми, насамперед, вiбростiйкостi системи «верстат-пристрш - заготовка» на точнiсть i яюсть обробки.
The influence of grinding process distinctive features of complex space form large-sized workpieces on the machining accuracy and qualitative performances is investigated. These are: vibro stability of the system «machine-tool-work-piece».
мат. наук В. П. Силованюк2, канд. тех. наук О. А. М^яев1, Н. А. 1вантишин2
1Нац1ональний техшчний ушверситет, М. Запор1жжя 2Ф1зико-механ1чний шститут ¡м. Г.В. Карпенка НАН Укра'ши
ВПЛИВ 1НТЕРМЕТАЛ1ДНИХ ВКЛЮЧЕНЬ НА М1ЦН1СН1 ВЛАСТИВОСТ1 АЛЮМ1Н1СВИХ СПЛАВ1В
ства обработанной поверхности за счет правильного выбора входных параметров технологического процесса.
Перечень ссылок
1. Суздальцев Е. И. Радиопрозрачные, высокотермостойкие материалы XXI века // Огнеупоры и техническая керамика. - 2002. - №3. - С. 42-50.
2. Исследование влияния режимов механической обработки ситаллокерамических изделий в системе: станок -изделие-инструмент-схема / Е.И. Суздальцев, А.С. Ха-мицаев, А. Г. Эпов и др. // Огнеупоры и техническая керамика. - 2003. - №7. - С. 23-30.
3. Гусев В. В., Калафатова Л. П., Поколенко Д. В. Влияние виброустойчивости системы шлифования на структуру дефектного слоя ситаллов // Резание и инструмент в технологических системах. Международный научно-техн. сборник. - Харьков: НТУ «ХПИ», вып. 70, 2006. - С. 154-161.
4. Калафатова Л. П. Прогнозирование качества поверхностного слоя при обработке изделий из технических ситаллов // Приложение № 9 к журналу «Инженерный журнал. Справочник » Инженерия поверхности. -
Запропоновано математичну модель, яка дозволяе прогнозувати мщтсть гетерогенних алюмтевих cmaeie.
Вступ
Алюмiнieвi сплави знаходять широке використан-ня в авiацil, космiчнiй техшщ, машинобудуванш та шших галузях. Виробництво алюмшш та його сплавiв в Укра!ш зараз перевищуе 200 тис. тонн за рщ з них близько 45 % е вторинними металами, що виробляються з брухту та вiдходiв виробництва. На вiдмiну ввд первинних, вториннi сплави мають бшьш низьку собiвартiсть, технологiя 1х виробництва е бшьш чистою, але вони забруднеш залiзом, магнiем та шшими небажаними металами та продуктами роз-паду при плавленнi пластмас i мастил. Внаслiдок цьо-го в структурi вторинних алюмiнiевих сплавiв форму-ються iнтерметалiднi фази, як1 значною мiрою знижу-
© I. П. Волчок, В. П. Силованюк, О. А. М1тяев, Н. А. 1вантишин,
ють ix мехашчш та службовi властивостi.
Мета роботи полягала у вивченш MexaHi3MiB руй-нування вторинних силуштв та от'ишзацй технологий тдвищення мiцнiсниx властивостей цих сплавiв.
Експериментальш дослiдження
Об'екгом дослiджень обрано сплав АК8М3, шихта якого при плавленш в полуменевiй двокамернiй печ вiдбивального типу EHW5000 eмнiстю 5,5 m склада-лася цiлком з брухту та вiдxодiв виробництва. Плавления здшснювали за прийнятою технолопею пiд по-кривним флюсом складу 33 % KCl; 67 % NaCl з на-
2007
ISSN 1607-6885 Hüei матер1али i технологи в металурги та машинобудувант №2, 2007
17
