Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Состояние вопроса. цель и задачи исследования 10
1.1 Основные свойства и области применения быстрорежущих сталей 10
1.2 Проблемы и особенности шлифования инструментальных сталей 15
1.3 Подходы к оптимизации процесса шлифования 20
1.4 Выводы. Цель и задачи исследования 30
ГЛАВА 2 Методы исследования и методика проведения натурного эксперимента 33
2.1 Методы поиска случайных величин 33
2.1.1 Параметрические методы интерпретации наблюдений 34
2.1.2 Непараметрический метод интерпретации наблюдений 35
2.1.3 Оценка вариабельности наблюдений процесса 37
2.2 Статистические методы классификации машиностроительных деталей 38
2.2.1 Теория классификации деталей кластерным анализом 39
2.2.2 Теория классификации деталей дискриминантным анализом
2.3 Математическое описание нечеткой логики 44
2.4 Теория планирования эксперимента в исследовании 47
2.4.1 Планы, использованные для описания и изучения поверхности отклика 47
2.4.2 Поиск моделей методом наименьших квадратов 50
2.4.3 Поиск моделей методом максимального правдоподобия
2.5 Теория многопараметрической оптимизации поверхности отклика 55
2.6 Методика проведения исследования
2.6.1 Экспериментальные образцы 58
2.6.2 Абразивные инструменты 59
2.6.3 Условия проведения физического эксперимента 62
2.6.4 Методика измерения микро- и макронеровностей, микротвердости и прижогов 66
2.6.5 Поправочные коэффициентв к базовым моделям I
многофакторного дисперсионного анализа 71
Выводы по главе 72
Глава 3 Технологические методы и приемы повышения качества шлифования инструментов из быстрорежущих сталей 74
3.1 Классификация абразивных кругов по комплексным параметрам качества шлифованной поверхности пластин из стали Р9М4К8 74
3.2 Выбор оптимальных кругов для обработки инструментальных сталей с привлечением нечеткой логики 84
3.3 Обоснование влияния отдельных характеристик кругов на качество поверхности инструментов 94
3.4 Технологические приемы повышения качества быстрорежущих пластин и инструментов 96
3.4.1 Поиск оптимальных выхаживающих ходов при шлифовании пластин и инструментов из сталей повышенной производительности Р9М4К8
и Р12Ф3К10М3 96
3.1.2 Оценка эффективности технологических приемов шлифования на качество поверхности пластин и инструментов из стали Р9М4К8 102
Выводы по главе 109
ГЛАВА 4 Численные модели и предсказание топографии поверхности при шлифовании инструментов из стали Р9М4К8 112
4.1 Поиск моделей многофакторного дисперсионного анализа для поверхности отклика 112
4.2 Прогнозирование качества поверхности пластин и инструментов абсолютной жесткости 116
4.3 Прогнозирование качесва поверхностей быстрорежущих инструментов с
поперечной жесткостью 122
4.4 Прогнозирование качесва поверхности инструментов с продольной переменной податливостью 127
4.5 Сопоставление влияния направления варьирования жесткости на качество поверхности инструментов 132
Выводы по главе 135
ГЛАВА 5 Многопараметрическая оптимизация процесса плоского шлифования быстрорежущих инструментов 137
5.1 Многопараметрическая оптимизация процесса плоского шлифования быстрорежущих пластин и инструментов абсолютной жесткости 138
5.2 Многопараметрическая оптимизация процесса плоского шлифования быстрорежущих инструментов с поперечной податливостью 142
5.3 Многопараметрическая оптимизация процесса плоского шлифования быстрорежущих инструментов с продольной податливостью 148
Выводы по главе 153
Общие выводы по работе 155
Список литературы
- Проблемы и особенности шлифования инструментальных сталей
- Статистические методы классификации машиностроительных деталей
- Обоснование влияния отдельных характеристик кругов на качество поверхности инструментов
- Многопараметрическая оптимизация процесса плоского шлифования быстрорежущих инструментов с поперечной податливостью
Введение к работе
Актуальность темы. Быстрорежущие стали являются важным инструментальным материалом благодаря высокой вязкости, прочности и теплостойкости, что гарантирует им достаточно большой объем на рынке инструмента. В инструментальном производстве окончательная обработка шлифованием занимает важную роль, поскольку она определяет окончательное качество и стойкость готовой продукции. При шлифовании наиболее слабым элементом технологической системы является абразивный круг, выбору которого отведена наибольшая роль.
На практике часто приходится сталкиваться с проблемой классификации объектов по различным признакам. Экспериментатор непосредственно не может определить его категорию. На рынке машиностроительной продукции непрерывно появляются новые изделия, которые требуют быстрой оценки без проведения длительных испытаний. Решение этой проблемы возможно с привлечением кластерного и дискриминантного анализов, которые практически не используются в машиностроении.
В инструментальном производстве важную роль занимает оптимизация технологических процессов, которая позволяет повысить качество детали и снизить его трудоемкость. Одной из актуальных проблем современного машиностроения является обеспечение заданных показателей качества и соответственно эксплуатационных свойств детали. Для этого необходимо обладать информацией о влиянии технологических факторов процесса на параметры качества, которые удобно анализировать с привлечением математических моделей. Их поиск осложняется стохастической природой протекания абразивной обработки. Эффективным подходом решения этих проблем является привлечение статистических методов, теории эксперимента и робастного проектирования шлифовальных операций.
В настоящее время в условиях отсутствия значимых связей усиливается роль нечетких рассуждений, которые оказались эффективным инструментом для анализа технических проблем, в частности, в области машиностроения. Они используют математические модели на базе лингвистических рассуждений, которые позволяют получать аналитические выражения для количественных оценок нечетких условий принадлежности элементов к тому или иному множеству. Использование нечеткой логики для дифференциальных и интегральных оценок режущих способностей абразивных инструментов, обрабатываемости сталей, технологических приемов и т.д. по топографии шлифованной поверхности быстрорежущих пластин является актуальным подходом для одновременного управления мерами положения и рассеяния выходными параметрами шлифования, что невозможно предсказать с использованием традиционных статистических методов.
Цель работы. Повышение производительности и качества шлифования режущих пластин и инструментов из быстрорежущих сталей, снижение сроков технологической подготовки процесса плоского шлифования.
Для успешной реализации поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-
Получение интегрального решения по режущим способностям кругов с учетом качества поверхности быстрорежущих пластин сборных инструментов при проектировании шлифовальных операций.
-
Формирование расширенной базы данных для повышения эффективности технологической подготовки производства при плоском шлифовании с использованием регрессионных зависимостей между элементами режима шлифования и параметрами качества поверхности быстрорежущих пластин. Уточнение роли операционного припуска и жесткости быстрорежущих пластин при плоском шлифовании.
-
Повышение качества быстрорежущих инструментов и производительности процесса шлифования путем поиска оптимальных абразивных кругов, режимов и технологических приемов.
4. Разработка технологических рекомендаций плоского маятникового
шлифования быстрорежущих пластин различной податливости.
Методология и методы исследования. Работа сформирована на базе научных основ технологии машиностроения, технологии финишной обработки, инженерии поверхности, нечеткой логики, многомерного разведочного статистического анализа, теории планирования эксперимента и робастного проектирования шлифовальных операций при технологической подготовке инструментального производства.
Научная новизна работы:
1. Создана информационная база для автоматизации подготовки исходных
данных для шлифования быстрорежущих пластин и инструментов с учетом за
данных требований к качеству поверхности. Установлены новые закономерно
сти о влиянии операционного припуска на упругий контакт между заготовкой и
абразивным инструментом при маятниковом шлифовании и зависимости от
этапа шлифования, уровня жесткости пластин меняется его роль в формирова
ние качества поверхности.
2. Решена задача многопараметрической оптимизации (МПО) процесса
плоского шлифования быстрорежущих пластин и инструментов с учетом шеро
ховатости поверхности, точности формы и микротвердости. На этой основе
предложены режимы шлифования, которые позволяют повысить производи
тельность до нескольких раз при заданных параметрах качества поверхности
инструментов.
3. На основе дифференциальных и интегральной оценок режущих способ
ностей шлифовальных кругов, обрабатываемости сталей и технологических
приемов шлифования проведены кластерный анализ, нечеткое моделирование
для классификации кругов в конкретных условий шлифования, учитывающих
совместное влияние средних (медиан) и дисперсий.
Практическая значимость работы. Полученные результаты рекомендуются к внедрению на заводах и в цехах, занимающихся изготовлением инструментов из быстрорежущих сталей: дисковых фрез, плоских протяжек, сменных пластин и т.д. Разработаны технологические рекомендации, обеспечивающие заданное качество поверхности быстрорежущих инструментов, снижение тру-
доемкости и сроков технологической подготовки процесса с учетом податливости системы «станок – приспособление – инструмент – заготовка». Для удобства использования в производстве рекомендации приведены в табличной форме.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Модели многофакторного дисперсионного анализа для точечных и интервальных оценок топографии поверхности быстрорежущих инструментов при плоском шлифовании, в которые включены традиционные входные технологические переменные: продольная и поперечная подачи, глубина резания – и новые факторы: операционный припуск, податливость пластин и направления ее варьирования.
-
Результаты МПО процесса плоского шлифования пластин из быстрорежущих сталей с целью повышения качества поверхности, производительности процесса и сокращение сроков технологической подготовки производства.
-
Результаты классификации режущих способностей абразивных кругов по интегральным признакам с привлечением многомерного разведочного статистического анализа.
-
Результаты отдельных и комплексных оценок режущих способностей абразивных кругов, обрабатываемости быстрорежущих сталей, технологических приемов по топографии поверхности деталей с применением нечеткого рассуждения, позволяющего одновременно учитывать меры положения и рассеяния случайных величин.
-
Полученные результаты предсказания количества прижогов на поверхности деталей с использованием зеркальных фотоаппаратов и комплексных программ.
Достоверность результатов обеспечена обоснованным использованием теоретических зависимостей, допущений и ограничений, корректностью выбранных методов исследования, применением известных численных методов и подтверждается качественным и количественным согласованием результатов расчетов с экспериментальными данными.
Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на Всероссийских и Международных научно-технических конференциях: «Научная инициатива иностранных студентов и аспирантов российских вузов» (г. Томск, 2012); «Жизненный цикл конструкционных материалов» (г. Иркутск, 2012, 2014); «Новые задачи технических наук и пути их решения» (г. Уфа, 2014); «Научные перспективы XXI века. Достижения и перспективы нового столетия» (г. Новосибирск, 2014); «Актуальные проблемы в машиностроении» (г. Новосибирск, 2015); «Новые материалы и технологии в машиностроении» (г. Брянск, 2015); «Современные технологии в машиностроении» (г. Пенза, 2015).
Внедрение результатов работы. Результаты работы апробированы и могут быть использоваться при изготовлении быстрорежущих пластин по ГОСТ 2379-77, плоских протяжек, дисковых фрез, а также в учебном процессе для бакалавров, магистрантов машиностроительных специальностей ИрНИТУ.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 26 статьи, в том числе 13 в изданиях, рекомендованных перечнем ВАК РФ, 2 в изданиях, входящих в перечень Scopus.
Структура и объем работы. Диссертация имеет введение, пять глав, общие выводы, список литературы и приложения. Основной материал работы насчитывает 156 страниц, содержит 58 таблиц, 30 рисунков, список литературы из 244 наименований и 8 приложений. Общий объем работы 216 страниц.
Проблемы и особенности шлифования инструментальных сталей
В процессе абразивного шлифования деталей из закаленных сталей, в том числе инструментальных, существует большая вероятность повреждения их поверхности вследствие возникновения прижогов, которые являются одним из наиболее распространенных и сложных дефектов при работе «жесткими» абразивными инструментами. Это связано с превращением работы резания в теплоту. При доминирующей роли силового фактора, который имеет место, к примеру, при шлифовании кругами из кубического нитрида бора, возможно ожидать с большой долей вероятности упрочнение поверхности пластин и инструментов и формирование в подповерхностных слоях сжимающих остаточных напряжений, повышающих предел выносливости режущих инструментов при знакопеременных нагрузках [131, 133, 134]. Однако более общим случаем при шлифовании быстрорежущих пластин и инструментов кругами из зерен 24А, 25А с 6–7-ой структурой является превалирующее воздействие теплового источника на ее поверхность, поскольку более 80% затрачиваемой мощности переходит в тепло. Его источником являются абразивные зерна, которые выступают в разной мере в радиальном направлении из черепка абразивного круга. В силу сказанного они разделяются на режущие, давящие и нережущие. Наиболее выступающие абразивные зерна первоначально вызывают упругую деформацию металла, затем пластическую и по достижении контактных напряжений, превышающих его предел прочности, – срезание микростружки. Тепло преимущественно выделяется в результате трения абразивных зерен по ювенильной поверхности только что обработанного металла и энергии, расходуемой на его упругую и пластическую деформации. При этом на первых двух этапах контакта режущих зерен с металлом температура шлифуемой поверхности оказывается даже выше, чем при снятии стружки. Давящие зерна лишь скользят по обработанной поверхности, усиливая упругую и пластическую деформации и тепловыделение. Мгновенный нагрев поверхности пластин и инструментов может составлять 700–800 оС, а при интенсивном режиме шлифования – до 1200–1500 оС, который приводит к ее локальному оплавлению. При этом скорость нагрева достигает 5000–6000 оС/с и даже до 10000 оС/с. Тепловое поле заготовки характеризуется высоким градиентом и сосредоточено в поверхностном слое глубиной 0,1–0,3 мм. Почти так же быстро (за доли секунды) эта температура снижается, поскольку основная часть возникшего тепла отводится в нижележащие слои холодного металла. При этом в пластинах и инструментах наблюдается снижение твердости, обусловленное прижогами [85, 108, 124].
А так же под действием тепла в результате воздействия СОЖ на зону резания обрабатываемая поверхность в процессе шлифования приобретает зональный характер распределения вторично закаленного поверхностного слоя. Неравномерность распределения физико-механических свойств рабочего поверхностного слоя является одним из основных показателей, определяющих подверженность инструмента быстрому, а в некоторых случаях катастрофическому износу. Под вторично закаленным слоем обработанной поверхности могут залегать локальные зоны отпущенного металла, определяемые при использовании неразрушающих методов контроля. В процессе эксплуатации деталей под воздействием значительных контактных нагрузок при высокой цикличности скрытые дефекты по 19 верхностного слоя развиваются и приводят к частичному разрушению рабочих поверхностей агрегата, что, в свою очередь, вызывает полный его отказ [162].
При температурах деталей, превышающих Ac1, в поверхностном слое протекают структурные превращения, которые могут увеличивать или уменьшать его плотность. При преобладающем количестве мартенситной составляющей в структуре металла, характеризуемой большим удельным объемом, снижается отпущенный слой и появляются остаточные напряжения сжатия. В том случае, когда в поверхностном слое металла в результате высокой температуры шлифования количество аустенита становится более 50 %, возникает относительно глубокий слой отпущенного металла и в поверхностных слоях имеют место напряжения растяжения [81]. Остаточные напряжения шлифованной детали являются результатом всех перечисленных явлений и определяются условиями обработки. Остаточные напряжения сжатия повышают усталостную прочность деталей при знакопеременных нагрузках, а растягивающие, напротив, оказывают неблагоприятное воздействие [159, 160].
В современном машиностроении тенденции развития шлифовальных технологий определяют высокие требования к качеству обработки изделий и повышению эффективности процесса. Одним из путей реализации сказанного является развитие конструкций шлифовальных кругов, которые являются наиболее слабым звеном в технологической системе шлифования. В настоящее время на российских предприятиях появились высокопористые круги с зернами электрокорунда белого для шлифования инструментальных сталей в закаленном состоянии. Они позволили снизить засаливание рабочей поверхности при срезании микростружки и силы резания на (20–30) % в результате возрастания межзеренного пространства. В итоге обеспечен рост производительности процесса на 65–70 % [139]. За рубежом освоена технология получения новых зерен микроскопического корунда (синтеркорунда), Norton Quantum, в частности фирмой Norton: 3SG, 5SG, TG2, TGX и 5NQ. Они повысили интенсивность съема металла при шлифовании труднообрабатываемых сталей в закаленном состоянии и так же легче правятся по сравнению с инструментами из эльбора. Производство и дальнейшее продвижение на российском рынке таких кругов является важнейшим направлением снижения трудоемкости шлифования и повышения качества получаемых деталей [12, 89, 220, 97].
Однако при шлифовании с СОЖ многие поверхности ответственных деталей, обработанные с применением СОЖ, загрязнены продуктами шлифования (масло, оксиды, сульфиды и др.). Внедренные в неровности поверхности и прочно удерживаемые, они не могут быть устранены без дополнительных операций обработки.
Вопросы обеспечения качества обработанных деталей, в частности и инструментов, при шлифовании рассмотрены в ряде работ [12, 45, 73, 127, 139, 179, 180, 207, 238]: снижение твердости шлифовального круга; увеличение его пористости; снижение интенсивности съема материала; повышение теплопроводности обрабатываемого материала; управление скоростью резания и операционным припуском; применение жидкого азота вместо традиционных водно-масляных СОСТ; использование абразивных кругов из сверхтвердых материалов и т.д. Этими вопросами так же занимаются многие зарубежные ученые [178, 203, 204, 213, 214, 229, 230, 235, 241]: скоростное и сверхскоростное шлифование с контролем скорости вращения; автоматическая динамическая балансировка абразивного круга; широкое применение инструментов из алмаза, кубического нитрида бора и SG-абразивов; использование воздушных и гидростатических опор шпинделей станков; высокоточная установка прецизионных станков, исключающая их вибрации; применение высокопрочных материалов для фундамента станков и специальных комбинаций конструкций сопел для подачи охлаждающей жидкости (Coherent Jet Nozzles, игольчатые и многоточечные); новые методы правки и шлифования, ELID – метод, обеспечивающий наноточность; ультразвуковое и лазерное шлифование (SLC) и др.
Статистические методы классификации машиностроительных деталей
Дискриминантный анализ является разделом вычислительной математики, который позволяет исследовать разницы между двумя и более группами объектов по нескольким переменным одновременно. Он представляет набор методов статистического анализа для решения задач распознавания образов, которые используются для принятия решения о том, какие переменные разделяют (дискриминируют) возникающие наборы данных (так называемые «группы»). В отличие от кластерного анализа в дискриминантном анализе группы должны быть известны априори [44, 94].
Методика проведения дискриминантного анализа включает: дискриминацию и классификацию, определение и построение количества дискриминантных переменных и их разделительной способности, нахождение классифицирующих функций.
С помощью дискриминантного анализа на основании некоторых признаков (независимых переменных) индивидуум может быть причислен к одной из двух или более заранее заданных групп. Ядром проводимой процедуры является построение так называемой канонической дискриминантной функции [16, 44, 94]: fКm=a0+alylКm+... + aiyКm, m = n, К = J5, i = Xp, (2.2.4) где ат - неизвестные коэффициенты регрессии; уК - значения дискриминантных переменных для т-го объекта в группе К; g - число групп; р - число дискриминантных переменных. Коэффициенты в (2.2.4) должны быть заданы таким образом, чтобы по / было возможно с максимальной четкостью провести разделение объектов по группам. Один из методов поиска наилучшей дискриминантной функции данных заключается в нахождении такой канонической дискриминантной функции fК, которая бы максимизировала отношение межгрупповой вариации к внутригруп-повой [44, 94]: A = B(f)/W(f), (2.2.5) где btj= В(у.,у.) и wi] = W(yi,y) - межгрупповая и внутригрупповая матрицы рассеяния наблюдаемых переменных от средних. Иногда в (2.2.5) вместо W используют матрицу рассеяния Ц=Т(у.,у}) объединенных данных. Вычисление Ьу, wi}, ttj представлено в [44, 99, 135].
Матрицы ВфиЖфв (2.2.5) содержат всю основную информацию о зависимостях внутри групп и между ними. Для лучшего разделения наблюдений на группы следует подобрать коэффициенты дискриминантной функции из условия максимизации отношения межгрупповой матрицы рассеяния к внутригрупповой матрице рассеяния при условии ортогональности дискриминантных плоскостей. Тогда нахождение коэффициентов дискриминантных функций сводится к решению задачи о собственных значениях и векторах v , К = 1; g -1. Это утверждение можно сформулировать так: если спроектировать g групп р -мерных выборок на (g-1) пространство, порожденное собственными векторами v1 К,...,vpК, К = 1;g-1, то отношение (2.2.5) будет максимальным, т.е. рассеяние между группами будет максимальным при заданном внутригрупповом рассеянии. Если спроектировать g выборок на прямую при условии максимизации наибольшего рассеяния между группами, то следует использовать собственный вектор v11,...,vp1, соответствующий максимальному собственному числу Х1. При этом дискриминантные функции можно получать с использованием нестандартизованных и стандартизованных коэффициентов [15, 16, 43, 44, 94]. Нестандартизованные коэффициенты нормированных компонентов собственного вектора определяются из следующего выражения [16] p a. = v.Jn-g, cc0 = - аіУі . (2.2.6) Нормированные коэффициенты (2.2.6) приводят к таким дискриминантным значениям, единицей измерения которых является стандартное квадратичное отклонение. При таком подходе каждая ось в преобразованном пространстве сжимается или растягивается таким образом, что соответствующее дискриминантное значение для данного объекта представляет собой число стандартных отклонений точки от главного центроида.
Стандартизованные коэффициенты получают преобразованием (2.2.6) к следующему виду [16]: с. = ai w.. (2.2.7) n-g Коэффициенты (2.2.7) полезно применять для уменьшения размерности исходного признакового пространства переменных. Если абсолютная величина коэффициента для данной переменной для всех дискриминантных функций мала, то эту переменную следует исключить, тем самым сократив число переменных.
Классификация объектов с помощью функции расстояния. Выбор функций расстояния между объектами для классификации является наиболее очевидным способом введения меры сходства для векторов объектов, которые интерпретируются как точки в евклидовом пространстве. В качестве меры сходства можно использовать евклидово расстояние между объектами. Однако в тех случаях, когда переменные коррелированы, они имеют различные единицы измерения стандартных отклонений. Отсюда трудно четко определить понятие «расстояние». В этом случае полезнее применять не евклидовое расстояние, а выборочное расстояние Махаланобиса [16, 44, 94]:
Обоснование влияния отдельных характеристик кругов на качество поверхности инструментов
Тенденции развития шлифовальных технологий предъявляет высокие требования к качеству обработки детали и повышению эффективности процесса. На мировом рынке представлены абразивные инструменты, производимые несколькими сотнями заводов. Это вызывает жесткую конкуренцию между ними и, как следствие, непрерывное улучшение качества всех видов и типов инструментов. Признанным лидером является Saint-Gobian Abrasive - крупнейший в мире производитель абразивно-алмазного инструмента, в состав которого входят четыре компании: Norton (129 лет на рынке), Carborundum (124 лет), Merit Abrasive (64 года) и Winter (164 года) [97]. В настоящее время в России работают 15 абразивных заводов. Крупнейшими и старейшими среди них являются: Лужский абразивный завод (110 лет), Петербургский абразивный завод «Ильич» (138 лет), Московский абразивный завод (86 лет).
В качестве инструмента использованы круги прямого профиля 1(01) с размерами 250x20x76 мм, где форма 1 дана по [34], а 01 - по [185]. Абразивные материалы, зернистость, твердость приведены ниже по [32, 33]. Шлифование вели следующими абразивными кругами ( = ГДб): 1 - 5NQ46I6VS3; 2 5SG46I12VXP; 3 - 5SG46K12-VXP; 4 - 5SG60K12VXP; 5 - TGX80I12VCF5; 6 -25AF46M12V5-ПО; 7 - 25AF46M12V5-ПО3; 8 - 25AF46M10V5-ПО; 9 -25AF46M10V5-ПО3; 10 - 25AF46K10V5-ПО3; 11 - 25AF60M10V5-ПО; 12 -25AF46L10V5-КФ35; 13 - 5A46K3V; 14 - 5A46L10VAX; 15 - 92A/25AF46L6V20; 16 - 34AF46K6V5. Круги со = ГЗ - продукция фирмы Norton, США; со = 13;14 (монокорундовые) - фирмы Dorfner Schleifmittelwerk GmbH (Германия). Осталь 60 ные круги являются продукцией российских производителей: dwM (электрокорундовые белые) - ОАО Лужского абразивного завода, г. Луга; о = 12 и о = 15 (смесь электрокорунда хромотитанистового и белого в соотношении 1:1) - ОАО Петербургский абразивный завод «Ильич», г. Санкт-Петербург; о = 16 (электрокорундовый хромистый) - ОАО Московского абразивного завода, г. Москва.
Перед установкой круга на станок проводили его статическую балансировку с целью снижения неуравновешенности масс в сборе с планшайбой.
Большинство зерен монокорунда являются отдельными кристаллами (монолитами). Монокорунд содержит не менее 96,5 % А12О3, а остальное - примеси. Зерна монокорунда имеют острые кромки, которые при затуплении скалываются небольшими частями, что придает кругу высокие режущие свойства [176]. По твердости, прочности и абразивной способности он превосходит электрокорунд и является одним из лучших материалов для скоростного шлифования закаленных сталей [107]. Его режущие кромки более легко внедряются в заготовку, поэтому круги из монокорунда работают с меньшими радиальными силами. Сказанное снижает биение и износ подшипников шпинделя станка и улучшает шероховатость шлифуемой поверхности. Их стойкость в 1,5-2 раза выше, износ меньше в среднем на 35-40 %, производительность на 10-20 % больше, чем у обычных электрокорундов. В процессе шлифования поверхность деталей меньше нагревается, в результате чего снижается опасность получения прижогов и короблений. Это имеет особое значение для обработки таких деталей, которые обладают повышенной чувствительностью к высокотемпературному нагреву [113].
Электрокорунд хромистый 34А - искусственный материал, полученный на базе электрокорунда белого с добавлением окиси хрома. Последнее ведет к упрочнению кристаллической решетки окиси алюминия, что придает зерну повышенную вязкость и абразивную способность. Сказанное позволяет применять круги 34А на интенсивных режимах шлифования углеродистых и легированных сталей, склонных к прижогам [63, 167]. Хромотитанистый электрокорунд 92А -мелкокристаллический, плотный и весьма прочный абразивный материал. Стойкость инструмента в 10-40 раз выше аналогичного инструмента из электрокорун 61 да нормального. Он предназначен для обдирочного шлифования стальных заготовок при высоких скоростях и подачах.
За рубежом освоена технология получения новых зерен: Norton Quantum (NQ) марки 3NQ, 5NQ (круги Norton Vitrium); микроскопического корунда (син-теркорунда) – 3SG, 5SG и зерен TG2, TGX (круги Altos). В кругах 3NQ, 5NQ и 3SG, 5SG цифры соответствуют 30%- и 50%-ому содержанию зерен NQ и SG в смеси с традиционными оксидами алюминия. Круги из синтеркорунда усиливают преимущества инструментов высокой пористости из электрокорунда в связи с тем, что зерна SG состоят из кристаллов с размерами 0,2–0,5 мкм, которые в 10–100 раз мельче, чем у абразивов 25А. По этой причине их износ протекает путем скалывания частиц, а не с образованием площадок износа, характерных для традиционных абразивов [89, 127]. Новейшей разработкой фирмы Norton служат зерна марки TG2 и TGX, полученные золь-гельным методом. Режущие элементы представлены смесью волокнистых Sol-Gel корундовых абразивных зерен (со средним соотношением длины l к диаметру d в пределах 7,5) и спеченных керамических корундовых зерен SG. Абразивные круги Altos с абразивом TGX обладают высокой пористостью и проницаемостью, улучшенным показателем съема припуска при шлифовании труднообрабатываемых сталей, склонных к прижогам, и длительным сроком службы [220]. Зерна SG, TG2 и TGX по своим механическим свойствам конкурируют с кубическими нитридами бора, оставаясь по стоимости ниже до 20 раз, и легче правятся. [89, 12, 97, 220]. Фирмой Norton представлен инновационный продукт абразивного круга Norton Vitrium с новейшим абразивным материалом NQ. В качестве абразивных зерен NQ применяется особая керамика, скрепленная в черепке круга специально разработанными органическими и керамическими связками. Эти абразивы называют «интеллигентными», поскольку уникальное сочетание режущей керамики и связок обеспечивает низкие силы резания и температуры при высокой износостойкости, превышающей в 1,5–2 раза размерную стойкость традиционных абразивов. Зерна NQ сохраняют при шлифовании продолжительное время острые вершины и обеспечивают повышение интенсивности съёма сталей до 15 мм3/мин. Инструменты Norton Vitrium сохраняют идеальное сочетание между остротой и прочностью, так важных при шлифовании инструментальных сталей. Используя один и тот же инструмент, можно с высокой производительностью и точностью обрабатывать широкий спектр материалов - от чугуна до никелиевых сплавов [185, 187, 219, 231]. Производство и дальнейшее продвижение на российском рынке абразивных кругов NQ и высокопористых кругов SG, TG2 и TGX является важнейшим резервом снижения трудоемкости шлифования и повышения качества получаемых пластин и инструментов.
Многопараметрическая оптимизация процесса плоского шлифования быстрорежущих инструментов с поперечной податливостью
Рис. 4.2.1 иллюсрирует влияние глубины резания (С) и припуска (D) на формирование параметра Ra1 поверхности пластин и инструментов абсолютной жесткости при черновом А = в = +1,0 (а) и чистовом л = в = —1,0 (б) шлифовании. а) б) Рисунок 4.2.1 - Влияние глубины резания (С) и припуска (D) на формирование параметра Ra1 поверхности пластин при черновом л = в = +1,0 (а) и чистовом А = в = -1,0 (б) шлифовании Из рис. 4.2.1 видно, что глубина резания в большей мере влияет на высотные параметры микрорельефа, чем операционный припуск. При черновом этапе на режиме: А = в = п = +1,0 (рис. 4.2.1, а) - варьирование С от -1,0 до +1,0 сопровождается ростом среднеарифметических отклонений профиля на 2 категориальной величины от 0,38(0,40) до 0,62(0,63) мкм. Увеличение глубины (С) и припуска (D) приводит к возрастанию микрорельефа поверхности: при c = D = —1,0,
Ra10,299(0,32), при увеличении c = D = +1, Ra10,616(0,63), т.е. одновременно приминимизации глубины резания и операционного припуска предсказано снижение Ra1 на 3 категориальной величины.
На чистовом шлифовании (рис. 4.2.1, б) при л = в = -1,0, D = +1,0 глубина резания играет наибольшую роль, т.к. при ее увеличении от -1,0 до +1,0 параметр Ra1 возрастает на 6 категориальных величин от 0,0203(0,025) до 0,096(0,10) мкм. Наибольшее снижение параметр Ra1 при чистовом шлифовании получено при снижении с = -1,0, і) = +1,0. Роль повышения операционного припуска в снижении высотных параметров микрорельефа при шлифовании деталей абсолютной жесткости выявлена нами впервые. По технологическим рекомендациям его обычно снижают. Различие между минимальным и максимальным Ral составляет 8 категориальных величин: от 0,0203(0,025) при С = -1,0 и =+1,0 до 0,145(0,16) мкм при Он-1,0, D = -1,0.
Одним из показателей шероховатости, который оказывает наибольшее влияние на усталостную прочность пластин и инструментов, является максимальное высотное отклонение профиля поверхности i?maxi [144]. В частности он во многом определяет стойкость, износостойкость рабочих поверхностей инструментов. Установлено, что глубина резания так же в наибольшей мере влияет на высотные параметры микрорельефа по сравнению с операционным припуском. При шлифо вании в один этап при А = В = +1,0 наибольшее снижение i?mxl предсказано при C = D = -l,0. Аналогично при шлифовании в два этапа минимум Rmxl (А = В = -1,0) имеет место при С = -1,0 и D = +1,0. Переходим к шаговым показателям шероховатости в двух взаимно ортого нальных направлениях: Sml - в поперечном, Sm2 - в продольном направлении.
Они до сих пор остаются мало изученными по сравнению с высотными параметрами. Их поверхности откликов в зависимости от глубины (С) и припуска (D) представлены на рисунках: 4.2.3, а, в и 4.2.3, б, г соответственно в продольном и поперечном направлениях. Из рис. 4.2.3 видно, что при черновом шлифовании (А = В = С = D = +1,0) шаговые параметры в продольном направлении на одну КВ больше поперечного аналога. Если уменьшить только D, С до -1,0, то соотно шение между Sm2 и Sml изменится на противоположное. Сказанное необходимо иметь в виду, если шлифование выполняется в один переход. На чистовом этапе шлифования (A=B = C = D = -1,0) средний продольный шаг становится меньше поперечного аналога. При сохранении уровней А = В = D = -1,0 увеличение глу бины резания (С) до +1,0 вызвало уменьшение в) г) продольного параметра Sm2 отно сительно Sml до 1,5 раз. При оптимизации процесса для повышения качества пластин и инструментов в первую очередь необходимо уменьшать наибольший сред 118 ний шаг. К сожалению, заранее указать сечение g = 1;2 не представляется возможным, т.к. оно может менять свое расположение в зависимости от условий шлифования.
Рисунок 4.2.3 - Влияние глубины резания (С) и припуска (D) на формирование параметра Sm2 (а, в) и Sm1 (б, г) при черновом А = В = +1,0 (а, б) и чистовом А = В = -1,0(в, г) шлифовании Далее обратимся к относительной опорной длины профиля поверхности tp, которая является комплексным параметром, характеризующим микрорельеф поверхности с точки зрения износостойкости инструментов. В табл. 4.2.2 представлены результаты о влиянии припуска на опорные длины профиля поверхности при черновом и чистовом шлифовании пластин и инструментов из стали Р9М4К8 абсолютной жесткости. Они позволяют сформировать некоторые закономерности формирования относительных опорных длин: +Параметр tp(2) предсказаны меньше своих аналогов t (1). Сказанное в первую очередь относится к чистовому шлифовани, при котором при уровне сечений /7 = 5-55% продольные tp(2) предсказаны меньше поперечных tp(1) до 1,5-2 раз. При дальнейшем удалении сечений до р = 95% различие между опорными длинами снижается до нуля. При черновом шлифовании сказанное о различии ip( ), g = 1/2 имеет место только при р = 5; 10%. +Опорные длины при неизменном g = 1;2 и этапе шлифования практически не зависят от варьирования фактора D (припуска) от -1,0 до +1,0.