Шлифования коррозионно-стойких, хромоникелевых сталей аустенитного класса алмазными кругами с коническими отверстиями на торце.

На правах рукописи

КОЛЕГОВ СЕРГЕЙ АЛЕКСЕЕВИЧ

УДК 621.623

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПЛОСКОГО ШЛИФОВАНИЯ КОРРОЗИОННО-СТОЙКИХ, ХРОМОНИКЕЛЕВЫХ СТАЛЕЙ АУСТЕНИТНОГО КЛАССА АЛМАЗНЫМИ КРУГАМИ С КОНИЧЕСКИМИ ОТВЕРСТИЯМИ НА ТОРЦЕ.

Специальность 05.02.07. – Технологии и оборудование механической и физико-технической обработки.

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Ижевск - 2012

Работа выполнена на кафедре «Производство Машин и Механизмов» Ижевского Государственного Технического Университета (ИжГТУ).

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Кугультинов С.Д.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Макаров Владимир Федорович

кандидат технических наук

Мурзин Юрий Павлович

Ведущая организация: ОАО «Воткинский Завод», г.Воткинск.

Защита состоится 30 марта 2012г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.065.02 в Ижевском государственном техническом университете по адресу: 426069, г.Ижевск, ул. 30 лет победы, 2, к.504.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ижевского государственного технического университета.

Отзыв в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять на имя ученого секретаря диссертационного совета по адресу: 426069, г. Ижевск, ул. Студенческая, 7.

Автореферат разослан 27 февраля 2012г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.065.02

доктор технических наук, профессор В.Г. Осетров

Общая характеристика работы.

Актуальность работы. Особое место в машиностроении занимает финишная обработка, позволяющая обеспечить требуемое качество изделий. Одним из наиболее распространенных финишных методов является шлифование, которое зачастую бывает единственно возможным вариантом достижения требуемых точности и шероховатости поверхностей.

Однако иногда после шлифования образуется дефектный слой в виде поверхностных прижогов и трещин из-за сил и температур, действующих в процессе обработки. Особенно большие проблемы возникают при плоском шлифовании материалов с повышенными физико-механическими свойствами.

К таким материалам в полной мере относятся коррозионно-стойкие, хромоникелевые стали аустенитного класса: типа 12Х25Н16Г7АР, 12Х18Н10Т, 20Х23Н18, ХН65МВТЮ и др. Шлифование указанных сталей сопровождается значительным выделением тепла в зоне резания, что приводит к дефектам и структурным изменениям обрабатываемого материала (микротрещины, вторичная закалка, отпуск и др.). Кроме того, шлифование существующими шлифовальными кругами сопровождается интенсивным засаливанием инструмента, что приводит либо к преждевременному выходу из строя алмазного инструмента, либо к необходимости частой правки. Это в свою очередь снижает производительность обработки и повышает ее себестоимость.

Несмотря на большое число работ, посвященных совершенствованию процесса шлифования указанных выше сталей существующим алмазным инструментом, вышеперечисленные проблемы остаются. Одним из путей их решения является более эффективное охлаждение и исключение засаливания инструмента за счет создания шлифовального круга специальной конструкции, который отвечал бы требованиям:

- минимизации теплонапряженности в процессе плоского шлифования и, как следствие, уходу от прижогов и других дефектов теплового характера;

- исключению засаливания и, как следствие, повышению надежности работы алмазного инструмента.

Этим требованиям мог бы отвечать алмазный круг для плоского шлифования с конусными отверстиями. Такое предположение основано на том, что скорость течения газа через коническое отверстие (подобие сопла Лаваля) может превышать скорость звука, т.е. с довольно большой вероятностью можно утверждать, что и при течении жидкости скорость потока будет довольно высокой, а это позволит эффективно удалять стружку и другие отходы с поверхности круга, предотвращая его засаливание. Кроме того, подача смазочно-охлаждающих технологических сред (СОТС) будет осуществляться непосредственно в зону резания, обеспечивая тем самым их максимальную эффективность. Однако для подтверждения данной гипотезы необходимо вначале теоретическое обоснование на базе решения тепловой задачи, а затем экспериментальная проверка и промышленная апробация.

В связи с этим совершенствование процесса плоского шлифования деталей из коррозионно-стойких, хромоникелевых сталей аустенитного класса, направленного на повышение качества обработанных поверхностей благодаря отсутствию тепловых дефектов, является актуальной задачей. Поэтому выполненная в работе разработка специального алмазного круга с конусными отверстиями на торце на основе решения тепловой задачи, позволяющего решить вышеперечисленные проблемы, подчеркивает актуальность темы диссертации. Кроме того, о востребованности работы говорит и грант, выигранный по программе УМНИК.

Целью работы являлось: повышение качества и производительности процесса плоского шлифования деталей из коррозионно-стойких, хромоникелевых сталей аустенитного класса благодаря использованию алмазных кругов с коническими отверстиями на торце

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

- проверена гипотеза об эффективности использования алмазных кругов с коническими отверстиями на торце;

- решена тепловая задача для процесса плоского шлифования с теплообменом в зоне контакта алмазных зерен с обрабатываемым материалом;

- обоснована эффективность подачи СОТС в зону резания через конусные отверстия;

- разработана методика проектирования алмазных кругов с коническими отверстиями на рабочей поверхности;

- разработаны рекомендации по выбору режимов плоского шлифования деталей из коррозионно-стойких, хромоникелевых сталей аустенитного класса;

- проведена промышленная апробация алмазных кругов с коническими отверстиями при плоском шлифовании деталей из коррозионно-стойких, хромоникелевых сталей аустенитного класса.

Научная новизна работы заключается:

- в теоретическом и экспериментальном обосновании эффективности плоского шлифования деталей из коррозионно-стойких, хромоникелевых сталей аустенитного класса алмазными кругами с коническими отверстиями на торце;

- в аналитическом решении тепловой задачи для условий плоского шлифования алмазными кругами с коническими отверстиями на торце;

- в получении эмпирических зависимостей силы резания от режимов резания.

Методы исследования.

Теоретические исследования проводились на базе теории процесса шлифования, на основе образования тепловых процессов в зоне резания с теплообменом (по закону Ньютона-Рихмана), средств вычислительной техники, решения нелинейных дифференциальных уравнений с граничными условиями при помощи методов источников (метод Грина).

Экспериментальные исследования проводились с использованием методов планирования эксперимента на основе известных методик в лабораторных и производственных условиях на специально спроектированных и изготовленных установках. В экспериментальных исследованиях применялись разработанные автором алмазные шлифовальные круги с коническими отверстиями на торце, модернизированные станки, специальные станочные приспособления, контрольно-измерительные комплексы и персональные компьютеры.

Достоверность полученных результатов подтверждена сравнением расчетных и экспериментальных данных.

Практическая полезность работы заключается:

- в разработанной конструкции алмазных шлифовальных кругов с коническими отверстиями на торце;

- в разработанной методике проектирования алмазных шлифовальных кругов с коническими отверстиями на торце;

- в разработанной технологии плоского шлифования алмазными кругами с коническими отверстиями на торце;

- в эмпирических зависимостях для определения сил резания.

Реализация результатов работы. Разработанные конструкции шлифовальных алмазных кругов с коническими отверстиями на их торце и рекомендации по их применению внедрены на ООО «ЗНО «Техновек».

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались в 2010г. и в 2011г. на республиканской выставке – сессии инновационных проектов в г. Ижевске (в 2010г. был получен диплом III степени, в 2011г. - диплом II степени), в 2011г. работа участвовала в республиканском конкурсе инновационных проектов по программе «УМНИК» (был выигран грант) 2011г. грант на проведение НИОКР в «Республиканском конкурсе инновационных проектов по программе УМНИК»; 2009-2011г. на научных семинарах кафедры «Производство Машин и Механизмов» ИжГТУ; 2011г. В полном объеме диссертация заслушана и одобрена на совместном заседании кафедр «Производство машин и механизмов» ИжГТУ.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 8 работ, в том числе 3 статьи в изданиях, включенных в перечень ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация содержит введение, пять глав, заключение, список литературы из 168 наименований, акты внедрения. Работа изложена на 157 листах машинописного текста, содержит 51 рисунок, и 2 таблицы.

Содержание работы.

Во введении обоснована актуальность темы, дается общая характеристика работы и направленность исследований.

В первой главе проведен анализ состояния проблемы обеспечения качества и повышения эффективности плоского шлифования деталей из коррозионно-стойких, хромоникелевых сталей аустенитного класса. На основании проведенного анализа сформированы цель и задачи исследования. На основании работ посвященных исследованию процесса плоского шлифования и на основании изучения производственного опыта показано, что обработка сопряжена со значительным выделением тепла в результате чего на обработанных поверхностях могут образовываться прижоги микротрещины и др. тепловые дефекты. Особенно большие проблемы вызывают при плоском шлифовании коррозионно-стойких, хромоникелевых сталей аустенитного класса. Показано, что шлифование указанных материалов сопровождается, кроме тепловых дефектов, интенсивным засаливанием шлифовальных кругов, что приводит либо к преждевременному выходу из строя, либо к необходимости частой правки. А это в свою очередь ведет к снижению производительности и повышению шероховатости.

Сложность плоского шлифования деталей из коррозионно-стойких, хромоникелевых сталей аустенитного класса привела к тому, что наиболее используемым инструментом является алмазные круги, но эффективности использования указанных кругов препятствуют следующие факторы:

- при температуре нагрева свыше 700С алмаз теряет свои режущие свойства. В тоже время плоское шлифование деталей из коррозионно-стойких, хромоникелевых сталей аустенитного класса сопровождается значительным тепловыделением. В связи с этим основным средством противодействия высоким температурам в процессе плоского шлифования является использование СОТС: однако в большинстве случаев эффективность действия СОТС оказывается невысокой при плоском шлифовании деталей из коррозионно-стойких, хромоникелевых сталей аустенитного класса. Использование кругов с отверстиями выполненными в виде цилиндров на рабочей поверхности, не обосновано ввиду непрестанно увеличивающегося числа марок материалов, для которых, даже существенное снижение температуры в зоне резания является фактором, неизменно ведущим к образованию тепловых дефектов и как следствие к браку, что недопустимо при высокой стоимости материалов применяемых при конструировании деталей машин;

- при плоском шлифовании затруднен отвод стружки и шлама из зоны обработки, что приводит к более интенсивному затупление режущих кромок алмазных зерен и как следствие к повышению температуры и снижению качества обработанной поверхности, а также к интенсивному засаливанию круга и повышению температуры.

Из приведенного анализа был сделан вывод, что для совершенствования процесса плоского шлифования деталей из коррозионно-стойких, хромоникелевых сталей аустенитного класса необходимо изменить характер подачи СОТС в зону резания, т.е. необходимо, с одной стороны, гарантированно доставлять СОТС в зону обработки для охлаждения, а, с другой стороны, попробовать с помощью СОТС избежать процесса засаливания. В результате была предложена гипотеза о подаче СОТС через конические отверстия, с использованием эффекта подобного подаче газа через такие отверстия (сопло Лаваля), т.е. можно предположит, что жидкость подобно газу достигнет очень высоких скоростей. Это позволит более интенсивно охладить зону резания и обрабатываемые поверхности и тем, самым существенно снизить температуру. В то же время жидкость, проходящая через местное сужение отверстия увеличивает скорость и давление падает. Если абсолютное давление при этом достигает значения, равного давлению насыщенных паров в ней жидкости при данной температуре, или давлению, при котором начинается выделение из нее растворенных газов, то в данном месте потока начинается интенсивное парообразование (кипение) и выделение газов. Образование пузырьков способствует удалению отходов шлифования из межзеренного пространства круга, и образованию прочных адсорбционных пленок, тем самым оказывая непосредственное влияния не стойкость инструмента. Среди преимуществ метода стоит учесть и тот факт, что подача СОТС осуществляется непосредственно в зону контакта шлифовального круга с обрабатываемой деталью тем самым обеспечивая максимальную эффективность использования СОТС.

В заключение первой главы, на основании анализа состояния проблемы и выбранного направления исследований, сформулирована цель работы и задачи исследований.

Вторая глава посвящена решению тепловой задачи для условий плоского шлифовании алмазными кругами с коническими отверстиями на торце. Решение производилось с учетом теплообмена в зоне резания с граничными условиями третьего рода. Уравнение теплопроводности в этом случае записывается следующим образом:

(1)

где: Т=Т(х,у,z,) – пространственно-временное распределение температуры в излучаемой фазе (детали); – коэффициент теплопроводности; с – теплоёмкость; – плотность среды; – скорость движения источника тепла.

Для того, чтобы функция Т(х,у,z,t) являлась единственным решением поставленной задачей, она должна одновременно удовлетворять некоторым начальным и граничным условиям.

Т=Т(х,у,z,)=const	(2)
	(3)

где: – коэффициент теплоотдачи, для простоты принимаем температуру окружающей среды равной нулю.

Начальное условие (2) задает распределение температуры внутри исследуемой области в начальный момент времени – граничное условие третьего рода, которое задает теплообмен на границе области с окружающей средой.

Обычно при решении тепловых задач рассматривается теплообмен вторичного тепла, прошедшего из зоны резания через обрабатываемую деталь в связи с невозможностью осуществлять теплообмен в зоне резания при обработке кругов обычной конструкции. В настоящей работе, при рассмотрении специальной конструкции кругов, рассматривается теплообмен в зоне резания, и поэтому главным условием является граничные условия третьего рода.

Граничные условия третьего рода задаются в форме закона Ньютона - Рихмана (например, на поверхности Х=в).

Функция источника, удовлетворяющая условию (1), представится в следующем виде (3):

(4)

Решение (1), (3), (4) проводится в соответствии со схемой, представленной на рис.1: по поверхности тела (детали), которое омывается охлаждающей жидкостью, в положительном направлении оси Z движется источник тепла. Плотность теплового потока по всей поверхности источника будем считать постоянной. Температуру охлаждающей жидкости и начальную температуру детали для простоты записи целесообразно принять равной нулю, систему координат свяжем с источником тепла, то есть начало координат поместим в точку пересечения оси вращения круга и поверхности обрабатываемой детали. В этом случае можно считать, что теплопроводящая среда (деталь) движется со скоростью продольной подачи в отрицательном направлении оси Z.

Рис.1.

В этом случае уравнение теплопроводности примет вид:

(5)

С краевыми и начальными условиями:

(6)

Окончательный вид тепловое уравнение для торцового шлифования с граничными условиями третьего рода будет иметь вид:

(7)

где:

Решение (7) осуществлено в пакете MathCAD. Результаты представлены в таблице 1.

В третьей главе приведено проектирование алмазного шлифовального круга с коническими отверстиями на торце и разработана методика проектирования. Проектирование основано на анализе теплофизических явлений, возникающих в процессе резания с подачей СОТС через конические отверстия. К таким явлениям относится кавитация жидкости и образование гидравлического «клина», что позволяет решить комплекс задач:

- выбрать размеры круга, тип алмазного зерна и его величину;

- определить силы резания.

Наличия гидроклина и числа кавитации рассчитываются с использованием известных эмпирических формул. Плотность теплового потока, была рассчитана с помощью максимальной температуры без охлаждения в соответствии с рекомендациями работ Гуськова В.Т., Колмогорова П.В., Свитковского Ф.Ю.:

(8)