Влияние способов высокопроизводительного шлифования на качество поверхностного слоя деталей из труднообрабатываемых материалов (стр. 1 из 2)

Влияние способов высокопроизводительного шлифования на качество поверхностного слоя деталей из труднообрабатываемых материалов

В.И. Белоус, С.Е. Маркович

Национальный аэрокосмический университет им. Н.Е. Жуковского «ХАИ», Украина

 Рассмотрены современные высокопроизводительные процессы абразивной обработки деталей авиационных двигателей, изготовленных из труднообрабатываемых материалов. Проведено сравнение и определены преимущества и недостатки высокоскоростного и глубинного способов шлифования. Проанализировано влияние энергетических параметров процессов высокопроизводительной абразивной обработки на комплекс характеристик поверхностного слоя, зависимость показателей шероховатости и остаточные напряжения от режимов резания. Определена задача создания комплексной системы, учитывающей влияние технологических факторов на характеристики системы станок – инструмент – деталь.

 Введение

Современное авиадвигателестроение характерно применением деталей и узлов,   изготовленных из жаропрочные и титановых сплавов, сложнолегированных сталей и других труднообрабатываемых материалов (ТОМ). Процесс шлифования является технологией, с помощью которой можно выполнить требования, предъявляемые к точности и качеству поверхностей изготавливаемых деталей и в настоящее время ведущими двигателестроительными предприятиями, ставится задача совершенствования данного метода обработки.

Актуальность направления исследований и постановка задачи. Исследованию  вопроса повышения эффективности управления качеством поверхностного слоя при обработке деталей из труднообрабатываемых материалов шлифованием посвящены многие работы, однако в настоящее время универсальной методики расчёта параметров режимов резания для обеспечения заданных характеристик поверхностного слоя нет.

Поверхностный слой деталей оказывает влияние на следующие эксплуатационные  свойства: прочность (статическую, циклическую, ударную), трение и износ, сопротивление коррозии, эрозии, кавитации, герметичность соединений, точность деталей и надежность неподвижных посадок и др. Шероховатость и волнистость поверхности, структура, фазовый и химический состав поверхностного слоя по-разному влияют на эксплуатационные свойства деталей. Знание закономерностей комплексного и раздельного влияния параметров поверхностного слоя деталей на их эксплуатационные свойства позволяет оптимизировать технологические процессы изготовления деталей с учетом заданных условий их эксплуатации. Это, в свою очередь, выдвигает требование детального анализа существующих высокопроизводительных способов шлифования для выполнения расчёта энергетических характеристик и проведения экспериментальных исследований по определению влияния режимов шлифования на характеристики поверхностного слоя, а также разработка оптимальных режимов шлифования с использованием планетарно-шлифовальной головки.

 Анализ современных способов высокопроизводительного шлифования

К высокопроизводительным процессам абразивной обработки (ВПАО) относятся  высокоскоростное шлифования, глубинное шлифование, шлифование высокопористыми кругами, а так же сочетания данных методов.

Как показал факторный анализ результатов серии исследований, одними из  важнейших характеристик поверхностного слоя, влияющих на предел выносливости деталей из ТОМ, являются шероховатость поверхности и остаточные напряжения (особенно их знак).

Возможности высокоскоростного шлифования по увеличению скорости съёма  металла при сохранении требуемых параметров точности и качества обработки подтверждены рядом экспериментов [1].

Зависимости параметра шероховатости от скорости резания прослеживаются на  рис. 1.

Рисунок 1 – Зависимости параметра шероховатости Ra шлифованных деталей от скорости и глубины шлифования: а - сталь Р18 (HRC 60-62), б - сталь Х18Н10Т

Однако применению высокоскоростного шлифования должны сопутствовать: 

комплекс мероприятии, направленных на устранения негативного фактора теплового воздействия на шлифуемую поверхность;

применение специальных кругов повышенной прочности;

повышение жесткости технологической системы;

более высокие требования к свойствам абразивных материалов;

усовершенствованное станочное оборудование.

Другим прогрессивным процессом шлифования, при котором за счет резкого  изменения режимных (кинематических) параметров количественно и качественно изменяются выходные параметры, является глубинное шлифование. После проведения экспериментов [2] была получена эмпирическая зависимость величины показателя шероховатости от параметров режима шлифования:

где t – глубина резания; Vд – скорость детали; S – подача; Vк – скорость  круга.

На рис. 2 приведена графическая зависимость, характеризующая влияние на  шероховатость поверхности параметров режима глубинного шлифования.

Рисунок 2 – Зависимости параметра шероховатости Ra деталей от скорости и глубины шлифования

Как видно из графиков (рис. 1, 2) параметр шероховатости Ra в качественной  форме изменяется приблизительно идентично. С увеличением скорости круга шероховатость уменьшается. Это подтверждается результатами проведенных экспериментов [3] при шлифовании ёлочных замковых соединений лопаток турбокомпрессора.

Исследования зависимости показателей шероховатости Ra от скорости продольной  подачи детали при различных глубинах шлифования показало, что с уменьшением продольной скорости перемещения детали происходит резкое увеличение шероховатости поверхности, так как при этом происходит процесс интенсивного изнашивания и объёмного разрушения абразивных зерен круга. В процессе шлифования поверхностный слой обрабатываемой детали подвергается воздействию температурно-силового фактора, в результате которого на определенной глубине от поверхности шлифования происходит разупрочнение или упрочнение металла и появление остаточных напряжений. Из-за сложности механизма образования остаточных напряжений, существующие методы аналитического расчета несовершенны. Поэтому чаше всего для оценки остаточных напряжений применяют экспериментальные методы. Если рассмотреть эпюры напряжения, полученные после круглого наружного шлифования закаленной стали 45, с вариацией скоростей вращения круга при одинаковых остальных условиях обработки, то можно отметить, что увеличение только скорости резания приводит к большему нагреву шлифуемой поверхности и соответственно к увеличению напряжений растяжения и глубины их залегания (рис. 3).

Повышение скорости резания способствует интенсификации температурного  воздействия и как следствие, рост остаточных напряжений растяжения. Применение рекомендаций по уменьшению теплового воздействия на поверхностный слой детали, эффективное охлаждение, подбор оптимального отношения скорости резания и скорости детали ведет к уменьшению значений остаточных напряжений, но не к изменению знака.

Рисунок 3 – Эпюры распределения остаточных напряжений: 1 - V = 35 м/с; 2 - V = 60 м/с

Решить проблему знака остаточных напряжений при шлифовании  труднообрабатываемых материалов в авиадвигателестроении позволяет применение способа глубинного шлифования.

Глубинное шлифование имеет особенности: 

шлифование происходит со скоростями детали Vд ≤ 0, 0033 м/с;

глубина шлифования от 0, 1 мм и более за один проход;

применяют высокопористые круги в совокупности с эффективным охлаждением (расход СОЖ 0, 003 м/с и более при давлении до 0, 7 МПа).

После обработки на модернизированном плоскошлифовальном станке клина детали  из сплава ЖС6К кругом 24А40С114К5/П80-30, на режимах Vк = 27 м/с, Vд = 0, 0033 м/с, с охлаждающей жидкостью Аквол-2 были исследованы характеристики поверхностного слоя. Эпюры остаточных напряжений приведены на рис. 4.

Рисунок 4 – Распределение напряжений в поверхностном слое: 1 - t = 0, 05 мм, 2 - t = 0, 2 мм, 3 - t = 1 мм

Условия шлифования обеспечивают формирование в поверхностном слое сжимающих  остаточных напряжении 1-го рода [4].

Безусловно, при глубинном шлифовании следует обратить внимание на меры,   применение которых позволяет снизить теплообразование и снизить его негативное влияние на поверхностный слой детали.

Кроме того, в отдельных исследованиях имеются теоретические обоснования,   нашедшие экспериментальное подтверждение, что с увеличением глубины шлифования количество тепла, переходящего в заготовку, а также температура на обрабатываемой поверхности уменьшаются.

Шлифование жаропрочных, титановых сплавов, а также высоколегированных  сталей, отличающихся высокой вязкостью и пластичностью характерно «засаливанием» круга, что приводит к потере его режущих свойств. Другой проблемой при обработке данных материалов является их чувствительность к тепловому воздействию, вследствие которого в поверхностном слое часто возникают структурные дефекты – прижоги и трещины Особенно эти недостатки проявляются при высокопроизводительном глубинном шлифовании. Для повышения эффективности шлифования применяют специальные высокопористые круги. Пористость кругов позволяет решать следующие задачи:

создание перед абразивным зерном пространства для размещения снимаемой стружки, что уменьшает «засаливание» круга;

улучшение подачи СОЖ непосредственно в зону контакта круга с деталью, что предотвращает появление прижегов и трещин;