microbik.ru
1 2 3



На правах рукописи

Фирсов Владимир Михайлович

Технологическое обеспечение финишной ультразвуковой обработки вязких высокопрочных материалов дисковым металлическим инструментом с восстанавливаемой при помощи электроэрозии в процессе обработки рабочей поверхностью

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

специальности 05.02.07 – Технологии и оборудование механической и физико-технической обработки

Саратов 2011

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Юрия Алексеевича»
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Бекренев Николай Валерьевич.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Королев Альберт Викторович

кандидат технических наук

Филимонов Евгений Васильевич

Ведущая организация: ГОУ ВПО «Волгоградский государственный технический университет»


Защита состоится на заседании диссертационного совета Д.212.242.2 в ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет» «26» декабря 2011 г. в ____ часов в аудитории 319/1 по адресу: 410054, г. Саратов, ул. Политехническая, 77.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.»

Автореферат разослан «25» ноября 2011 г.

Автореферат размещен на сайте ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.»: sstu@sstu.ru «25» ноября 2011 г.

Ученый секретарь

Диссертационного совета А.А.Игнатьев

Введение



Актуальность. Важная роль в решении задач соответствия продукции отечественных предприятий всех форм собственности мировому уровню принадлежит машиностроению. Значительное место в машиностроительном производстве имеет механическая обработка резанием, в том числе чистовые ее методы, например шлифование, хонингование и доводка. Эти методы обеспечивают наивысшую точность и качество изготовления деталей, что и определяет эксплуатационные качества агрегатов, приборов и машин. Общая тенденция развития механической обработки в связи с возрастанием требований к точности и качеству поверхности деталей свидетельствует о том, что удельный вес перечисленных финишных методов будет возрастать. Применение нержавеющих и жаропрочных сталей и сплавов на основе титана, антимагнитных сплавов, обладающих повышенной пластичностью и прочностью, низкой теплопроводностью, высокой адгезионной способностью, значительно усложняет финишную механическую обработку деталей машин, точных механизмов и приборов. При шлифовании этих материалов наблюдается засаливание абразивного инструмента, что требует частых правок его и является причиной повышенного износа. Это в свою очередь, снижает точность обработки деталей. Засаливание, в сочетании с плохой теплопроводностью, низкой теплоемкостью абразивных инструментов повышают температуру в зоне резания и вызывает появление прижогов на обрабатываемой поверхности. В связи с этим, во многих случаях приходится снижать производительность шлифования в 1,5-2 раза относительно возможностей, заложенных в станках и инструментах, что отмечается в работах отечественных и зарубежных авторов (Маслов Е.Н., Кривоухов В.А., Петруха П.Г., Редько С.Г., Королев А.В., Murray M.I., Mutton P.I. и др.).

Существенным недостатком абразивной обработки, особенно – шлифования, является шаржирование в обработанную поверхность абразивных зерен. Это снижает эксплуатационные качества изделий. Применение комбинированных процессов абразивной обработки в сочетании с дополнительными электрофизическими воздействиями не устраняет этот недостаток, поскольку сопряжено с повышенным износом инструмента. Результаты исследований, проведенных в России и за рубежом (Марков А.И., Нерубай М.С., Вероман В.Ю., Волосатов В.А., Киселев Е.С., Штриков Б.Л., Бржозовский Б.М., Бекренев Н.В., Кумабэ Дз., Нишимура и др.), показали, что применение ультразвукового поля в виде колебаний при механической обработке материалов приводит к снижению действующих усилий, к уменьшению сопротивления металла деформированию, что в свою очередь позволяет интенсифицировать технологический процесс обработки, улучшить качество и точность получаемых изделий. Однако, несмотря на эффективность использования существующих методов механической обработки материалов в ультразвуковом поле, расширение области их применения, ограничивается отсутствием комплексных исследований влияния ультразвука на процесс финишной обработки вязких материалов и изыскания путей восстанавления рабочей поверхности инструмента в процессе резания. Поэтому задача изучения процессов возобновляемого формообразования рабочей поверхности шлифовального инструмента в процессе резания и закономерностей обработки материалов таким инструментом с разработкой соответствующих технологических рекомендаций, представляется актуальной.

Цель исследований: Повышение эффективности и качества процесса финишной обработки с воздействием ультразвука поверхности деталей машино – и приборостроения из жаропрочных и нержавеющих сталей и сплавов путем применения дискового металлического инструмента с рабочей поверхностью, формируемой и возобновляемой в процессе обработки электроискровым нанесением микронеровностей.

Методы и средства исследований.

Теоретические исследования выполнялись с использованием положений науки о резании материалов, микрорезания металлическим инструментом, физики ультразвуковых и электроэрозионных процессов. Экспериментальные исследования проводились с применением методов математического планирования и статистической обработки результатов. В экспериментах использовались материалы с повышенной вязкостью и прочностью: титан, нержавеющие стали, медные сплавы, латунь и электротехнические стали. Использовалось существующее технологическое оборудование и измерительная аппаратура, а также разработанные автором установки. Моделирование процесса микрорезания проводилось на ультразвуковых станках 4Д772Э и ЛЭ-400, обработка металлическим кругом – на плоскошлифовальном станке 3Г71 и круглошлифовальном станке 3У10А. Силовые параметры процессов обработки определялись на тензометрическом динамометре УДМ-100, микрорельеф поверхности инструмента и образцов изучали при помощи компьютерного анализатора изображений микроструктур АГПМ-6М, микротвердость поверхности – на цифровом микротвердомере HVS-1000.

Научная новизна.

Теоретически и экспериментально обоснована финишная обработка труднообрабатываемых материалов металлическим дисковым инструментом, совершающим ультразвуковые колебания, с микронеровностями, наносимыми электроискровым методом и возобновляемыми в процессе обработки, обеспечивающая при сопоставимой шероховатости обработанной поверхности снижение сил резания по сравнению со шлифованием на 30-50%, повышение производительности в 3 раза, а также снижение пятна износа обработанной поверхности в 2-2,5 раза и исключающая засаливание рабочей поверхности на основе:

  1. закономерностей микрорезания на малых и больших скоростях вязких труднообрабатываемых материалов с воздействием ультразвука единичными микронеровностями, сформированными электроискровым нанесением, позволяющих определить рациональную схему финишной обработки;

  2. математической модели процесса финишной обработки инструментом с возобновляемой рабочей поверхностью, связывающей параметры микрорельефа обработанной поверхности с параметрами микронеровностей и с электрическими режимами их формирования и технологическими режимами обработки, позволяющей выбирать режимы нанесения и обработки по заданным характеристикам шероховатости поверхности детали;

3. модели формирования на поверхности инструмента покрытия в виде отдельных неровностей с радиусом округления вершин, достаточным для осуществления процесса микрорезания и экспериментальных зависимостей, показывающих взаимосвязь их высоты и разновысотности с размерами исходных частиц и технологическими режимами нанесения, что позволило разработать рациональный технологический процесс нанесения и схемы управления режущей способностью инструмента.

Практическая ценность работы заключается в следующем.

1. Разработаны:

- технологические рекомендации по ультразвуковой финишной обработке деталей из жаропрочных и нержавеющих сталей и сплавов инструментом с микронеровностями, сформированными электроискровым способом;

- инструмент с микронеровностями для ультразвуковой финишной обработки и методика его расчета;

- конструкции устройств для осуществления способа финишной обработки инструментом с металлическими микронеровностями;

- технологические рекомендации по электроискровому нанесению микронеровностей на инструмент в процессе обработки деталей;

- методика расчета и схема генератора, обеспечивающего нанесение определенной концентрации микронеровностей требуемой величины и радиуса округления на поверхность инструмента.

2. Результаты исследований по данной диссертационной работе в виде технологий и оборудования внедрены и используются в производственных условиях на предприятиях: ОАО «Нефтемаш-САПКОН» (г. Саратов), ОАО «НИТИ-Тесар» (г. Саратов), ОАО «КБ Электроприбор» (г. Саратов). Результаты используются также в учебном процессе на кафедре «Физическое материаловедение и технология материалов» СГТУ при дипломном проектировании студентов специальности 150600.65.

На защиту выносятся следующие основные положения и результаты исследований.

  1. Способ финишной обработки труднообрабатываемых материалов металлическим дисковым инструментом, совершающим ультразвуковые колебания, с микронеровностями, наносимыми электроискровым методом, обеспечивающий сходные со шлифованием шероховатость и точность обработанной поверхности при повышении ее износостойкости и исключении засаливания инструмента.

  2. Модель формирования микронеровностей с заданным радиусом округления вершины, обеспечивающая осуществление процесса микрорезания с необходимой производительностью и качеством. Модель образования шероховатости поверхности, обработанной инструментом с микронеровностями, позволяющая определять рациональные режимы нанесения микронеровностей и обработки.

  3. Результаты экспериментальных исследований, в ходе которых получены зависимости размеров микронеровностей от электрических и кинематических факторов процесса, а также размеров исходных частиц, зависимости производительности обработки и износостойкости обработанной поверхности, шероховатости и температуры в зоне резания от режимов обработки, ультразвукового воздействия и параметров сформированного на инструменте микрорельефа.

  4. Технологические схемы и процессы финишной обработки инструментом с микронеровностями и электроискрового формирования рабочей поверхности металлического дискового инструмента.

  5. Схемы и устройства модернизации шлифовального оборудования для осуществления предлагаемого способа обработки и специальное технологическое оборудование.

Апробация. Материалы диссертации представлялись автором в виде докладов на 2-х международных («Фундаментальные исследования» Израиль, 2011г.; «Шлифабразив-2011», Волгоград, 2011 г.), 1 всероссийской (Рыбинск, 2009 г.) и 1 местной (Волжский, 2010 г.) конференциях и научно-методических семинарах кафедр «Конструирование и моделирование машиностроительных технологий и оборудования» и «Техническая механика и детали машин» в 2009-2011 г.г.

Публикации. По теме диссертации автором опубликовано 12 печатных работ, в том числе 5 в изданиях из перечня ВАК РФ и 5 патентов РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы в количестве 117 наименований и 3 приложений. Материалы изложены на 181 странице машинописного текста, включая 71 рисунок и 21 таблицу.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследований, определена цель, отражена научная новизна и практическая ценность результатов работы. Представлены положения и результаты, выносимые на защиту.

В первой главе «Анализ процессов финишной обработки жаропрочных и нержавеющих сталей и сплавов и методов обеспечения режущей способности инструмента» выполнен аналитический обзор методов повышения эффективности финишной обработки высокопрочных вязких конструкционных материалов.

Наиболее распространенным в производстве процессом финишной точной обработки является шлифование абразивными, алмазными и эльборовыми кругами. Теория и практика шлифования достаточно полно отражены в работах Е.Н. Маслова, С.Г. Редько, Д.Г. Евсеева, А.В. Королева, и других ученых.

Тенденцией современного развития конструкций приборов и агрегатов, являются уменьшение габаритов входящих в них деталей, применение точного литья и штамповок, когда окончательные размеры получаются на финишных операциях, минуя черновые. Погрешность геометрической формы деталей сопрягаемых пар типа плунжеров и гильз допускается в пределах 0,001-0,005 мм, точность размера не ниже 5-7 квалитетов, шероховатость обработки Rа= 0,16-0,08 мкм. Еще более жесткие требования предъявляются к отверстиям приборов: некруглость допускается 0,0002 мм, непрямолинейность 0,0003мм, точность диаметральных размеров составляет 0,001-0,002 мм. Указанные параметры достижимы только на операциях шлифования, доводки и притирки. В то же время, внедряемые в производство материалы обладают повышенной вязкостью (36НХТЮ, 70ХНМ, ВНЖ и т. п.), что практически исключает взаимную притирку сопрягаемых пар вследствие шаржирования абразива в поверхность детали. Шлифование указанных материалов имеет ряд серьезных недостатков. При обработке вязких материалов, например, нержавеющих сталей, титановых и алюминиевых сплавов, режущая способность абразивных зерен не может быть реализована в полной мере, так как наблюдается засаливание инструмента, возрастают силы резания, интенсифицируется процесс вырыва зерен из связки и ее разрушение, что приводит к потере кругом геометрической формы и требует частых его правок. Применение алмазного инструмента на металлической связке при обработке указанных сплавов также нецелесообразно по причине их высокой адгезионной способности к алмазу, что интенсифицирует наростообразование, приводит к увеличению температуры резания до 800-16000С и потере алмазами режущих свойств с одновременным появлением прижогов на детали и микротрещин из-за напряжений растяжения, вызванных высокими градиентами температур.

Еще одним существенным недостатком, является шаржирование абразивных частиц в обработанную поверхность деталей, что резко снижает их ресурс и эксплуатационную надежность. Большим недостатком шлифования является запыленность рабочего места абразивными и силикатными частицами связки шлифовального круга.

Перспективным направлением повышения производительности и улучшения качества обработанной поверхности при абразивной обработке, является введение в зону резания ультразвуковых колебаний малой амплитуды. Большой объем исследований в этой области выполнен А.И. Марковым, М.С. Нерубаем, Б.Л. Штриковым, Кумабэ Дз., Нишимура и другими учеными. Однако, ультразвуковая обработка шлифовальными кругами сопряжена с трудностями, связанными с затуханием колебаний в керамической или органической связке круга, необходимостью увязки его размеров с параметрами ультразвуковой волны, а также повышенным износом из-за выкрашивания абразивных зерен. Применение алмазных кругов на металлической связке при ультразвуковой обработке рассматриваемых материалов также нежелательно по указанным выше причинам.

В настоящее время, кроме широко распространенного шлифования абразивным инструментом, в ряде случаев применяется безабразивная обработка металлическим инструментом с режущими элементами в виде сетки рисок или выступов на закаленной поверхности. Однако для них характерны повышенное засаливание и потеря режущий способности при обработке вязких материалов. Задача может быть решена при возобновлении режущей способности инструмента, однако для этого необходимо его снятие со станка и прерывание процесса обработки, что снижает производительность процесса.

Известны процессы формирования на поверхности металлических деталей износостойких покрытий газотермическим напылением или электроискровым легированием. Большой вклад в развитие данных методов внесли Н.И.Лазаренко, Б.Р.Лазаренко, Н.Н. Рыкалин, В.В. Кудинов, Д.С. Верещака, Г.П. Иванов, М.К. Мицкевич, А.Д. Верхотуров, Г.В. Самсонов, В.Н. Лясников и другие ученые. Однако, покрытие формируемое данными методами, имеет сглаженный микрорельеф, непригодный для осуществления микрорезания.

На основании проведенного анализа в работе поставлены для решения следующие задачи: изыскание путей интенсификации процесса микрорезания вязких материалов металлическими микронеровностями; разработка экспериментальных установок для осуществления процесса микрорезания с воздействием ультразвука; исследование процесса микрорезания вязких высокопрочных материалов единичным зерном на малых и высоких скоростях в зависимости от глубины резания, амплитуды колебаний и свойств материалов; исследование процесса формирования рабочей поверхности металлического дискового инструмента электроискровым способом и изучение его режущих свойств; разработка новых способов механической обработки вязких труднообрабатываемых материалов и специального оборудования.

Во второй главе «Моделирование электроискрового образования режущих микронеровностей на инструменте и шероховатости поверхности обрабатываемых им деталей» обоснована предлагаемая схема финишной обработки труднообрабатываемых материалов металлическим кругом с непрерывно возобновляемой режущей поверхностью. Предложены модели формирования микронеровностей с радиусом округления вершин, обеспечивающим осуществление процесса микрорезания и образования микрорельефа поверхности детали при обработке данным методом. Схема обработки и процесса нанесения частиц представлены на рис. 1 и 2.




Электрод






Разряд

S1 d




Частица

S

S2 Инструмент


Рис. 1. Предлагаемая схема обработки кругом с возобновляемой поверхностью

Рис. 2. Схема процесса нанесения режущих микронеровностей


следующая страница >>