Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ состояния вопроса 9
1.1. Свойства и области применения титановых сплавов 9
1.1.1. Титан и его сплавы 9
1.1.2. Химические свойства 11
1.1.3. Физико-механические свойства 13
1.1.4. Структура и классификация 15
1.1.5. Использование титана как конструкционного материала 21
1.2. Обработка титана и его сплавов 23
1.2.1. Особенности шлифования титановых сплавов 23
1.2.2. Глубинное шлифование 33
1.3. Высокопористый абразивный инструмент 39
1.4. Выводы, постановка цели и задач исследования 51
2. Методический раздел 54
2.1. Использование методики ПФЭ типа 2К 54
2.2. Методика проведения исследований глубинного шлифования 55
2.3. Методика изготовления опытных образцов и высокопористых шлифовальных кругов 64
2.4. Методика определения сил, возникающих в процессе глубинного шлифования 67
2.5. Методика рентгеноструктурного и рентгеноспектрального анализов 72
3. Разработка рецептуры высокопористых кругов из карбида кремния 77
3.1. Анализ данных по рецептуре 78
3.2. Разработка модели твердости и прочности высокопористого АИ с порообразователем крупа манная 92
3.3. Разработка модели твердости и прочности высокопористого АИ с порообразователем косточка фруктовая 102
3.4. Влияние исследуемых факторов на твердость и прочность высокопористого АИ 109
3.5. Совместный анализ моделей твердости и прочности высокопористых АИ с различными порообразователями 118
3.6. Выводы 121
4. Влияние характеристики круга, режимов шлифования и правки на показатели процесса .. 123
4.1. Номинальное давление при глубинном шлифовании 125
4.2. Исследование влияния порообразователя 129
4.3. Влияние твердости и зернистости абразивного инструмента на силы шлифования 136
4.4. Скорость подачи правящего ролика 141
4.5. Диаметр шлифовального круга 146
4.6. Скорость стола и глубина шлифования 151
4.7. Обобщенная силовая модель процесса 154
4.8. Выводы 156
5. Совершенствование процесса обработки титановых сплавов глубинным шлифованием 159
5.1. Исследование обрабатываемости при глубинном шлифовании титановых сплавов (а+(3)-структуры 159
5.2. Сравнение обрабатываемости титановых сплавов различных структурных групп : 167
5.3. Внедрение прогрессивного способа обработки глубинным шлифованием 170
5.4. Выводы 183
Общие выводы 185
Список литературы 187
Приложения 206
- Титан и его сплавы
- Методика проведения исследований глубинного шлифования
- Разработка модели твердости и прочности высокопористого АИ с порообразователем крупа манная
- Исследование влияния порообразователя
Введение к работе
Развитие научно-технического прогресса в металлообработке, прежде всего, связано с внедрением новых высокопроизводительных технологических процессов и прогрессивных инструментальных материалов. Практика показывает, что применение абразивного инструмента (АИ) для обработки деталей позволяет добиться повышения эффективности производства и получать изделия высокого качества. Использование таких инструментов обеспечивает требуемую точность размеров и качество деталей при высокой производительности. Это определяет высокую надежность и долговечность машиностроительной продукции в процессе эксплуатации, поэтому объем и роль отделочных операций, выполняемых АИ в современном машиностроении непрерывно возрастают.
Абразивная обработка завоевывает все новые позиции в различных отраслях промышленности и уже не является лишь способом получения необходимого класса чистоты поверхности деталей, а становится одним из наиболее производительных методов обработки разнообразных металлов, успешно заменяя операции, выполняемые на металлорежущих станках. Это обусловливается все возрастающими требованиями к чистоте, точности и взаимозаменяемости деталей, а также расширением области применения высокопрочных и труднообрабатываемых металлов, сплавов и материалов.
Для обработки труднообрабатываемых материалов необходим АИ, обладающий особыми свойствами. Свойства любого АИ зависят от его конструкции, вида, свойств абразивного материала и связки, их химического состава и технологии производства, а также от последующей технологии формирования АИ посредством механических, термических, химических и других видов воздействия. При современном развитии технологии возможно создание конструкций АИ с различными свойствами, необходимыми для обеспечения наибольшей эффективности шлифования при различных условиях осуществления процесса обработки. При разработке новых АИ особое внимание (наряду с выбором надлежащих абразивных материалов и связки) необходимо уделять взаимным связям и соотношениям между отдельными элементами его структуры.
Применяя особые рецептурные условия и специальные технологические методы, в абразивной промышленности осваивают выпуск инструментов с заданными характеристиками, позволяющими выполнять ряд операций абразивной обработки деталей в массовом и крупносерийном производстве. К инструментам, получаемым подобным образом, относятся шлифовальные круги повышенной пористости (высокопористые) и круги с крупными порами (крупнопористые).
Однако ограниченные объемы выпуска высокопористого АИ, небольшая номенклатура кругов по характеристикам, дефицитность порообра-зующих материалов, до недавнего времени сдерживали четкое определение рациональных областей применения этого перспективного инструмента [1].
Современное ускоряющееся развитие техники и технологий требует постоянного совершенствования конструкционных материалов. Повышаются требования к износостойкости, жаропрочности, жаростойкости, химической стойкости и другим эксплуатационным параметрам материалов. Для получения материалов с такими свойствами необходимо использовать тугоплавкие металлы: титан, вольфрам, хром, молибден и др.
В настоящее время титановые сплавы вследствие своих уникальных физико-механических и химических свойств нашли довольно широкое распространение в различных отраслях машиностроения. За последние годы область их использования помимо авиакосмической техники стала охватывать ракето-и судостроение, химическую, нефтяную и другие отрасли промышленности. Титановые сплавы, как правило, используются для изготовления особо ответственных деталей, к качеству поверхности которых предъявляются очень высокие требования. Однако эффективность широкого применения сплавов титана сдерживается их низкой обрабатываемостью шлифованием, удельный вес которого определяет уровень технического прогресса в ведущих отраслях промышленности.
Постоянное стремление улучшить технико-экономические показатели изделий машиностроения за счет применения деталей, узлов из новых материалов с высокими прочностными характеристиками (жаропрочностью, износостойкостью и др.), как правило, приводит к снижению производительности при их изготовлении. Повышение производительности за счет увеличения режимов механической обработки на металлорежущих станках ограничивается низкой стойкостью режущего инструмента и ухудшением качества поверхностного слоя деталей. Увеличение интенсивности обработки шлифованием также приводит к дефектам поверхностного слоя и высокому уровню остаточных растягивающих напряжений.
Одним из путей повышения производительности при механической обработке титановых сплавов является внедрение в производство глубинного шлифования (ГШ) с применением высокопористого АИ, который в большинстве случаев более эффективен, чем обычные круги или лезвийный инструмент. Тем не менее, сама технология процесса ГШ титановых сплавов с помощью высокопористых кругов еще недостаточно изучена, а методы изготовления высокопористого АИ отличаются сложностью и многостадий-ностью. Эти обстоятельства препятствуют широкому использованию этого прогрессивного по конструкции инструмента в массовом производстве, поэтому в настоящее время исследования в этом направлении являются актуальными и обязательно будут востребованы в производстве.
Цель данной работы - повышение эффективности глубинного шлифования титановых сплавов высокопористым абразивным инструментом из карбида кремния путем совершенствования его рецептуры и процесса шлифования.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения с выводами, списка литературы и приложений. В первой главе приводится литературный обзор, посвященный современным представлениям о титановых сплавах, проблемам, связанным с их обработкой шлифованием и, в частности, ГШ. В результате анализа сформулировано сложившееся понятие обрабатываемости как комплекса физико-технологических свойств материала, которые изменяются от условий обработки. В некоторых работах отмечается интенсивность взаимодействия титановых сплавов со шлифовальным кругом как фактор, определяющий обрабатываемость таких сплавов. На основе проведенного обзора определена цель и основные задачи диссертации.
Во второй главе изложена методика проведения исследований.
Третья глава посвящена разработке и исследованию характеристик высокопористого АИ на основе карбида кремния зеленого. Исследовано влияние перспективного порообразователя крупы манной и косточки фруктовой (КФ) и других рецептурных составляющих на выходные характеристики инструмента. На основе результатов исследований разработаны рекомендации по составлению рецептур абразивных масс для получения шлифовальных кругов требуемых характеристик. В условиях ОАО «Волжский абразивный завод» освоен выпуск высокопористого АИ с вышеуказанными наполнителями.
В четвертой главе рассмотрены некоторые особенности глубинного шлифования и исследовано влияние характеристики инструмента, режимов шлифования и правки на выходные параметры процесса. Рецептуру шлифовальных кругов составляли с использованием моделей, представленных в гл. 3.
В пятой главе приведены результаты исследования обрабатываемости девяти марок титановых сплавов, относящихся к различным структурным группам. Проведены исследования специальной СОЖ и качества обработанной поверхности. Представлены результаты производственных испытаний высокопористого инструмента из карбида кремния в условиях ОАО «КМПО» на операциях глубинного шлифования плоских поверхностей.
Обобщение результатов работы произведено в заключении. Данная работа является итогом научных исследований проведенных в лабораториях кафедры «Технологии машиностроения и стандартизация» Волжского института строительства и технологий (филиала) Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета с использованием имеющегося оборудования и приборов. Часть исследований была проведена в условиях ИЛАИ ОАО «Волжский абразивный завод» и лабораторий ОАО «Казанское моторостроительное производственное объединение».
Основные результаты исследований были апробированы и внедрены на ОАО «Волжский абразивный завод» и ОАО «Казанское моторостроительное производственное объединение». Акты испытаний и внедрения приведены в приложениях диссертационной работы.
Работа в полном объеме была представлена на заседании научно-технического совета Научно-исследовательского центра «Новые технологии и инструменты» ГОУ ВПО МГТУ «Станкин» (г. Москва) и на расширенном заседании кафедры «Технология и оборудование машиностроительных производств» (Волжский политехнический институт (филиал) ВолгГТУ) и рекомендована к защите.
Титан и его сплавы
В настоящее время для соответствия современным требованиям промышленности создана целая группа титановых сплавов различных по свойствам и назначению. Основой титановых сплавов является титан, содержание которого колеблется в пределах 85 - 95 % [2, 3].
Природный титан состоит из смеси пяти стабильных изотопов: 46Ti (7,95 %), 47Ті (7,75 %), 48Ті (73,45%), 49Ті (5,51 %), 50Ті (5,34 %). Известны искусственные радиоактивные изотопы 45Ті (Тіщ = 3,09 ч, 51Ті (Тіщ— 5,79 мин) и др. Титан относится к переходным металлам с недостроенным 3d электронным слоем, имеет распределение в электронных облаках IS2 2S2 2Р6 3S2 ЗР6 3d2 4S2. Недостроенные внутренние и внешние оболочки участвуют в создании межатомных связей, обусловливают возникновение больших сил сцепления и определяют химическую активность титана [4, 5].
В зависимости от химического состава согласно ГОСТ 19807-91 предусмотрены следующие марки титановых сплавов: ВТ1-00, ВТ1-0, ВТ1-2, ОТ4-0, ОТ4-1, ОТ4, ВТ-5, ВТ5-1, ВТ-6, ВТ-бс, ВТЗ-1, ВТ8, ВТ9, ВТ14, ВТ20, ВТ22, ПТ-7М, ПТ-ЗВ, АТЗ. Химический состав данных марок сплавов отечественного производства, нашедших применение в промышленности приведен в табл. 1.1.
Данный стандарт распространяется на технический титан и его сплавы, обрабатываемые давлением, предназначенные для изготовления полуфабрикатов методом деформации, а также слитков. Для конкретных видов полуфабрикатов допускается ужесточение содержания примесей, а также сужение пределов по содержанию легирующих элементов по нормативно-технической документации [6].
При добавлении легирующих элементов получают титановые сплавы, представляющие собой по химическому составу двойные Ti-Al (ВТ-5), тройные Ti-Al-Cr (ВТЗ), Ti-Al-Mo (ВТ-8), Ti-Al-V (ВТ-6), Ti-Al-Mn (ОТ-4), Ti-Al-Sn (ВТ-5-1), четверные Ti-Al-Cr-Mo (ВТЗ-1, ВТ15) и более сложные системы. Но вследствие того, что сплавы титана содержат еще и значительное количество примесей, их следует отнести к весьма сложным многокомпонентным системам [7].
Титан относится к щелочноземельным металлам, имеющим S -электронную конфигурацию изолированных атомов и обладающим свойствами металлов и неметаллов. Это химически активный переходный элемент, в соединениях имеет степени окисления +4, реже +3 и +2. При обычной температуре и вплоть до 500 — 550С коррозионно устойчив, что объясняется наличием на его поверхности тонкой, но прочной окисной плёнки. По коррозион-ности титановые сплавы сравнимы со сплавами благородных металлов [8, 9].
Окисная плёнка не защищает титан в жидком состоянии от дальнейшего взаимодействия с кислородом (в отличие, например, от алюминия), и поэтому его плавка и сварка должны проводиться в вакууме, в атмосфере нейтрального газа или под флюсом. Титан обладает способностью поглощать атмосферные газы и водород, образуя хрупкие сплавы, непригодные для практического использования [10]; при наличии активированной поверхности поглощение водорода происходит уже при комнатной температуре с небольшой скоростью, которая значительно возрастает при 400С и выше. Скорость диффузии азота и кислорода в титане значительно ниже, чем водорода. Растворимость водорода в титане является обратимой, и этот газ можно удалить почти полностью отжигом в вакууме.
При повышенной температуре на поверхности титановой заготовки в результате взаимодействия с кислородом воздуха образуется окалина, со- стоящая из ряда окислов титана (от простых - ТіО, Ті203, ТіОг до более сложных Ті302, Ті305з Ті70і2 в зависимости от условий нагрева), и нитридов титана типа TiN. Твердость окислов и нитридов титана превосходит твердость, возникающую в результате проникновения кислорода и азота в кристаллическую решетку и образования растворов внедрения [11, 12].
Тонкая титановая стружка при недостаточной смазке может загораться в процессе механической обработки. При достаточной концентрации кислорода в окружающей среде и повреждении окисной плёнки путём удара или трения возможно загорание металла при комнатной температуре даже в сравнительно крупных кусках. В виде тонкого порошка или проволоки титан может гореть в атмосфере азота. [13].
Помимо влияния на механические свойства, кислород и азот, растворенные в соответствующих количествах в поверхностном слое титанового сплава, вызывают в нем фазово-структурные изменения — образуется характерная а-структура, поскольку эти элементы являются стабилизаторами а-фазы. Альфинирование слоя всегда в той или иной мере имеет место при различных процессах горячей обработки, осуществляемых на воздухе. Это приводит к образованию слоя повышенной твёрдости и хрупкости, который должен удаляться с поверхности титановых изделий путём травления или механической обработки. Отметим, что даже при небольшом увеличении азота и кислорода в титане его твердость и прочностные характеристики резко возрастают, а пластические свойства столь же резко падают, что и приводит к ох-рупчиванию металла. Различие в структуре между поверхностным слоем при загрязнении его газами воздуха и глубже расположенными слоями с незначительным содержанием кислорода и азота приводит к неоднородности структуры, что обусловливает нестабильность свойств титановых сплавов и вероятность появления растягивающих остаточных напряжений [14].
Активное взаимодействие титана и его сплавов с атмосферными газами при повышенных температурах является одной из наиболее отрицательных особенностей этих материалов. Это проявляется не только при технологических процессах горячей и термической обработки сплавов, но и при осуществлении процесса резания, которому сопутствуют температуры, значительно превышающие те, при которых начинается взаимодействие [15,16,17].
Методика проведения исследований глубинного шлифования
Исследования, направленные на внедрение технологии ГШ в производство, представляют значительный интерес для различных отраслей промышленности. По этому вопросу опубликованы и публикуются различные статьи, количество которых в связи с актуальностью проблемы неуклонно увеличивается. Однако во многих случаях недостаточно подробно описывается методика проведения исследований, что затрудняет сравнение и обобщение результатов. Поэтому подробнее остановимся на методике при проведении наших исследований ГШ.
В литературном обзоре показана сложность процессов и явлений, имеющих место при шлифовании титановых сплавов. Современное развитие науки о шлифовании заключается в установлении истинных причин различной обрабатываемости материалов и изыскании путей управления выходными параметрами процесса шлифования. Успешное решение поставленной задачи возможно при условии более обширного исследования изучаемых явлений с привлечением современных методов и средств исследований.
Для совершенствования процесса обработки ГШ титановых сплавов разработан комплексный методический подход, включающий в себя определение химического состава и исходных характеристик сплавов; разработку специального высокопористого АИ, исследование эксплуатационных свойств инструмента и динамики процесса шлифования, а также ряда показателей качества обработанной поверхности.
Основная часть исследований с дальнейшей передачей их результатов в основное производство была проведена на станке для плоскопрофильного глубинного шлифования ЛШ-232 (Липецкий станкостроительный завод), оснащенный устройством для непрерывной правки абразивного круга и компенсации износа.
Данный станок относится к группе специальных и предназначен для обработки профильных поверхностей различных деталей из труднообрабатываемых материалов и твердых сплавов методом ГШ.
Станок ЛШ-232 относится к классу точности «В». Для шлифования используются круги следующего типоразмера: 1 500x80x203. Возможная скорость шлифования составляет 15 — 35 м/с. Диапазон скорости перемещения стола 25 - 6000 мм/мин. Система охлаждения обеспечивает подачу СОЖ до 300 л/мин при давлении 0,6 - 0,8 МПа. Мощность привода шлифовального круга составляет 18,5 кВт.
Обработку методом ГШ производили при непрерывной правке периферии круга цилиндрическим алмазно-металлическим роликом КБЛ-РЖ-001 0 100 мм. Возможная автоматическая подача ролика составляет 1-9 мкм/импульс. Возможная частота вращения ролика правки: 1433 и 2880 об/мин.
С целью повышения стабильности геометрии после установки на шпиндель станка шлифовальный круг правили по торцам. Правка торцов осуществлялась алмазно-металлическим карандашом 3908—0084 ГОСТ 607-80. Режимы правки торцов круга: vK = 25 м/с, поперечная подача — 0,1 мм/проход, вертикальная подача - 7,3 мм/мин, общая глубина правки — до полного выравнивания торцов круга по плоскости, выхаживание — два прохода. Режимы правки круга по периферии: vK = 25 м/с; скорость правящего ролика - 7,5 м/с; скорость непрерывной правки от 1 до 4 мкм/импульс.
После первой правки торцов и периферии (подача алмазного ролика в ручном режиме на 0,2 - 0,5 мм в зависимости от состояния поверхности круга) круг должен быть вновь отбалансирован, а при последующей установке торцы правят уже по мере необходимости (контрольные риски по торцам должны быть стерты). В процессе работы контролировали биение круга и при необходимости производили статическую балансировку.
В качестве СОЖ применяли водный раствор следующего состава: три-натрийфосфат 4 %, гексаметафосфат натрия 0,9 %, сода кальцинированная 0,3%, вода - остальное. Постоянство состава СОЖ контролировали по плотности. СОЖ нагнеталась с помощью центробежного электронасоса под давлением 0,6 МПа. Подача СОЖ осуществлялась посредством напорной струи (динамический способ активации), причем жидкость из общего коллектора распределялась через разветвленные потоки, направленные в зону шлифования со стороны входа и выхода рабочей поверхности круга, а также в зону контакта круга с правящим алмазным роликом и гидроочистку шлифовального круга после правки. Для повышения эффективности процесса охлаждения СОЖ подавали через клиновые щелевые сопла (насадки). Расход СОЖ составлял 200 л/мин.
Испытуемые образцы (заготовки) закрепляли в тисках со встроенным динамометром УДМ 600, которые устанавливались на магнитном столе. При необходимости получения максимальной дуги контакта на исследуемых глубинах шлифования (1-4 мм) испытуемые образцы состыковывали друг с другом, достигая, таким образом, необходимой длины шлифуемой поверхности. В результате при шлифовании за один проход по целому методом встречной и попутной подачи получали пазы определенного сечения. Следует отметить, что заготовки, предназначенные для исследований по ГШ, должны соответствовать определенным требованиям: 1) все заготовки обрабатываемого материала должны иметь одинаковые геометрические размеры, форму и точность в пределах одного класса; 2) заготовки должны быть по возможности изготовлены из одной партии материала (плавки) и соответствовать требованиям стандартов по химическому составу, структуре и физико-химическим свойствам; 3) заготовки должны иметь одинаковую твердость. Допустимое отклонение среднего арифметического значения твердости ± 5 %; 4) шероховатость поверхности заготовок должна находиться в пределах 6-го класса чистоты поверхности; 5) перед проведением испытаний все заготовки должны быть промаркированы для исключения возможных ошибок при их последующих исследованиях; 6) при контроле заготовок в случае выхода за пределы требований по любому параметру более 50 % из партии, вся партия бракуется и изготавливается новая партия заготовок.
Образцы для экспериментов подготавливали на плоскошлифовальном станке с прямоугольным столом модели 3711, предназначенном для чистового шлифования плоских поверхностей периферией круга с высокой точностью и чистотой.
В процессе шлифования составляющие силы резания изменяются и могут значительно колебаться в зависимости глубины шлифования, скорости круга, скорости подачи стола, СОЖ, положения сопел подачи СОЖ и других факторов. Для уменьшения влияния таких факторов мы выполняли следующие рекомендации [163]: 1) при установке каждого образца для выравнивания обрабатываемой поверхности в направлении шлифования выполняли черновой проход на глубине, обеспечивающей снятие чернового припуска по всей длине шлифования. Предварительно необходимо коснуться периферией круга наиболее выступающей части поверхности образца. Равномерность получаемой таким образом поверхности по всей длине шлифования определяли визуально; 2) необходимо контролировать расход и давление СОЖ, обеспечивая их постоянство. Поддерживать одинаковое положение сопел, подводящих СОЖ (корректировать их положение с износом круга). Контролировать концентрацию СОЖ по плотности. Если отклонение составляет более ±10 % от исходной концентрации, скорректировать ее состав или использовать новую СОЖ; 3) в ходе исследований для уточнения и регулировки скорости вращения круга по мере износа после каждого опыта производили контрольные измерения его диаметра. При отклонении полученного размера от первоначального на 5% осуществляли корректировку скорости вращения; 4) при проведении экспериментов вследствие невозможности точного определения продольной скорости подачи стола по показаниям индикатора ее определяли фактически с помощью секундомера. С целью уменьшения коле 62 баний скорости стола при шлифовании с началом каждой серии испытаний мы не использовали регулятор плавного изменения скорости. Заданную скорость устанавливали до начала испытаний. При необходимости увеличения или уменьшения скорости стола во время опытов использовали рычаг пошагового изменения скорости. Следует отметить, что даже при выставленной скорости стола ее изменение может достигать в зависимости от нагрузки 5%.
Кромкостойкость кругов определяли по величине радиуса перехода гп от дна обрабатываемого паза к его стенке. Измерения производили с обеих сторон паза. Состыковка плоских образцов для получения необходимой длины обработки позволяла контролировать гп по длине шлифования. Радиусы перехода измеряли на микроскопе МБУ-4. Для определения степени увеличения использовали объект-микрометр.
Для получения достоверных результатов каждый гп перехода зарисовывали трижды. Числовые значения находили с помощью шаблонов. Общую погрешность измерений получали путем сложения лабораторной составляющей систематической погрешности результатов измерений, выполненных в условиях повторяемости (0,01 мм) и случайной погрешности, имеющей место при каждом измерении в условиях повторяемости.
Разработка модели твердости и прочности высокопористого АИ с порообразователем крупа манная
Приступая к решению задачи о разработке рецептуры нового высокопористого инструмента, мы не имеем исчерпывающих сведений о механизме исследуемого процесса. У нас есть параметры, определяющие условия протекания процесса, и требования к его результатам. Поэтому в таких условиях целесообразно воспользоваться методом рационального планирования эксперимента, в основе которого лежит так называемый черный ящик.
Черный ящик — это исследуемый объект, в отношении к которому наши знания о процессах, в нем протекающих, весьма ограниченны. Черный ящик имеет входные и выходные параметры. Задача состоит в том, чтобы научиться управлять объектом при ограниченных знаниях о нем.
В многомерном пространстве уравнению (3.18) соответствует некоторая гиперповерхность, называемая поверхностью отклика. В самом простейшем случае, когда параметр оптимизации зависит только от одного фактора, поверхность отклика представляет собой линию в двухмерном пространстве (на плоскости). Если изучается влияние к факторов, то поверхность отклика рассматривается в (к + 1)-мерном пространстве. Аналитическое выражение функции отклика неизвестно.
Полученное эмпирическим путем уравнение (3.19) называют математической моделью, под которой понимается приближенное описание неизвестного закона в заданной области факторного пространства. Естественно, что для приближенного описания объекта можно предложить несколько различных моделей. Поэтому к качественным характеристикам модели, как и к общему понятию качества, правомерно использование таких определений, как хорошая или плохая. Оценка качества модели осуществляется по статистическим критериям.
В общем случае, степень полинома заранее предсказать нельзя, поэтому используют метод шагового поиска, согласно которому описание процесса начинается с самой простой линейной модели. Оценивают ее качество и, если оно оказывается неудовлетворительным, то увеличивают число членов полинома, повышая его степень. Затем оценивают качество модели и т.д., пока не будет получен полином, адекватно описывающий результаты эксперимента [157].
При планировании эксперимента к факторам предъявляются два основных требования: совместимость и некоррелированность. Под совместимостью понимается возможность сочетания любых уровней факторов внутри заданной области определения при сохранении целостности изучаемого процесса. Некоррелированность означает возможность изменять значение каждого из рассматриваемых факторов независимо друг от друга. Невыполнение хотя бы одного из требований приводит к невозможности использования методики планирования эксперимента для разработки модели процесса. Правильный выбор факторов позволяет четко задавать условия опыта.
Модель считается адекватной, когда рассчитанное значение і -критерия (3.20) не превышает для установленного уровня значимости соответствующего табличного. При решении инженерных задач уровень значимости обычно принимают равным 0,05. Воздействующие факторы должны быть управляемыми, что позволяют задавать им конкретные значения и выдерживать их в течение определенного времени. Эти конкретные значения называются уровнями фактора. Разработка рецептуры высокопористого инструмента осуществлялась методом полного факторного эксперимента типа 2 . Полным факторным экспериментом (ПФЭ) называется такой экспери мент, при реализации которого определяется значение параметра оптимиза ции при всех возможных сочетаниях уровней варьирования факторов. Если мы имеем дело с к факторами, каждый из которых может устанавливаться на q уровнях, то для того, чтобы осуществить полный факторный эксперимент, не обходимо поставить п = q опытов [158]. - „, Наибольшее распространение получили эксперименты, в которых факторы варьируют на двух уровнях, т.е. эксперименты типа 2 . Менее популярны эксперименты типа Ък, так как с ростом числа уровней факторов резко возрастает количество опытов. Планирование, проведение и обработка результатов ПФЭ состоит из следующих обязательных этапов: кодирование факторов; составление план-матрицы эксперимента; рандомизация опытов; реализация плана эксперимента; проверка воспроизводимости опытов; проверка адекватности линейной модели; оценка значимости коэффициентов регрессии.
Цель исследования - определить зависимость твердости и прочности на разрыв абразивного черепка от зернистости карбида кремния черного, количества связки и порообразователя.
Для достижения поставленной цели необходимо было выбрать интерва 95 лы варьирования факторов. Часто, особенно при оптимизации процесса, вначале целесообразно описать его линейным уравнением, и поэтому интервал варьирования должен быть достаточно мал для получения линейного уравнения, но вместе с тем достаточно велик, чтобы не получить ошибочного вывода о незначимом влиянии какого-либо из факторов.
Исследование влияния порообразователя
Как показали предварительные испытания, максимальная скорость стола при минимальной подаче правки 1 мкм/имп не должна превышать 75 мм/мин. С увеличением скорости стола на обработанной поверхности появляется прижог. Поэтому анализ эксплуатационных показателей высокопористых кругов начинали со скорости стола 75 мм/мин и правке 1 мкм/имп.
При отработке рецептуры высокопористых кругов (глава 3) установлено, что с увеличением содержания порообразователя в диапазоне до 10 м.д. и постоянном содержании связки твердость круга увеличивается, то есть, в кругах одинаковой твердости содержание связки уменьшается с увеличением доли порообразователя. Для ГШ одним из главных требований к АИ является максимальное содержание пор, так как с увеличением объема пор снижается вероятность образования шлифовочных прижогов. При шлифовании титановых сплавов образование прижогов считается основным видом брака, и все шлифованные детали в обязательном порядке подвергают контролю на наличие прижогов. Поэтому в наших исследованиях образование прижога выбрано в качестве основного критерия выбора режимов обработки.
В качестве порообразователя использовали крупу манную. Для получения кругов одинаковой твердости при содержании порообразователя 6 м.д. количество связки необходимо увеличить почти на 2,5 м.д. Результаты исследований представлены на рис. 4.3 и 4.4.
При шлифовании кругом 1 с увеличением скорости стола от 75 до 100 мм/мин составляющие силы шлифования возрастают в среднем в 1,3 - 1,4 раза (рис. 4.3) и на обработанной поверхности после травления обнаружены белые пятна, свидетельствующие о наличии прижога.
В связи с тем, что подача правки увеличена в два раза, скорость износа круга возросла с 444 до 666 мм /мм-с. Режущая способность на скорости стола 75 мм/мин q = 130 мм /мин-мм, на скорости 100 мм/мин q = 175 мм /мин-мм. Соответственно, коэффициент шлифования Кш на бездефектных режимах снизился на 10 % с 0,29 до 0,26. С целью повышения эксплуатационных показателей при данном режиме правки скорость стола была увеличена до 125 мм/мин. Шлифовочных прижогов на данном режиме не обнаружено. В результате повышения скорости стола режущая способность увеличилась до 216 мм /мин-мм, а скорость износа круга снизилась до 533 мм /мин-мм и коэффициент шлифования поднялся до 0,41. Составляющие силы шлифования равны: Ру = 17,0 Н/мм, Pz = 10,1 Н/мм. При увеличении скорости стола еще на 25 мм/мин до 150 мм/мин составляющие силы шлифования Pz и Ру возросли соответственно почти на 15 и 30 %, а на обработанной поверхности появились прижоги. Для устранения прижогов была увеличена подача правки. При S = 3 мкм/имп прижоги уменьшились, но полностью их устранить не удалось. И только на Sp = 4 мкм/имп прижоги были устранены. Коэффициент шлифования на данном режиме оказался в 1,4 раза ниже, чем при vs = 125 мм/мин, а режущая способность возросла всего на 20 %. При шлифовании со скоростью стола 175 мм/мин Sp необходимо увеличивать до 7 мкм/имп. Но и в этом случае на некоторых образцах обнаружены штриховые прижоги. Гарантированный скоростью правки является Sp = 8 мкм/имп. При vs = 175 мм/мин и Sp — 8 мкм/имп режущая способность q = 330 мм /мин-мм, Кш = 0,20.
Таким образом, оптимальным сочетанием производительности, оцениваемой по режущей способности, и расхода инструмента, оцениваемого по коэффициенту шлифования, следует признать vs = 125 мм/мин и р = 2 мкм/имп, когда q = 216 мм /мин-мм и Кш = 0,41. Снижение на 40 % режущей способности по сравнению со шлифование при vs = 175 компенсируется двоекратным сокращением расхода инструмента.
В работах [87] и [100] в результате анализа экспериментальных данных по силам и мощности шлифования отмечается, что прижог на обработанной поверхности образуется при достижении некоторого значения силы или мощности шлифования. И это фиксированное значение практически не зависит от режимов шлифования. В наших исследованиях в общем случае также можно говорить о некотором предельном значении силы шлифования на различных режимах. Но дальнейший анализ показывает (рис. 4.3), что с увеличением скорости подачи стола наблюдается тенденция к увеличению этого предельного значения силы. В частности, при шлифовании на vs = 100 мм/мин образование прижога происходит при Pz около 10 Н/мм. С увеличением vs до 125 мм/мин и Sp до 2 мкм/имп сила Pz так же достигает 10 Н/мм, но прижога на шлифованной поверхности не обнаружено. При шлифовании на vs = = 150 мм/мин и Sp = 4 мкм/имп сила Pz = 10,3 Н, но и в этом случае прижога на обработанной поверхности нет. Образование прижога на данных режимах зафиксировано для Pz = 10,8 Н/мм.
Математическая обработка результатов экспериментов показала, что увеличение предельной силы шлифования происходит приблизительно в пропорции 3 % на каждые 10 мм/мин скорости стола.
Влияние скорости подачи стола vs и правящего ролика Sp (подача указана на графике, мкм/имп) на составляющие силы шлифования Ру и Р: кругом 2: - Ру; о - р. Таким образом, увеличение количества связки при одинаковой твердости круга приводит к увеличению силы шлифования и вероятности образования шлифовочных прижогов.
Кромкостойкость круга определяли по радиусу перехода от дна паза к стенке гп. Величина гп будет определять радиус кромки круга, а изменение гп характеризовать соответственно закономерность изменения радиуса кромки круга. Поскольку заданная длина обрабатываемой поверхности получена состыковкой плоских образцов, радиус перехода от дна паза к его стенке определяли в нескольких сечениях. В данной серии экспериментов состыковывали три образца длиной 17,5 мм. Радиус перехода определяли в начале образца со стороны выхода, на длине 17,5мм, 35 мм и в конце на торцовой поверхности.
В качестве примера на рис. 4.5 показано изменение радиуса по длине образца для двух режимах шлифования кругом 1 и 2. Из представленных данных следует, что существенного влияния содержание порообразователя на кромкостойкость АИ при одинаковой его твердости не оказывает.
С увеличением скорости подачи стола радиус возрастает. Наибольшее различие по абсолютной величине между радиусами в зависимости от скорости подачи стола получено в начале образца на длине 17,5 мм. Затем различие снижается, и в конце образца радиусы практически не отличаются.
Для всех рассмотренных режимов изменение радиуса по длине образца подчиняется единой закономерности: с некоторого начального значения радиус возрастает, и это увеличение, в зависимости от режимов шлифования и правки, составляет 5 — 15 %. Затем радиус начинает снижаться и в рассмотренных примерах приближается к некоторому постоянному значению порядка 0,05 - 0,06 мм.
Для объяснения полученных результатов необходимо учитывать, что в процессе шлифования осуществляется постоянная правка инструмента алмаз 134 ным роликом. Постоянная правка предназначена как для поддержания остроты режущих кромок зерен, так и сохранения заданной формы рабочей поверхности АИ. В данном случае остановимся именно на втором положении, т.е. сохранении формы рабочей поверхности инструмента.
Необходимо также знать минимально возможный радиус, получаемый в данных условиях данным АИ. В результате исследований установлено, что для круга зернистости 25, твердости М, 10 - 12 структуры в наших условиях правки минимальный радиус паза равен 0,05 ± 0,01 мм. Такой радиус получен при шлифовании с постоянной правкой паза в лезвии безопасной бритвы. Учитывая малую толщину лезвия, можно допустить, что износа кромки круга не происходит, и образовавшийся радиус сформирован минимально возможным радиусом кромки круга.
