Введение к работе
Актуальность. Детали, изготовленные из жаропрочных сплавов на никелевой основе, активно применяются во многих областях техники. Особенно широкое распространение они получили в авиационном двигателестроении, причем именно эти детали являются наиболее ответственными и определяют ресурс двигателя. Разрушение деталей в большинстве случаев начинается с поверхности. Этому способствуют впадины между микронеровностями, остаточные напряжения и поверхностные дефекты, оставшиеся после механической обработки. Традиционно, на производстве высокого качества поверхности деталей добиваются с помощью операций, полирования и притирки, часто вручную. Процесс полирования характеризуется низкой производительностью, высокой трудоемкостью, а качество поверхности напрямую зависит от квалификации рабочего. При этом не всегда гарантируется отсутствие прижогов.
Относительно недавно появившаяся технология сверхскоростного шлифования открыла возможности кардинального повышения качества поверхности. Специалисты, занимавшиеся данным вопросом: Л. Н. Филимонов, Л. В. Худобин, В. Н. Подураев, В. Ф. Казаков, К. Гюринг, А. Ю. Попов, Д. С. Реченко, – отмечают, что при сверхскоростном шлифовании изменяются физические процессы, происходящие в зоне резания. Причем, это касается как инструмента, так и обрабатываемого материала. Износ абразивных зерен приобретает характер самозатачивания, изменяются температурные условия в зоне резания, повышается производительность процесса. Таким образом, повышение скорости резания свыше 120 м/с, при обработке деталей из жаропрочных сплавов, является наиболее перспективным способом достижения высокого качества поверхности.
На сегодняшний день установлена следующая градация скоростей резания:
До 45 м/с – обычное шлифование. Данная граница сложилась исторически в силу того, что не существовало конструкций шлифовальных кругов, способных выдержать центробежные силы при более высоких скоростях резания. Процессы, происходящие при таких скоростях, подробно изучены и описаны многими авторами.
Свыше 45 до 120 м/с – высокоскоростное шлифование. Для достижения этих скоростей были разработаны конструкции кругов, способных выдерживать центробежные силы, однако не существовало серийно выпускаемых приводов, обеспечивающих требуемые частоты вращения шпинделя. Работ, посвященных изучению процессов, происходящих в зоне резания при таких скоростях, значительно меньше.
Свыше 120 м/с – сверхскоростное шлифование. Выделение данной границы связано с тем, что при такой скорости резания изменяется характер износа абразивных зерен. При более низких скоростях абразивные зерна изнашиваются с образованием площадок износа, при более высоких скоростях на зернах образуются микросколы и происходит образование острых лезвий. Данная область скоростей на сегодняшний день является практически не изученной, и работ по этой теме чрезвычайно мало.
Цель работы:
повышение качества и производительности абразивной обработки деталей из жаропрочных сплавов на никелевой основе с помощью сверхскоростного шлифования.
Основными задачами исследования являются:
-
Проанализировать влияние на производительность и качество обработки основных технологических параметров, а именно: конструкции и характеристики абразивного инструмента, компоновки и конструкции станка.
-
Исследовать адгезионные и тепловые процессы при сверхскоростном шлифовании жаропрочных сплавов на никелевой основе.
-
Определить влияние скорости резания при сверхскоростном шлифовании на процессы пластической деформации и шероховатость поверхности в зоне резания.
Методы исследования.
Теоретические исследования сверхскоростного шлифования жаропрочных сплавов на никелевой основе производились на основе теории резания, теплофизики и планирования эксперимента. Обработка теоретических и экспериментальных результатов производилась в программных средах Microsoft Excel и FlexPDE. При конструировании использовалось 3D моделирование в системе автоматизированного проектирования КОМПАС. Исследования проводились с использованием современных стандартных и специальных измерительных приборов: вибродинамического прибора ДИАНА-2М; электронного микроскопа JCM-7500; микротвердомера ПМТ-3, профилометра NewView 6200, профилометра 170622.
Научная новизна:
-
Установлено, что основными параметрами, влияющими на качество поверхности при сверхскоростном шлифовании, являются скорость резания, характеристика круга и глубина резания.
-
Разработана математическая модель тепловых процессов при сверхскоростном шлифовании, позволяющая установить интервал скоростей бесприжоговой обработки.
-
Теоретически и экспериментально установлены значения технологических параметров, при которых минимизируется адгезия обрабатываемого и абразивного материала.
Практическое значение работы:
-
Разработана серия кругов для сверхскоростного шлифования, включающая круги типа ПП, ЧК и круги для фасонного шлифования. Круги обеспечивают возможность динамической защиты и балансировки.
-
Определен интервал скорости резания при сверхскоростном шлифовании деталей из жаропрочных сплавов на никелевой основе, оптимальный с точки зрения производительности и качества обработанной поверхности.
-
Разработана конструкция установки для сверхскоростного шлифования на базе станка ВЗ-326Ф4.
Достоверность результатов.
Достоверность полученных результатов обосновывается:
-
корректностью выполненных теоретических построений;
-
сопоставлением и совпадением результатов моделирования и экспериментального исследования.
Апробация работы.
Основные положения работы доложены и обсуждены на II региональной молодежной научно-технической конференции «Омский регион – месторождение возможностей!» (Омск-2010), а также на заседаниях кафедр «Технология транспортного машиностроения и ремонта подвижного состава» (ОмГУПС) и «Металлорежущие станки и инструменты» (ОмГТУ). С работой ознакомлен исполнительный директор ОАО «Кузнецов» (г. Самара) Ю. С. Елисеев. Разработанные теоретические положения и новые технические решения опробованы экспериментально в лабораториях кафедры «Металлорежущие станки и инструменты» (ОмГТУ).
Положения, выносимые на защиту:
При сверхскоростном шлифовании жаропрочных сплавов на никелевой основе:
-
Наилучшими показателями по стойкости круга и качеству обработки поверхности обладают шлифовальные головки из циркониевого электрокорунда 92А на керамической связке и алмаза синтетического АС20 на металлической связке.
-
При скорости резания 250 – 300 м/с контактная температура меньше значения температуры образования прижогов на шлифованной поверхности.
-
При скорости резания 120 – 150 м/с высота микронеровностей на обработанной поверхности минимальна.
Реализация и внедрение результатов работы.
-
С учетом результатов представленной работы спроектирован, изготовлен и запатентован сборный шлифовальный круг для сверхскоростного шлифования, конструкция которого позволяет осуществлять автоматическую балансировку в процессе работы. Подписан протокол о намерениях с ОАО «Завод ВИЗАС» по созданию совместной лаборатории «Инструментальная техника и технология высокоскоростной обработки».
-
Кафедрой «Металлорежущие станки и инструмент» (ОмГТУ) принята к эксплуатации установка для сверхскоростного шлифования на базе модернизированного станка ВЗ-326Ф4 для 4-х координатной обработки со скоростью резания до 200 м/с.
Структура и объем работы.
Работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка использованных литературных источников, содержащего 115 наименований, и приложения актов внедрения результатов работы, патентной документации. Диссертация содержит 73 рисунка и 7 таблиц. Общий объем работы – 140 страниц.
