На правах рукописи КОЛЕГОВ СЕРГЕЙ АЛЕКСЕЕВИЧ УДК 621.623

На правах рукописи
КОЛЕГОВ СЕРГЕЙ АЛЕКСЕЕВИЧ
УДК 621.623
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПЛОСКОГО ШЛИФОВАНИЯ
КОРРОЗИОННО-СТОЙКИХ, ХРОМОНИКЕЛЕВЫХ СТАЛЕЙ АУСТЕНИТНОГО КЛАССА АЛМАЗНЫМИ КРУГАМИ С КОНИЧЕСКИМИ ОТВЕРСТИЯМИ НА ТОРЦЕ.
Специальность 05.02.07. – Технологии и оборудование механической и
физико-технической обработки.
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Ижевск - 2012
1
Работа выполнена на кафедре «Производство Машин и Механизмов»
Ижевского Государственного Технического Университета (ИжГТУ).
Научный руководитель:
доктор технических наук, профессор
Кугультинов С.Д.
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор
Макаров Владимир Федорович
кандидат технических наук
Мурзин Юрий Павлович
Ведущая организация:
ОАО «Воткинский Завод», г.Воткинск.
Защита состоится 30 марта 2012г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.065.02 в Ижевском государственном техническом университете по адресу: 426069, г.Ижевск, ул. 30 лет победы, 2, к.504.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ижевского государственного технического университета.
Отзыв в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим
направлять на имя ученого секретаря диссертационного совета по адресу:
426069, г. Ижевск, ул. Студенческая, 7.
Автореферат разослан 27 февраля 2012г.
Ученый секретарь
диссертационного совета Д 212.065.02
доктор технических наук, профессор
В.Г. Осетров
2
Общая характеристика работы.
Актуальность работы. Особое место в машиностроении занимает финишная обработка, позволяющая обеспечить требуемое качество изделий. Одним из наиболее распространенных финишных методов является шлифование,
которое зачастую бывает единственно возможным вариантом достижения требуемых точности и шероховатости поверхностей.
Однако иногда после шлифования образуется дефектный слой в виде поверхностных прижогов и трещин из-за сил и температур, действующих в процессе обработки. Особенно большие проблемы возникают при плоском шлифовании материалов с повышенными физико-механическими свойствами.
К таким материалам в полной мере относятся коррозионно-стойкие, хромоникелевые стали аустенитного класса: типа 12Х25Н16Г7АР, 12Х18Н10Т,
20Х23Н18, ХН65МВТЮ и др. Шлифование указанных сталей сопровождается
значительным выделением тепла в зоне резания, что приводит к дефектам и
структурным изменениям обрабатываемого материала (микротрещины, вторичная закалка, отпуск и др.). Кроме того, шлифование существующими шлифовальными кругами сопровождается интенсивным засаливанием инструмента, что приводит либо к преждевременному выходу из строя алмазного инструмента, либо к необходимости частой правки. Это в свою очередь снижает
производительность обработки и повышает ее себестоимость.
Несмотря на большое число работ, посвященных совершенствованию
процесса шлифования указанных выше сталей существующим алмазным инструментом, вышеперечисленные проблемы остаются. Одним из путей их решения является более эффективное охлаждение и исключение засаливания
инструмента за счет создания шлифовального круга специальной конструкции, который отвечал бы требованиям:
- минимизации теплонапряженности в процессе плоского шлифования и,
как следствие, уходу от прижогов и других дефектов теплового характера;
- исключению засаливания и, как следствие, повышению надежности работы алмазного инструмента.
Этим требованиям мог бы отвечать алмазный круг для плоского шлифования с конусными отверстиями. Такое предположение основано на том, что
скорость течения газа через коническое отверстие (подобие сопла Лаваля) может превышать скорость звука, т.е. с довольно большой вероятностью можно
утверждать, что и при течении жидкости скорость потока будет довольно высокой, а это позволит эффективно удалять стружку и другие отходы с поверхности круга, предотвращая его засаливание. Кроме того, подача смазочноохлаждающих технологических сред (СОТС) будет осуществляться непосредственно в зону резания, обеспечивая тем самым их максимальную эффективность. Однако для подтверждения данной гипотезы необходимо вначале теоретическое обоснование на базе решения тепловой задачи, а затем экспериментальная проверка и промышленная апробация.
3
В связи с этим совершенствование процесса плоского шлифования деталей из коррозионно-стойких, хромоникелевых сталей аустенитного класса,
направленного на повышение качества обработанных поверхностей благодаря
отсутствию тепловых дефектов, является актуальной задачей. Поэтому выполненная в работе разработка специального алмазного круга с конусными отверстиями на торце на основе решения тепловой задачи, позволяющего решить
вышеперечисленные проблемы, подчеркивает актуальность темы диссертации. Кроме того, о востребованности работы говорит и грант, выигранный по
программе УМНИК.
Целью работы являлось: повышение качества и производительности
процесса плоского шлифования деталей из коррозионно-стойких, хромоникелевых сталей аустенитного класса благодаря использованию алмазных кругов
с коническими отверстиями на торце
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
- проверена гипотеза об эффективности использования алмазных кругов с
коническими отверстиями на торце;
- решена тепловая задача для процесса плоского шлифования с теплообменом в зоне контакта алмазных зерен с обрабатываемым материалом;
- обоснована эффективность подачи СОТС в зону резания через конусные
отверстия;
- разработана методика проектирования алмазных кругов с коническими
отверстиями на рабочей поверхности;
- разработаны рекомендации по выбору режимов плоского шлифования
деталей из коррозионно-стойких, хромоникелевых сталей аустенитного класса;
- проведена промышленная апробация алмазных кругов с коническими
отверстиями при плоском шлифовании деталей из коррозионно-стойких, хромоникелевых сталей аустенитного класса.
Научная новизна работы заключается:
- в теоретическом и экспериментальном обосновании эффективности
плоского шлифования деталей из коррозионно-стойких, хромоникелевых сталей аустенитного класса алмазными кругами с коническими отверстиями на
торце;
- в аналитическом решении тепловой задачи для условий плоского шлифования алмазными кругами с коническими отверстиями на торце;
- в получении эмпирических зависимостей силы резания от режимов резания.
Методы исследования.
Теоретические исследования проводились на базе теории процесса шлифования, на основе образования тепловых процессов в зоне резания с теплообменом (по закону Ньютона-Рихмана), средств вычислительной техники, решения нелинейных дифференциальных уравнений с граничными условиями
при помощи методов источников (метод Грина).
4
Экспериментальные исследования проводились с использованием методов планирования эксперимента на основе известных методик в лабораторных
и производственных условиях на специально спроектированных и изготовленных установках. В экспериментальных исследованиях применялись разработанные автором алмазные шлифовальные круги с коническими отверстиями
на торце, модернизированные станки, специальные станочные приспособления, контрольно-измерительные комплексы и персональные компьютеры.
Достоверность полученных результатов подтверждена сравнением расчетных и экспериментальных данных.
Практическая полезность работы заключается:
- в разработанной конструкции алмазных шлифовальных кругов с коническими отверстиями на торце;
- в разработанной методике проектирования алмазных шлифовальных
кругов с коническими отверстиями на торце;
- в разработанной технологии плоского шлифования алмазными кругами
с коническими отверстиями на торце;
- в эмпирических зависимостях для определения сил резания.
Реализация результатов работы. Разработанные конструкции шлифовальных алмазных кругов с коническими отверстиями на их торце и рекомендации по их применению внедрены на ООО «ЗНО «Техновек».
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались в 2010г. и в 2011г. на республиканской выставке – сессии инновационных проектов в г. Ижевске (в 2010г. был получен диплом III
степени, в 2011г. - диплом II степени), в 2011г. работа участвовала в республиканском конкурсе инновационных проектов по программе «УМНИК» (был
выигран грант) 2011г. грант на проведение НИОКР в «Республиканском конкурсе инновационных проектов по программе УМНИК»; 2009-2011г. на научных семинарах кафедры «Производство Машин и Механизмов» ИжГТУ;
2011г. В полном объеме диссертация заслушана и одобрена на совместном заседании кафедр «Производство машин и механизмов» ИжГТУ.
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 8
работ, в том числе 3 статьи в изданиях, включенных в перечень ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертация содержит введение, пять
глав, заключение, список литературы из 168 наименований, акты внедрения.
Работа изложена на 157 листах машинописного текста, содержит 51 рисунок,
и 2 таблицы.
Содержание работы.
Во введении обоснована актуальность темы, дается общая характеристика работы и направленность исследований.
В первой главе проведен анализ состояния проблемы обеспечения качества и повышения эффективности плоского шлифования деталей из коррозионно-стойких, хромоникелевых сталей аустенитного класса. На основании
проведенного анализа сформированы цель и задачи исследования. На основа5
нии работ посвященных исследованию процесса плоского шлифования и на
основании изучения производственного опыта показано, что обработка сопряжена со значительным выделением тепла в результате чего на обработанных поверхностях могут образовываться прижоги микротрещины и др. тепловые дефекты. Особенно большие проблемы вызывают при плоском шлифовании коррозионно-стойких, хромоникелевых сталей аустенитного класса. Показано, что шлифование указанных материалов сопровождается, кроме тепловых
дефектов, интенсивным засаливанием шлифовальных кругов, что приводит
либо к преждевременному выходу из строя, либо к необходимости частой
правки. А это в свою очередь ведет к снижению производительности и повышению шероховатости.
Сложность плоского шлифования деталей из коррозионно-стойких, хромоникелевых сталей аустенитного класса привела к тому, что наиболее используемым инструментом является алмазные круги, но эффективности использования указанных кругов препятствуют следующие факторы:
- при температуре нагрева свыше 700ºС алмаз теряет свои режущие свойства. В тоже время плоское шлифование деталей из коррозионно-стойких,
хромоникелевых сталей аустенитного класса сопровождается значительным
тепловыделением. В связи с этим основным средством противодействия высоким температурам в процессе плоского шлифования является использование
СОТС: однако в большинстве случаев эффективность действия СОТС оказывается невысокой при плоском шлифовании деталей из коррозионно-стойких,
хромоникелевых сталей аустенитного класса. Использование кругов с отверстиями выполненными в виде цилиндров на рабочей поверхности, не обосновано ввиду непрестанно увеличивающегося числа марок материалов, для которых, даже существенное снижение температуры в зоне резания является
фактором, неизменно ведущим к образованию тепловых дефектов и как следствие к браку, что недопустимо при высокой стоимости материалов применяемых при конструировании деталей машин;
- при плоском шлифовании затруднен отвод стружки и шлама из зоны
обработки, что приводит к более интенсивному затупление режущих кромок
алмазных зерен и как следствие к повышению температуры и снижению качества обработанной поверхности, а также к интенсивному засаливанию круга и
повышению температуры.
Из приведенного анализа был сделан вывод, что для совершенствования
процесса плоского шлифования деталей из коррозионно-стойких, хромоникелевых сталей аустенитного класса необходимо изменить характер подачи
СОТС в зону резания, т.е. необходимо, с одной стороны, гарантированно доставлять СОТС в зону обработки для охлаждения, а, с другой стороны, попробовать с помощью СОТС избежать процесса засаливания. В результате была
предложена гипотеза о подаче СОТС через конические отверстия, с использованием эффекта подобного подаче газа через такие отверстия (сопло Лаваля),
т.е. можно предположит, что жидкость подобно газу достигнет очень высоких
скоростей. Это позволит более интенсивно охладить зону резания и обрабаты6
ваемые поверхности и тем, самым существенно снизить температуру. В то же
время жидкость, проходящая через местное сужение отверстия увеличивает
скорость и давление падает. Если абсолютное давление при этом достигает
значения, равного давлению насыщенных паров в ней жидкости при данной
температуре, или давлению, при котором начинается выделение из нее растворенных газов, то в данном месте потока начинается интенсивное парообразование (кипение) и выделение газов. Образование пузырьков способствует
удалению отходов шлифования из межзеренного пространства круга, и образованию прочных адсорбционных пленок, тем самым оказывая непосредственное влияния не стойкость инструмента. Среди преимуществ метода стоит
учесть и тот факт, что подача СОТС осуществляется непосредственно в зону
контакта шлифовального круга с обрабатываемой деталью тем самым обеспечивая максимальную эффективность использования СОТС.
В заключение первой главы, на основании анализа состояния проблемы и
выбранного направления исследований, сформулирована цель работы и задачи
исследований.
Вторая глава посвящена решению тепловой задачи для условий плоского шлифовании алмазными кругами с коническими отверстиями на торце. Решение производилось с учетом теплообмена в зоне резания с граничными
условиями третьего рода. Уравнение теплопроводности в этом случае записывается следующим образом:
T    2 T  2T  2T 
T
 2  2  2   

t c  x

y
z 
(1)
где: Т=Т(х,у,z,τ) – пространственно-временное распределение температуры в
излучаемой фазе (детали); λ – коэффициент теплопроводности; с – теплоёмкость; γ – плотность среды;  – скорость движения источника тепла.
Для того, чтобы функция Т(х,у,z,t) являлась единственным решением поставленной задачей, она должна одновременно удовлетворять некоторым
начальным и граничным условиям.
Т=Т(х,у,z,τ)=const
(2)

T
x
 Т
X в
Х в
0
(3)
где: α – коэффициент теплоотдачи, для простоты принимаем температуру
окружающей среды равной нулю.
Начальное условие (2) задает распределение температуры внутри исследуемой области в начальный момент времени – граничное условие третьего
рода, которое задает теплообмен на границе области с окружающей средой.
Обычно при решении тепловых задач рассматривается теплообмен вторичного тепла, прошедшего из зоны резания через обрабатываемую деталь в
связи с невозможностью осуществлять теплообмен в зоне резания при обработке кругов обычной конструкции. В настоящей работе, при рассмотрении
специальной конструкции кругов, рассматривается теплообмен в зоне резания,
и поэтому главным условием является граничные условия третьего рода.
7
Граничные условия третьего рода задаются в форме закона Ньютона Рихмана (например, на поверхности Х=в).
Функция источника, удовлетворяющая условию (1), представится в следующем виде (3):
T
  x  в 2   y  y '2  z  z ' t  t '2 
4q
exp 



3c 4at  t '
4
a
t

t
'



  x  в  х'2   y  y '2  z  z 'V t  t '2  
2q

exp
 x dx



 3c 4at  t ' 0
4
a
t

t
'
 

2
(4)
Решение (1), (3), (4) проводится в соответствии со схемой, представленной на рис.1: по поверхности тела (детали), которое омывается охлаждающей
жидкостью, в положительном направлении оси Z движется источник тепла.
Плотность теплового потока по всей поверхности источника будем считать
постоянной. Температуру охлаждающей жидкости и начальную температуру
детали для простоты записи целесообразно принять равной нулю, систему координат свяжем с источником тепла, то есть начало координат поместим в
точку пересечения оси вращения круга и поверхности обрабатываемой детали.
В этом случае можно считать, что теплопроводящая среда (деталь) движется
со скоростью продольной подачи в отрицательном направлении оси Z.
Рис.1.
В этом случае уравнение теплопроводности примет вид:
  2T  2T  2T 
T
T
 a 2  2  2   
t
z
y
z 
 x
(5)
С краевыми и начальными условиями:

T
x
 Т
X 0
Х 0
 0;
 
T
x
 q  const ;
X 0
T t 0  0
(6)
Окончательный вид тепловое уравнение для торцового шлифования с
граничными условиями третьего рода будет иметь вид:
8
T  x, y , z ,  
q

2 0
 l 
arccos  1 
 
 ' d '

0
 R 
exp  

 2a    

R


  z   ' sin  
exp 
{


2a
   R 
   R 
     R' ' 
 y 

exp
exp

x

x y







2  exp  

2a   

2a   


2a   




dx  
dy  2 
d xdy}d
R'
0
 0
R' '
R
0
(7)
R  x 2   y  1  l  1 cos    z   ' sin  
 2
2
2
R'  x  x    y  1  l cos    z   ' sin  
где:
 2
2
R  x 2   y  1  l   ' cos   y   z   ' sin  
 2
 2
2
R' '  x  x    y  1  l   ' cos   y   z   ' sin  
2
2
Решение (7) осуществлено в пакете MathCAD. Результаты представлены в
таблице 1.
В третьей главе приведено проектирование алмазного шлифовального
круга с коническими отверстиями на торце и разработана методика проектирования. Проектирование основано на анализе теплофизических явлений, возникающих в процессе резания с подачей СОТС через конические отверстия. К
таким явлениям относится кавитация жидкости и образование гидравлического «клина», что позволяет решить комплекс задач:
- выбрать размеры круга, тип алмазного зерна и его величину;
- определить силы резания.
Наличия гидроклина и числа кавитации рассчитываются с использованием известных эмпирических формул. Плотность теплового потока, была рассчитана с помощью максимальной температуры без охлаждения в соответствии с рекомендациями работ Гуськова В.Т., Колмогорова П.В., Свитковского Ф.Ю.:
(8)
Результаты расчетов показали, что при интенсивном подводе СОТС с использованием конических отверстий наблюдается значительное снижение величины теплового потока и, как следствие, температуры в зоне резания.
При шлифовании охлаждающая технологическая среда через крышку
(рис.2) поступает во внутреннюю полость круга, а затем через конические отверстия подается непосредственно в зону резания под давлением, которое создается под действием центробежных сил. Избыточное давление в полости
круга определяется известной зависимостью, приведенной в работе Башта
Т.М.:
(9)
где: ρСОТС – плотность жидкости; ω – угловая скорость круга; D1 – наружный
диаметр круга; D – внутренний диаметр круга.
9
Расход СОТС при истечении через конические отверстия при рассчитанном давлении определяется по формуле, которую вывел Башта Т.М.:
(10)
где: nот=60…12000;  - коэффициент динамической вязкости СОТС,
нс/м ; d – больший диаметр выходного конуса, мм.
Для исследуемых кругов QСОТС=(0,3…0,8)20-3м3/с в зависимости от диаметра d и количества отверстий nот в круге. При таком расходе охлаждающая
жидкость проникает в зазоры между зернами круга и создает эффект гидравлического отжатия связки круга от детали.
Скорость потока жидкости в зоне контакта шлифовального круга с обрабатываемой деталью, в соответствии с рекомендациями в работе Исаева А.В.,
Силина С.С., определяется по зависимости:
2
(11)
где: h0=(0,1…0,15); L – длина зазора между связкой и обрабатываемой поверхностью.
Количество жидкости, протекающей в единицу времени через зону резания, в расчете на единицу ширины круга определяется из выражения, так же в
соответствии с рекомендациями работ Исаева А.В. и Силина С.С.:
(12)
QЖ=VЖ·h0·H
где: Н – площадь контакта круга с деталью.
Управляя скоростью и количеством потока СОТС (протекающей в единицу времени через зону резания), можно контролировать ее количество, находящееся непосредственно в зоне контакта круга с деталью. В зоне резания в
потоке СОТС по закону Бернулли возникает значительное понижение давления жидкости вследствие малого зазора между обрабатывающим кругом и поверхностью детали и высоких окружных скоростей. Для уменьшения коэффициента сопротивления на выходе жидкости из большого объема, коим является внутренняя полость круга, цилиндрическое отверстие можно выполнить, на
входе и выходе, в виде фасок, причем значение коэффициента зависит от величины угла α конуса и относительной длины l/d конуса, где l и d – параметры
конуса. В соответствии с рекомендациями Башта Т.М. при отношении
l/d=0,2…0,3 и с углом α=40-60°, величина коэффициента сопротивления составляет 0,1-0,15, т.е. в 5 раз меньше, чем при острых кромках в цилиндрических отверстиях. Для того, что бы избежать прижогов СОТС должна уносить
достаточное количество тепла, т.е. в потоке СОТС в зоне резания будет существовать определенный перепад температуры от начальной до конечной:
T1рез < Tmax прижогов
(13)
Возникновение перепада давления и температуры в потоке СОТС определяет условие появления кавитационных парогазовых пузырьков в потоке, что
улучшает моющую и другие свойства СОТС.
10
Учитывая перепад давлений (Р>>РНП) получим зависимость числа кавитации от диаметра отверстия при различном числе отверстий в круге nот в виде:
(14)
Число и диаметр отверстий в круге выбираются, исходя из конструктивных параметров круга – диаметров круга D и шпинделя D1, ширины круга h,
давления СОТС Р1, расхода Qж жидкости и скорости резания Vкр, а также из
условия:
(15)
где: Sотв – площадь всех отверстий круга; Sкр – рабочая площадь круга; h – ширина рабочей части круга.
Для обеспечения максимальной режущей способности и производительности процесса, а также из условия максимальной скорости истечение жидкости из отверстий, произведение количества отверстий на квадрат диаметра цилиндрической части должен быть минимальным.
Кавитация жидкости и образование гидравлического «клина» способствует образовавшемуся тепловому потоку направиться из области высоких
температур в область с низкой температурой, т.е. в СОТС. Это условие выполнимо только в том случае, если СОТС будет находиться в непосредственном контакте с алмазными зернами на всем пути их движения по обрабатываемой поверхности.
В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований, направленных на оценку достоверности математического моделирования теплопроводности процесса и определения действующих сил резания. Для
проведения экспериментальных исследований были спроектированы и изготовлены алмазные круги (рис.2.) и специальный измерительный комплекс
(рси.3) включающий в себя:
- малоинерционные датчики усилий, закрепленные на специальном динамометре;
- систему регистрации, состоящую из программного комплекса автоматизации экспериментальных и технологических установок ACTest;
- персональный компьютер для визуализации экспериментальных данных;
- станок для проведения исследования модели 3Е642Е (модернизированный).
11
Рис.2. Алмазный шлифовальный круг с коническими отверстиями на торце.
Рис.3. Измерительный комплекс.
Экспериментальные исследования зависимости сил резания от режимов и величины алмазного зерна представлены на рис.4, 5; табл.1:
Таблица 1.
12
Рис.4. Зависимость тангенциальной
силы резания от глубины шлифования сталей кругом с коническими отверстиями зернистостью 160/125 при
Sпр=0,11м/с и Vкр=25м/с. 1-20Х23Н18,
2- ХН65МВТЮ, 3-12Х18Н10Т, 412Х25Н16Г7АР.
Рис.5. Зависимость радиальной силы
резания от глубины шлифования и
величины продольной подачи алмазным кругом с коническими отверстиями при зернистости круга 160/125 и
Vкр=20м/с. 1,2-ХН65МВТЮ, 3,420Х23Н18, 1,3- Sпр=0,06м/с, 2,4Sпр=0,11м/с.
Незначительность тангенциальной составляющей силы резания говорит о
том, что режущие свойства зерен на протяжении всего технологического процесса сохраняются за счет действия СОТС.
Таблица 1 показывает, что рассчитанная по формуле с граничными условиями третьего рода температура почти не зависит от величины коэффициента
теплообмена (а), что согласуется с данными Сипайлова В.А. и Резникова А.Н.
Одним из основных показателей, определяющих качество обработки, является контактная температура, в зоне резания. С целью исследования измерения температуры в зоне резания проводились экспериментальные исследования шлифования методом полуискусственной термопары. Результаты экспериментальных исследований представлены на рис.6.
Проведенные исследования температур шлифования, показывают, что
рассчитанная температура шлифования и экспериментально измеренная отличаются. Экспериментально измеренная температура в среднем, в зависимости
от марки шлифуемого материала, на 15,1% ниже расчётной. Основными причинами такого расхождения, на наш взгляд, являются: колебания припуска,
физико-механических характеристик обрабатываемого материала, наличие кавитационного процесса на площадке контакта шлифовального круга с обрабатываемым материалом в процессе резания для данного круга и ряд других
причин, связанных с возможной разницей в условиях обработки.
В процессе проведения экспериментальных исследований была проведена
оценка шероховатости обработанной поверхности и засаливания алмазных
13
кругов. В результате которых были получены зависимости, представленные на
рис.7 и 8.
а.
б.
Рис.6. Распределение температуры шлифования по поверхности образца
из сплава 12Х18Н10Т(а) и 20Х23Н18(б) в зависимости от глубины обработки
(t, мм) при расчётах (1, 2) и экспериментально измеренной (3, 4): Vкр=30м/с,
Sпр=0,11м/с. 1, 4 - стандартный круг АС4 125/100 Б1 100%; 2, 3-круг
АС20 125/100 М1 100% с коническими отверстиями.
а.
б.
Рис.7. Зависимость шероховатости поверхности от скорости вращения
алмазного круга зернистости 125/100 при Sпр=0,11м/с, t=0,05мм. 112Х18Н10Т; 2-20Х23Н18; 3-ХН65МВТЮ; 4-12Х25Н16Г7АР.
14
а.
б.
Рис.8. Зависимость шероховатости поверхности от величины зерна алмазного круга при Sпр=0,16м/с, t=0,05мм, Vкр=25м/с. 1-12Х18Н10Т; 2ХН65МВТЮ; 3-20Х23Н18; 4-12Х25Н16Г7АР.
Анализ полученных зависимостей показал, что на всех режимах резания
величина шероховатости не превышает значений Ramax=1,1мкм. Рассмотрение
поверхности после обработки под увеличением в 100 раз подтверждает тот
факт, что наличие СОТС в зоне контакта алмазных зерен с металлом обеспечивает длительное сохранение их режущих свойств, о чем свидетельствуют
микронеровности поверхности, имеющие довольно четкие формы направления подачи (рис.9) во всех случаях, засаливание кругов не происходило, а
также не наблюдались прижоги обработанных поверхностей.
а.
б.
15
в.
г.
Рис.9. Микрорельеф поверхности деталей из материалов 12Х18Н10Т(а),
20Х23Н18(б), ХН65МВТЮ(в), 12Х25Н16Г7АР(г), после 10 минут работы круга зернистостью 160/125 при Vкр=25м/с, t=0,05мм, Sпр=0,11м/с.
В пятой главе приведены результаты промышленной апробации алмазных кругов с подачей СОТС в зону резания через конические отверстия на
торце. На «ЗНО «Техновек» было освоен и внедрен в технологический процесс круг с алмазами марки АС20 и зернистостью 125/100. При обработке составных частей к клапану обратному К07-65/40×14.00.000СБ, который является арматурой остановки и изменения направления потока жидкости, при обвязке насосов и других систем. Произведена замена круга из хромистого чугуна, для обработки торцевой поверхности с допуском к параллельности 0,05мм,
допуском плоскостности 0,05мм и допуском биения 0,03мм, на алмазный круг
с коническими отверстиями на торце с последующей доработкой станка. В результате увеличилась стойкость в 13 раз и как следствие увеличилась производительность процесса за счет уменьшения количества правок и увеличения
режимов. Кроме того, исчезли дефекты теплового происхождения (прижоги и
микротрещины). Результаты внедрения позволили продолжить работу с использованием предложенных алмазных кругов на производстве. В настоящее
время ведутся работы по шлифованию торца детали Седло «К0765/40×14.00.103-02».
После заслушивания работы на ПТС (ОАО «Воткинский Завод») было
принято решение о проверке эффективности разработанной конструкции алмазного круга с коническими отверстиями на торце. Для промышленной апробации была выбрана деталь «Руль» из стали 12Х18Н10Т. Результат апробации
показал, что после обработки пробной партии в количестве 10шт. алмазным
шлифовальным кругом с конусными отверстиями на рабочей поверхности,
наличие тепловых дефектов не наблюдалось, а износ круга не был зафиксирован.
Основные результаты и выводы.
1. Теоретически и экспериментально доказано, что конические отверстия
на торце алмазных шлифовальных кругов позволяют существенно снизить силы и температуру резания (при шлифовании стали 20Х23Н18 с различными
режимами обработки радиальная сила не превышала 68Н, а температура –
112°С).
16
2. На основании уравнения теплопроводности с граничными условиями
третьего рода решена тепловая задача для условий плоского шлифования алмазными кругами с коническими отверстиями на торце. Экспериментальная
проверка показала корректность проведенных расчетов (расхождение между
расчетными и экспериментальными данными составило 15,1%)
3. Экспериментальные исследования и промышленная апробация показали, что явление кавитации, возникающее при прохождении СОТС через конические отверстия на торце круга, позволяет избежать засаливания инструмента
и, тем самым, повысить его стойкость и качество обработанной поверхности
(Ra не более 1,1мкм).
4. Получены эмпирические зависимости для определения сил резания.
5. Разработана методика проектирования алмазных кругов с коническими
отверстиями на торце.
6. Разработаны рекомендации по назначению рациональных режимов
плоского шлифования деталей из коррозионно-стойких, хромоникелевых сталей аустенитного класса, обеспечивающих получение обработанных поверхностей с требуемой производительностью без тепловых дефектов.
7. Промышленная апробация алмазных кругов для плоского шлифования
с коническими отверстиями на торце показала, что снижаются издержки производства на инструмент почти в 4 раза и обеспечивается получение обработанных поверхностей без тепловых дефектов.
Основные положения диссертации изложены в следующих работах.
1. Колегов С.А., Юсупов Г.Х. Влияние физико-химических явлений на
взаимосвязь абразивных зерен с обрабатываемым материалом в процессе резания // Интеллектуальные системы – Ижевск: Изд. ИжГТУ – 2010 – №1 – 206209с.
2. Колегов С.А., Юсупов Г.Х. Вопросы шлифования деталей машин и летательных аппаратов из труднообрабатываемых материалов // Наука. Техника. Образование – Ижевск-Екатеринбург: Изд. инст. экономики УрО РАН –
2008 – 47-53с.
3. Колегов С.А., Юсупов Г.Х. Интенсификация теплообмена в зоне резания // Интеллектуальные системы – Ижевск: Изд. ИжГТУ – 2010 – №1 – 210214с.
4. Колегов С.А., Юсупов Г.Х. Методика обоснования основных параметров процесса шлифования и создание алмазных кругов // Научно-технические
и социально-экономические проблемы регионального развития – Глазов: Глазовский инж.-эконом. инст. – 2011 – Вып.8 – 75-81с.
5. Колегов С.А. Тепловые процессы при шлифовании // Научнотехнический вестник Поволжья – Казань – 2011 – №5 – 182-184с.
6. Колегов С.А., Юсупов Г.Х. Шлифования как один из перспективных
методов обработки // Научные и методические проблемы подготовки конкурентоспособных специалистов для Удмуртии – Ижевск: Изд. ИжГТУ – 2007 –
128-130с.
17
7. Колегов С.А., Кугультинов С.Д. Теоретическое исследование воздействия алмазных зерен на обрабатываемый материал // ИжГТУ: Вчера. Сегодня
Завтра. – Воткинск – 2012 – 58-62с.
8. Колегов С.А., Кугультинов С.Д. Методы решения тепловых задач при
обработке материалов резанием // Развитие местного самоуправления в городах России с градообразующими предприятиями – Ижевск: Изд-во «Удмуртский университет» – 2010 – 183-186с.
Автореферат
Колегов С.А.
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПЛОСКОГО ШЛИФОВАНИЯ
КОРРОЗИОННО-СТОЙКИХ, ХРОМОНИКЕЛЕВЫХ СТАЛЕЙ АУСТЕНИТНОГО КЛАССА АЛМАЗНЫМИ КРУГАМИ С КОНИЧЕСКИМИ ОТВЕРСТИЯМИ НА ТОРЦЕ.
Отпечатано на оборудовании Воткинского Филиала ИжГТУ
г.Воткинска, ул. П.И.Шувалова, 1, тел.: (34145) 5-15-00
Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз.
18