Статья: Влияние схемы шлифования как динамического фактора процесса резания на дефектность и прочность изделий из ситаллов

На современном этапе развития науки и техники существует тенденция повышения объема производства изделий из хрупких неметаллических материалов (ХНМ), которые все более широко заменяют металлы во многих отраслях промышленности. К этим материалам, прежде всего, относятся различные виды технической керамики, включая стеклокристаллическую керамику - ситаллы [1]. Расширяются области использования керамических материалов, увеличиваются капиталовложения в научные разработки, касающиеся усовершенствования технологий их производства. При этом во главу угла ставится задача снижения себестоимости выпускаемой продукции при обеспечении ее высоких эксплуатационных характеристик.

Однако рост применения ХНМ в качестве конструкционных материалов сдерживается по причине трудностей, возникающих при обеспечении высокой точности и качества поверхности изделий при механической обработке, которая, в основном, осуществляется алмазными абразивными инструментами. Это связано, с одной стороны, с высокими показателями прочности и повышенной хрупкостью материалов рассматриваемого класса, с другой стороны - с неэффективными технологическими процессами обработки, причиной которых в значительной мере является недостаточный объем знаний о механизмах формирования качественного поверхностного слоя изделий при алмазном шлифовании. Установлено, что даже мягкие режимы шлифования приводят к созданию дефектного слоя - сетки микротрещин, которые расположены на поверхности обрабатываемых материалов и распространяются в глубину на 200 - 700 мкм для ситаллов и до 50 мкм для конструкционной керамики [2]. Все это является причиной снижения механической прочности изделий или требует дополнительных, трудоемких операций, связанных с необходимостью удаления дефектного слоя [3].

На структуру поверхностного слоя деталей вместе с пористостью и размерами кристаллов самого обрабатываемого материала влияют также технологические условия обработки: схема и режимы шлифования, состояние оборудования, состав технологических сред, характеристики алмазных кругов, изменяющие силовой, динамический и температурный режимы процесса резания [3]. Поэтому выбор перечисленных параметров необходимо осуществлять в строгой зависимости от требуемого качества изделий и свойств заготовки, используя знания об их влиянии на условия процесса шлифования, интенсивность развития нарушенного обработкой слоя деталей. В современной литературе такие данные практически отсутствуют, особенно по вопросам, касающимся температурных и динамических характеристик процесса резания.

Целью проведенных исследований является определение степени влияния входных параметров технологических процессов, в частности схемы обработки, на динамику процесса шлифования крупногабаритных полых изделий сложной пространственной формы из ситаллов с учетом виброустойчивости системы СПИД и связь этих показателей с уровнем дефектности формируемой поверхности.

Для достижения поставленной цели в работе предполагалось решить следующие задачи:

Возможно вы искали - Статья: Зависимость дефектности изделий из ситаллов от условий процесса алмазного шлифования

- на основании результатов анализа жесткости элементов системы СПИД, предназначенной для обработки конкретных деталей из ситаллов, выдать рекомендации по организации процесса обработки, исходя из повышения виброустойчивости системы;

- исследовать влияние входных параметров процесса резания на жесткость элементов СПИД и, как следствие, на качество формируемой поверхности, в первую очередь, ее дефектность.

Особенности обработки изделий рассматриваемого класса из ситаллов в значительной степени обусловлены следующими факторами. Основные размеры изделия: длина до 1,0 м; максимальный диаметр 450...500 мм; толщина стенки заготовки 20 мм при толщине готового изделия 5 мм. Эксплуатационные характеристики изделий предполагают соблюдение повышенных требований по точности и качеству обработки, в частности, обеспечение минимальной глубины дефектности поверхностного слоя, которая определяет продолжительность последующих операций химического травления и упрочнения механически обработанных поверхностей.

Технологический процесс обработки включает многооперационную обработку шлифованием как наружного, так и внутреннего контуров изделий на станках типа РТ 66202, оснащенных агрегатной шлифовальной головкой и системой копирования. Наибольшие трудности связаны с операциями внутреннего шлифования, выполняемыми инструментами двух типоразмеров последовательно по длине заготовки, как это показано на рис. 1, которыми и снимается основной припуск. При черновом шлифовании цилиндрической части детали используются алмазные круги 1А1 100x32x6x6 - А 315/250 4 -М2-01, конической части-круги- 1А1 32x10x3x10 - А 315/250 4-М2-01.

Похожий материал - Статья: Технологическое обеспечение качества поверхностного слоя изделий из керамики

Рисунок 1 – Схемы обработки внутренней поверхности изделия при шлифовании с подачей: а - «к фланцу» изделия, традиционная схема; б - «к носку» изделия, предлагаемая схема

В этом случае система СПИД состоит из двух отдельных самостоятельных подсистем: «приспособление - заготовка» и «шпиндель - агрегатная головка - суппорт», которые связаны между собой зоной резания. Подсистема «приспособление - заготовка» характеризуется переменной по длине заготовки жесткостью, а так же ее изменением при закреплении заготовки в приспособлении. Так, установка и закрепление заготовки в приспособлении снижает жесткость подсистемы на 25...30% по сравнению с жесткостью приспособления без заготовки. При этом жесткость подсистемы «шпиндель - агрегатная головка - суппорт» в 3,5 раза ниже суммарной жесткости подсистемы «приспособление - заготовка». Все это приводит к динамической неустойчивости процесса резания, наличию вибраций, интенсивность которых меняется в зависимости от места контакта заготовки с инструментом и схемы обработки и отрицательно влияет на точность и качество обработки.

Было установлено, что при шлифовании крупногабаритных полых изделий из конструкционной керамики и ситаллов возникают колебания двух видов: вынужденные и автоколебания. Причины вынужденных колебаний кроются во внешних возмущениях системы СПИД. Примерами таких внешних воздействий могут служить инерционные силы, возникающие вследствие дисбаланса вращающихся частей станка, обрабатываемой детали или абразивного инструмента; нежесткости приспособлений; колебаний фундамента станка как реакции на рядом работающие станки и т.д. Меры борьбы с вынужденными колебаниями - это устранение причин, вызывающих возмущающую силу. А именно: выбор рациональной схемы базирования заготовки; конструкций зажимного приспособления и шпиндельного узла агрегатной силовой головки; обеспечение отсутствия дисбаланса алмазных кругов; надежная изоляция фундамента станков и т.д.

Второй вид колебаний - автоколебания, или вибрации, которые являются самовозбуждающимися. При колебаниях такого типа источник возбуждения находится в самой системе, возбуждение носит постоянный характер, и частота автоколебаний определяется свойствами самой колебательной системы. Формирование качественных показателей поверхностного слоя ХНМ при механической обработке определяется условиями контакта зерен алмазных инструментов и детали, которые сопровождаются разной степенью силового и динамического воздействия на формируемую поверхность.

Изменяя схему обработки и режимы шлифования, можно существенно влиять на характер взаимодействия рабочей поверхности круга с обрабатываемой поверхностью заготовки за счет увеличения площади их контакта и, как следствие, изменять демпфирование в системе инструмент - заготовка, а также в необходимом направлении перераспределять удаляемый припуск вдоль образующей инструмента. Это позволяет должным образом формировать силовое воздействие на обрабатываемую поверхность за счет изменения условий работы алмазных зерен, характера их износа.

Очень интересно - Реферат: Инструментальные методы оценки качества текстильных материалов

Выбору рациональной схемы обработки предшествовал этап теоретического анализа напряженного состояния обрабатываемого материала при различных вариантах приложения нагрузки [4]. Результаты моделирования позволили предположить, что более эффективной будет являться схема шлифования, представленная на рис. 1, б. Для нее, в отличие от применявшейся на производстве схемы (см. рис. 1, а), характерно перемещение инструмента по дальней от рабочего стороне детали с подачей его к носку изделия. В этом случае равнодействующая сил шлифования стремится прижать заготовку к установочным элементам приспособления, увеличивая жесткость системы, при значительном уменьшении радиальной составляющей силы резания, вызванном сокращением площади контакта круга и детали. Равнодействующая сила в наибольшей степени направлена в удаляемый припуск, тогда как при реализации традиционной схемы шлифования (см. рис.1, а) доминирует радиальная составляющая сил резания, обеспечивающая направление результирующей силы резания непосредственно в обрабатываемый материал, увеличивая дефектность.

Проведенные исследования позволили установить влияние схемы шлифования и уровня напряженно-деформированного состояния материала в зоне резания на дефектность обработанной поверхности изделий и их прочность при обработке цилиндрической и конической частей детали. Для этого на образцах, вырезанных из деталей, обработанных по каждой из рассматриваемых схем, определялись глубина и структура дефектного поверхностного слоя с использованием метода люминесцентной капиллярной дефектоскопии [5] и прочность на изгиб при разрушении образцов по трехточечной схеме нагружения. Для учета влияния неодинаковых жесткости системы и условий контакта инструмента и заготовки по ее длине перечисленные параметры исследовались для различных участков (поясов) детали. Нумерация поясов (от I до VII) соответствует перемещению oт фланца к носку детали, при этом I - V пояса расположены на цилиндрическом участке профиля изделия.

Изменение схемы шлифования приводит к изменению силовых, кинематических и геометрических характеристик процесса резания, что, в совокупности с переменной по длине обрабатываемого изделия жесткостью элементов системы СПИД, сказывается на глубине и структуре образующегося дефектного слоя. Учитывая, что прочность изделий из ситаллов является функцией дефектности слоев материала, непосредственно примыкающих к поверхности обработки, для каждого пояса изделия определялись средние размеры единичных дефектов точечного типа dдср в интервале глубин hд=0-350 мкм, то есть до выхода на бездефектную (по результатам обработки) поверхность. По полученным данным для глубины hд=0-80 мкм были построены соответствующие графики (рис. 2) для варианта шлифования с параметрами режима v=36 м/с, s=0,18 мм/об, t=2 мм, nд=80 об/мин СОТС - вода.

Рисунок 2 – Зависимость усредненных значений единичных дефектов dдср от места обработки для глубин залегания nд=80 об/мин. Шлифование изделий по схемам: 1 - «подача к фланцу»; 2 - «подача к носку»

Вам будет интересно - Статья: Повышение эффективности механической обработки за счет выбора рациональных условий

Как следует из приведенных графиков, шлифование внутренней поверхности изделия по схеме «подача к фланцу» приводит к образованию неравномерной дефектной структуры его поверхностного слоя. Размеры единичных дефектов колеблются в диапазоне 22-15 мкм. Для случая шлифования по предлагаемой схеме («подача к носку») параметры дефектности в пределах длины одного изделия изменяются менее резко и составляют соответственно dдср=11,5-14,5 мкм.

Кроме этого в среднем по длине изделия величины единичного дефекта составляют соответственно: для предлагаемой схемы 12,7 мкм, для традиционной схемы 17,2 мкм, при которой и однородность распределения дефектов по длине изделия вдвое меньше по сравнению с предлагаемым вариантом обработки.

К отрицательным факторам воздействия традиционной схемы шлифования на структуру нарушенного обработкой слоя ситалла необходимо также отнести интенсивное развитие дефектов в конусной части изделия, проявляющиеся в образовании мощного трещиноватого слоя в области VI пояса, проникающего на глубину до 250 мкм (размеры отдельных трещин достигают 800 мкм), а также в формировании крупных единичных дефектов у поверхности обработки (см. рис. 2) у носка изделия (VIII пояс), где инструмент находится в наиболее неблагоприятных условиях. Причиной этого явления является необходимость внедрения инструмента вглубь изделия (врезание) перед последующим его перемещением по заданному профилю в направлении к торцу изделия.

Применение предлагаемой схемы обработки по сравнению с базовым вариантом позволило снизить глубину проникновения дефектного слоя в среднем по длине изделия в 1,35 раза. Следствием благоприятной структуры образующегося нарушенного обработкой слоя при предлагаемой схеме явилось повышение прочности изделий во всем исследованном диапазоне режимов обработки. В табл. 1 приведены результаты прочностных испытаний образцов, вырезанных из наиболее дефектных участков (III пояс) обработанных деталей.

Таблица 1 - Результаты прочностных испытаний деталей (обработка цилиндрической части, II пояс)