Высокопористые круги из эльбора и их применение при шлифовании высокопластичных сплавов Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ РЕЗАНИЕМ

УДК 621.922

Высокопористые круги из эльбора и их применение при шлифовании высокопластичных сплавов

З. И. Кремень, Ю. М. Зубарев, А. И. Лебедев

Ключевые слова: шлифование, шлифовальный круг, эльбор, коэффициент шлифования, поры круга, жаропрочный сплав, засаливание, вероятность закрепления.

Шлифовальные круги из эльбора, обладающие наиболее высокой режущей способностью и стойкостью при обработке закаленной стали твердостью 55...65 ИИС, имеют, как правило, плотную структуру (номер структуры 7-8, твердость С-СТ), что не позволяет эффективно применить их при шлифовании высокопластичных сплавов и сталей — жаропрочных, титановых, нержавеющих, твердость которых не превышает 40...45 ИИС. Причиной этого является засаливание — покрытие рабочей поверхности круга частицами обрабатываемого металла (стружкой).

Засаливание является результатом адгезионного налипания металла на поверхность зерен, заполнения межзеренных промежутков отходами шлифования, закрепления стружки в порах круга. Первые два фактора достаточно полно рассмотрены в работе Л. В. Худобина и А. Н. Унянина [1]. Процесс размещения и закрепления стружки в порах круга до настоящего времени не оказывался предметом специального изучения.

Микрорезание высокопластичных металлов происходит при значительно большей глубине Н внедрения абразивных зерен в металл: Н = (0,7 + 0,8) р, где р — радиус закругления вершины зерна [2]. Соответственно увеличиваются размеры срезаемых зернами стружек. Очевидно, что для размещения таких стружек необходимо создать в кругах из эльбора свободное пространство, то есть увеличить размеры пор. Для кругов из традиционных абразивов такая задача была решена путем применения весьма мягких (твердость ВМ-М) высокопористых кругов, износ которых при шлифовании составляет 5 • 10 2 - 5 • 10 1 мм/деталь. Для дорогостоящих кругов из эльбора такой подход неприемлем из-за снижения ресурса круга.

Известны первые результаты разработки и применения высокопористых кругов из эль-бора (круги «Аэробор») [3]. Использование высокопористых кругов из эльбора при шлифова-

нии зубчатых колес рассматривалось в работах В. К. Старкова [4]. В настоящей статье изложены результаты дальнейших исследований в этой области, выполненных на Петербургском абразивном заводе «Ильич».

Исследование размеров пор

Для регулирования размеров пор в эльборо-вых кругах были выбраны два способа: переход к высоким номерам структуры и введение специального выгорающего наполнителя. Необходимо отметить, что для всех опытных кругов рецептура корректировалась таким образом, чтобы твердость кругов находилась в одной степени твердости СТ1, а концентрация эльбора зернистостью 125/100 составляла 100 %.

В эльборовых кругах структур высоких номеров (10, 12) поры являются естественными, так как получены без использования каких-либо специальных средств. В кругах «Аэробор», кроме естественных пор, содержатся искусственные поры, образованные при выгорании специального наполнителя, размеры которого регулируются. Следует отметить, что

0,5 1 0,4 0,30,2 0,1

50

100

150

200

йп, мкм

Рис. 1. Кривые распределения размеров пор йп в кругах из эльбора:

1 — структура 8; 2 — структура 12

1

0

Р 0,4 -, 0,3 0,2 0,1

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

мкм

Рис. 2. Кривые распределения размеров пор dп в кругах «Аэробор»:

1 — стандартный круг структуры 8; 2 — «Аэробор 25»; 3 — «Аэробор 40»

Данные о размерах пор

Тип круга Размер пор, мкм 1^.шах Математическое ожидание тп, мкм Среднее квадратическое отклонение стп, мкм

Структура 8 28-126 77 16

Структура 10 56-154 105 16

Структура 12 70-196 133 21

«Аэробор 16» «Аэробор 25» «Аэробор 40» 140-250 140-400 160-500 177 270 330 18 43 57

переход от структуры 8 к структурам 10 и 12 осуществлялся только за счет уменьшения содержания абразивного наполнителя, количество эльбора во всех кругах было постоянным.

Исследование размеров пор выполнено на металлографическом микроскопе при увеличении 56х, на каждом круге измерено не менее 100 пор. При рассмотрении кругов «Аэробор» учитывались только крупные искусственные поры.

По результатам измерений построены кривые распределения (рис. 1, 2). Очевидно, что характер распределения соответствует нормальному закону, это позволило рассчитать числовые характеристики — математическое ожидание тп и среднее квадратическое отклонение сп. В таблице приведены такие характеристики для кругов различных структур.

Анализ результатов исследования позволил сделать следующие выводы:

• с увеличением номера структуры распределение размеров пор сдвигается в сторону больших размеров; так, значение тп для структур 10 и 12 в 1,45 и 1,72 раза больше, чем значение тп для стандартной структуры 8;

• средний размер искусственных пор в кругах «Аэробор» значительно, в 2,45-4,27 раза превышает размеры естественных пор структуры 8.

Следовательно, повышение номера структуры и введение порообразующего наполнителя являются средствами значительного увеличения пор в кругах из эльбора. Такие изменения структуры кругов создают предпосылки для их более эффективного использования при шлифовании.

Определение размеров стружки

За время контакта абразивного зерна с обрабатываемым металлом при шлифовании механизм их взаимодействия проходит три стадии: от упругого и пластического деформирования до микрорезания. Микрорезание происходит примерно на 1/3 длины дуги контакта [5]. Учитывая, что отношение глубины к внедрения зерна к радиусу скругления р вершины зерна при микрорезании высокопластичных металлов составляет к > (0,7 -г 0,8)р, и, используя известные данные о величине р для зерен эльбора зернистостью 125/100, рассчитаны длины дуги контакта Ьк при плоском шлифовании и, соответственно, длины стружек 1с = 0,3Ьк. Диапазон длин стружек составил от 80 до 510 мкм. В работе [1] приведены данные о длине стружки для жаропрочного сплава при глубине микрорезания 0,002...0,010 мм. Экстраполируя эти данные до глубины 0,05 мм, получим диапазон длин стружек от 28 до 405 мкм. Приведенные данные положены в основу дальнейших расчетов. Следует отметить, что распределение размеров стружек, являющихся случайными величинами, с достаточной точностью [6] отвечает нормальному закону (тс, се).

Для оценки возможности размещения и закрепления стружки в порах круга разработана математическая модель, основанная на положениях теории вероятности. Процесс «встреч» стружек с порами имеет случайный характер, размеры пор dп и стружек dс являются случайными величинами, вследствие этого размещение стружек в порах можно рассмат-

ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ РЕЗАНИЕМ

ривать как случайный процесс. Для оценки результатов этого процесса введем понятие вероятности закрепления Рз, которая представляет собой отношение количества закрепившихся в порах стружек к их общему числу. Вероятность Рз = Р (0 < г < Ь), где г = dп - dс; Ь — допустимый зазор, при котором возможно закрепление.

Поскольку распределения случайных величин dп и dс соответствуют нормальному закону и являются независимыми, их разность г также является случайной величиной и распределена по нормальному закону [7]

_ (z-шг)

Wz (z) = e 2°

V2<

Oz

(1)

где Wz(z) — плотность распределения величи-

~ 1*2 . 2 ны z, mz = тп - mc, az = -у/оп + ос .

На основании формулы (1) определим Рз

1 b

-J2az о

(z_m2)

2O2 dz .

(2)

Выполнив преобразования, получим

R =-\erf

mz .mz _ b z _ erf z

л/2<

Oz

a

(3)

z

где использовано известное выражение для интеграла вероятностей [7]

2 t _ erft = —e Vn о

dx.

Рз =

1 ,13b

2л/2

24а^ _ (3mz _ 2b)2 _ 3mf

24a:

(4)

Рз 0,3

0,2

0,1

Применяя разложение erf в ряд и ограничиваясь двумя первыми членами ряда, что допустимо (погрешность 10-12 %) для наших условий, получим

На основе выражения (4) разработана компьютерная программа и выполнены расчеты вероятности закрепления Рз для различных сочетаний величин тп, сп, тс, сс, полученных при исследовании размеров пор и стружки. Анализ результатов расчетов показал следующее. Величина Рз зависит от отношения тп/тс, эта зависимость имеет экстремальный

0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0

тп/тс

Рис. 3. Зависимость вероятности Рз закрепления стружки в порах от отношения тп/тс

характер (рис. 3). Наибольшие значения Рз получены при тп/тс = 0,9 -г1,5; при тп/тс > 1,5 значения Рз уменьшаются до 0,03-0,05, что свидетельствует о свободном, без закрепления, размещении стружки в порах. При тп/тс < 0,7 -г 0,8 значение Рз также уменьшается до 0,02-0,04. В данном случае размеры основной массы пор меньше, чем стружек. Это приводит к более интенсивному засаливанию круга за счет адгезионного налипания частиц металла на зерна и заполнения межзеренно-го пространства.

Полученные данные позволяют прогнозировать возможность эффективного применения эльборовых высокопористых кругов при шлифовании жаропрочного сплава с различными режимами. Например, при чистовом (£ = 0,005 г 0,020 мм) шлифовании в крупных порах кругов «Аэробор 25» и «Аэробор 40» могут свободно, без закрепления, размещаться практически 100 % стружек. В порах кругов структур 10 и 12 то же самое происходит лишь с 30-60 % стружек. При черновом шлифовании (£ > 0,04 г 0,05 мм) в крупных порах кругов «Аэробор 25» и «Аэробор 40» могут свободно оказаться только 30-40 % стружек, основная масса стружек закрепляется в порах. В кругах структур 10 и 12 лишь 10-20 % стружек могут разместиться и закрепиться в порах. В стандартных кругах структуры 8 и кругах «Аэробор 16» вероятность размещения стружки в порах минимальна, засаливание таких кругов происходит более интенсивно.

Применение кругов «Аэробор» при шлифовании жаропрочного сплава ХН77ТЮ с глубиной £ = 0,04 мм позволило увеличить коэффициент шлифования Кш в 2,5 раза по сравнению с серийным кругом (рис. 4). Применение круга структуры 12 позволило увеличить Кш при обработке сплава ХН73МБТЮ в 2,7 раза.

0

2

X

100-

75

50-

25-

Рис. 4. Относительный коэффициент шлифо-

вания Кш

при шлифовании сплава ХН77ТЮ

— стандартный круг

с глубиной t = 0,04 мм: | | — круг «Аэробор 25»;

Заключение

Разработаны круги из эльбора с порами, размеры которых значительно превышают размеры пор в стандартных кругах. Увеличение размеров пор способствует лучшему размещению стружки и тем самым уменьшает интенсивность засаливания кругов. Создание вы-

сокопористых кругов из эльбора и освоение их производства на Петербургском абразивном заводе «Ильич» позволяет расширить область их применения на жаропрочные и другие высокопластичные сплавы, а также улучшить условия охлаждения зоны шлифования.

Литература

1. Худобин Л. В., Унянин А. Н. Минимизация засаливания шлифовальных кругов / Под ред. Л. В. Худобина. Ульяновск: УлГТУ, 2007. 298 с.

2. Богомолов Н. И. Основные процессы при взаимодействии абразива и металла: дис. ... д-ра техн. наук. Киев, 1967.

3. Kremen Z. I. A new generation of high-porous vitrified CBN wheels // Industrial Diamond Review. 2003. N 4. P. 53-56.

4. Старков В. К. Шлифование высокопористыми кругами. М.: Машиностроение, 2007. 688 с.

5. Бокучава Г. В. Трибология процесса шлифования. Тбилиси: Сабчота Сакартвело, 1984. 238 с.

6. Корчак С. Н. Производительность процесса шлифования стальных деталей. М.: Машиностроение, 1974. 280 с.

7. Вентцель Е. С. Теория вероятностей. М.: Наука, 1964. 574 с.

Кш.отн' %

0

УДК 621.9

Применение высокопроизводительного режущего инструмента при механической обработке жаропрочных сплавов на никелевой основе

Т. Б. Кочина

Ключевые слова: труднообрабатываемые жаропрочные сплавы на никелевой основе, минералокера-мические режущие инструменты.

Ответственные изделия из труднообрабатываемых жаропрочных сплавов составляют представительный класс изделий энергомашиностроения, авиационной промышленности, транспортного машиностроения, котло- и турбостроения. К их числу относятся лопатки паровых, газовых турбин и компрессоров, крыльчатки, лабиринтные уплотнения, диски сложного поверхностного очертания, резервуары, полости, обтекатели и другие аналогичные изделия [1—4]. Повышение требований надежности к машинным агрегатам и их компонентам пред-

полагает применение жаропрочных труднообрабатываемых материалов.

Известно, что наиболее низкие скорости резания достигаются при обработке сплавов на никелевой (N1) основе, которые являются труднообрабатываемыми материалами. Для систематизации экспериментальных данных по обработке резанием большого количества данных сталей и сплавов их можно разбить на четыре группы [8]:

1. Нержавеющие и жаропрочные стали, содержащие большое количество хрома Сг и никеля N1 и малое количество других