Аналитический метод оценки влияния физико-механических свойств связки кругов из СТМ на термомеханические показатели процесса шлифования инструментальных материалов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.03.01, кандидат технических наук Барвинок, Дмитрий Викторович

• Барвинок, Дмитрий Викторович
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Барвинок, Дмитрий Викторович

ПЕРЕЧЕНЬ ОСНОВНЫХ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИИ

ВВЕДЕНИЕ.

1. ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОБРАБОТКИ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

1.1. Анализ состояния проблемы обрабатываемости инструментальных материалов.

1.2. Перспективы совершенствования шлифовальных кругов.

1.3. Роль процесса трения связки шлифовального круга.

1.4. Анализ существующих методов учета влияния связки на основные показатели процесса обработки.

1.5. Выводы по первой главе. Обоснование методики и формулировка задач исследования.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА ШЛИФОВАНИЯ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ КРУГАМИ ИЗ СТМ.

2.1. Параметры зоны контакта.

2.1.1. Характеристики рельефа рабочей поверхности круга.

2.1.2. Параметры контактного взаимодействия.

2.2. Силы резания.

2.2.1. Сила трения связки.

2.2.2. Сила резания единичным зерном.

2.2.3. Параметры зоны стружкообразования и суммарная сила шлифования.

2.3. Модель тепловых процессов.

2.4. Баланс механической и тепловой энергии.

2.5. Средний размерный износ зерен шлифовального круга.

2.6. Наибольшая допустимая производительность процесса шлифования кругами из СТМ.

2.7. Выводы по второй главе.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ШЛИФОВАНИЯ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

КРУГАМИ ИЗ СТМ.

3.1. Методика проведения исследований.

3.2. Результаты исследований.

3.3. Выводы по третьей главе.

4. РАСЧЕТ РЕЖИМОВ ШЛИФОВАНИЯ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ КРУГАМИ ИЗ СТМ.

4.1. Методика расчета режимов.

4.2. Пример расчета.

4.3. Внедрение результатов работы.

4. 4. Выводы по четвертой главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Аналитический метод оценки влияния физико-механических свойств связки кругов из СТМ на термомеханические показатели процесса шлифования инструментальных материалов»

Актуальность, темы обусловлена отсутствием на сегодняшний день математического аппарата для оценки влияния физико-механических свойств связки кругов из сверхтвердых материалов (СТМ) на термомеханические показатели процесса шлифования.

В настоящее время, в связи с растущей конкуренцией на внешнем и внутреннем рынках, как никогда остро стоит проблема повышения эффективности обработки материалов. Перспективным способом ее решения является выполнение неуклонно возрастающих требований к качеству инструментов. Получение качественных изделий из таких инструментальных материалов, как твердые сплавы, режущая керамика и быстрорежущие стали, вызывает наибольшие трудности. Они определяются высокой теплонапряженностью процесса обработки, являющейся основной причиной возникновения дефектов поверхностного слоя деталей (для твердых сплавов и режущей керамики - это трещины, для быстрорежущих сталей - прижоги). Опыт эксплуатации металлорежущих инструментов показывает, что поверхностные дефекты резко снижают усталостную прочность инструментальных материалов.

Для решения данной проблемы на финишных операциях технологического процесса обработки эффективно использование процесса шлифования кругами из СТМ. Благодаря высокой тепло- и температуропроводности, а также низкой теплоемкости зерен из СТМ (для обработки твердых сплавов и режущей керамики используются шлифовальные круги с алмазными зернами, для быстрорежущих сталей - с зернами из эльбора), контактная температура в процессе шлифования снижается в 3-5 раз по сравнению с температурой при обработке обычными абразивами. Если после абразивной обработки кругами из карбида кремния прочность твердых сплавов и режущей керамики снижается по сравнению с исходной, то после алмазного шлифования предел прочности при изгибе и ударная вязкость по сравнению с исходным состоянием повышается на 15-50 % , а долговечность при ударном нагружении - до 10 раз. В то же время зерна из СТМ обладают повышенной хрупкостью, а, следовательно, самозатачиваемостью и высокой абразивной способностью.

Тем не менее, существует необходимость совершенствования процесса шлифования инструментальных материалов с целью повышения эффективности использования дорогостоющих зерен из СТМ.

При проектировании технологических процессов абразивной обработки для решения данной задачи предлагается использовать расчетные методы, основанные на математических моделях по выбору режимов резания с учетом характеристики инструмента. Такие методы, являясь наиболее общими, сокращают количество экспериментальных исследований.

Для получения достоверных результатов при проведении комплексных исследований необходим учет всех принципиально важных явлений, сопутствующих изучаемому процессу. Особенностью процесса шлифования кругами из СТМ является существенное влияние процессов трения связки круга об обрабатываемую поверхность детали на термомеханические показатели процесса шлифования. Так, при использовании шлифовальных кругов с одной и той же маркой, зернистостью и концентрацией зерен, но на различных связках наблюдаются различные силы, температуры и другие выходные параметры обработки (эффективная мощность шлифования, износ зерен круга, теплоотвод в контактирующие тела и т.д.). При шлифовании твердых сплавов и режущей керамики алмазными кругами на металлических связках роль процесса трения связки сопоставима с ролью процесса резания.

Существующие модели для расчета сил и температур резания либо не учитывают процесс трения связки, либо включают в себя эмпирические коэффициенты, не раскрывающие физической сущности явления. Отсутствие аналитического метода оценки влияния физико-механических свойств связки на основные параметры обработки не позволяет осуществлять научно обоснованный выбор материала связки и рассчитывать режимы шлифования с учетом выбранного материала связки. Его разработка является актуальной задачей.

Целью настоящей работы является установление взаимосвязи характеристик связки шлифовального круга с совокупностью термомеханических явлений при резании.

В работе реализована методология комплексных теоретических исследований термомеханических явлений в плане влияния на них физико-механических свойств связки шлифовального круга. Обоснование основных научных положений, сформулированных в работе, производилась с использованием теории резания, теории упругих и пластических деформаций, теории вероятностей и математической статистики, теории теплопроводности, а также научных основ технологии машиностроения. Для решения краевых задач на основе уравнений математической физики применялись методы интегральных преобразований и численные методы. Экспериментальные исследования процессов и явлений проводились в лабораторных условиях с использованием современной измерительной и регистрирующей аппаратуры методом планирования эксперимента. Обработка результатов производилась с использованием методов теории подобия и математической статистики.

Полученные в работе результаты обладают научной новизной. В соответствии с поставленной целью исследований разработан аналитический метод оценки влияния физико-механических свойств связки кругов из СТМ на термомеханические показатели процесса шлифования:

- впервые аналитически исследован процесс трения различных связок шлифовальных кругов об обрабатываемую поверхность детали;

- установлено, что роль процесса трения связки во многих случаях сопоставима с ролью процесса резания зернами круга; разработана математическая модель процесса шлифования инструментальных материалов кругами из СТМ, учитывающая физико-механические свойства материала связки;

- установлена обобщенная зависимость энергетического критерия А, определяющего термомеханические явления при шлифовании, от удельной производительности процесса.

Полученные в работе результаты позволяют решить ряд практических задач, основной из которых является задача повышение эффективности обработки инструментальных материалов: разработана методика расчета наибольшей допустимой производительности процесса шлифования, позволяющая определить потенциальные возможности инструмента из СТМ с заданной характеристикой (материал связки и зерен круга) рабочего слоя.

- разработана методика расчета режимов бездефектного шлифования с учетом научно обоснованного выбора материала связки круга.

- теоретические и практические положения диссертационной работы прошли проверку при внедрении на дизельном и инструментальном заводах ОАО "Рыбинские моторы".

Основные положения работы докладывались и обсуждались на конференциях: XXV студенческой научной конференции (Рыбинск, 1997); Всероссийской научно-технической конференции "Повышение эффективности механообработки на основе аналитического и экспериментального моделирования процессов" (Рыбинск, 1999); Всероссийской научно-технической конференции "Теплофизика технологических процессов" (Рыбинск, 2000).

14

Результаты работы отражены в 7 печатных работах - статьях и тезисах научно-технических конференций.

Диссертация состоит из введения, 4 глав, общих выводов, списка литературы из 89 наименований, включает 150 страниц машинописного текста, 25 рисунков и 16 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Технологии и оборудование механической и физико-технической обработки», Барвинок, Дмитрий Викторович

6. Результаты работы внедрены на дизельном и инструментальном заводах ОАО "Рыбинские моторы". Реализация разработанных мероприятий позволила повысить производительность процесса шлифования инструментальных материалов на 20-30 % , снизить расход СТМ на 15-20 % при обеспечении заданных показателей качества обработки.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Барвинок, Дмитрий Викторович, 2000 год

1. Справочник по алмазной обработке металлорежущего инструмента / Под ред. В.Н Бакуля. К.: Техшка, 1971. - 187 с.

2. Попов С.А., Малевский Н.П., Терещенко JIM. Алмазно-абразивная обработка металлов и твердых сплавов. М.: Машиностроение, 1977. - 263 с.

3. Попов С.А., Дибнер Л.Г., Каменков A.C. Шлифование деталей и заточка режущего инструмента: Учебник для средних проф.-техн. училищ. М.: Высшая школа, 1975. - 311 с.

4. Семко М.Ф., Узунян М.Д., Юфа Э.П. Экономическое обоснование выбора алмазного круга. Харьков: Прапор, 1971. - 99 с.

5. Синьковский Л.К., Есаулов И.В. Алмазное шлифование твердых сплавов: Обзор. М.: Машиностроение, 1981. - 58 с.

6. Урывский Ф.П., Мерзляков A.M., Коротин Б.С. Работоспособность специальных шлифовальных кругов на бакелитовой связке при обработке титанового сплава // Абразивы М.: НИИмаш, 1981.-№2.-С.3-6.

7. Якимов A.B. Оптимизация процессов шлифования. М.: Машиностроение, 1975. - 176 с.

8. Захаренко И.Л. и др. Глубинное шлифование кругами из сверхтвердых материалов. М.: Машиностроение, 1988. - 36 с.

9. Захаренко И.П. Заточка твердосплавного инструмента кругами из синтетических алмазов. К. : УкрНИИНТИ, 1970. - 61-с.

10. Резников А.Н. Современные задачи теплофизических исследований в области резания лезвийными инструментами и процесса шлифования // Теплофизика технологических процессов.- Саратов: Саратовский университет, 1975. Вып. 2. - С. 3-14.

11. Третьяков И.П., Захидов С.Х. Температура на зерне алмазного круга в процессе шлифования // Теплофизика технологических процессов. Саратов: Саратовский университет, 1975. - Вып. 2. - С. 93-96.

12. Металлообрабатывающий твердосплавный инструмент: Справочник / B.C. Самойлов, Э.Ф.Эйхманс, В.А.Фальковский и др.; Редкол.: И.А. Ординарцев (пред.) и др. М.: Машиностроение, 1988. - 368 с.

13. Абразивная и алмазная обработка материалов: Справочник / Под ред. А.Н. Резникова. М.: Машиностроение, 1977. - 391 с.

14. Резников А.Н. Теплофизика процессов механической обработки материалов. М. : Машиностроение, 1981. - 279 с.

15. Ящерицын П.И., Зайцев А.Г. Повышение качества шлифованных поверхностей и режущих свойств абразивно-алмазного инструмента. -Минск: Наука и техника, 1972. 480 с.

16. Область применения алмазных кругов, кругов из карбида кремния зеленого и режимы заточки твердосплавного инструмента: Руководящие материалы. М.: ВНИИ, 1967. - 17 с.

17. Семенченко И.В., Мирер Я.Г. Повышение надежности лопаток газотурбинных двигателей. М.: Машиностроение, 1977. - 160 с.

18. Резников А.Н. Краткий справочник по алмазной обработке.- Куйбышев: Куйбышевское книжное изд-во, 1967. 202 с.

19. Попов С.А., Малевский Н.П. Новый метод оценки режущих свойств абразивных инструментов. М.: Машиностроение, 1959. - 75 с.

20. Глейзер Л.А. О сущности процесса кругового шлифования // Вопросы точности в технологии машиностроения.- М.: Машиностроение, 1959. -С. 112-124.

21. Лурье Г.Б. Шлифование металлов. М.: Машиностроение, 1974. - 212 с.

22. Маталин A.A. Качество поверхности и эксплуатационные свойства деталей машин. М.: Машиностроение, 1956. - 176 с.

23. Богомолов Н.И. Основные процессы при взаимодействии абразива и металла: Автореф. дисс. докт. техн. наук. К., 1969. - 32 с.

24. Бокучава Г.В. Шлифование металлов с подачей охлаждающей жидкости через поры шлифовального круга. М.: Машиностроение, 1959. - 65 с.

25. Ваксер Д.Б. Пути повышения производительности абразивного инструмента при шлифовании. М. - Л.: Машиностроение, 1964. - 123 с.

26. Кузнецов А.М., Голосов И.П. Влияние геометрических параметров синтетических алмазных зерен на их режущие свойства // Станки и инструмент. 1969. - № 12. - С. 28-29.

27. Мацуи М. Механизм резания абразивными зернами. Перевод с яп. яз. // Какай Мокэнюо. 1971.-№ 12.-Р. 1611-1616.

28. Миндлин Я.Б. Заточка, доводка и полирование прецезионного режущего инструмента. М.: Машиностроение, 1975. - 41 с.

29. Байкалов A.K. Введение в теорию шлифования металлов. М.: Машиностроение, 1978. - 202 с.

30. Тимошенко С., Гудиер Дж. Теория упругости. Перевод с англ. яз.// Мс Graw Hill. - 1951. - Р. 357-380.

31. Демкин Н.Б. Контактирование шероховатых поверхностей. М.: Наука, 1970.-227 с.

32. Чеповецкий И.Х. Механика контактного взаимодействия при алмазной обработке. К.: Наукова думка, 1978. - 228 с.

33. Корчак С.Н. Производительность процесса шлифования стальных деталей. М.: Машиностроение, 1974. - 280 с.

34. Смирнов-Аляев Г. А. Сопротивление металлов пластическому деформированию. JL: Машиностроение, 1978. - 368 с.

35. Аранзон М.А. Определение контактных напряжений и сил при резании> ,на основе теории пластичности// Исследование технологических параметров обработки. Куйбышев: КПтИ, 1982. - 181 с.

36. Зорев H.H. Исследования процессов резания в США. М.: Машиностроение, 1978. - 218 с.

37. Губкин С.И. Пластическая деформация металлов. Том 2. М.: Государственное научно-техническое изд-во литературы по черной и цветной металлургии, 1961. - С. 34-35.

38. Гринин Г.П., Дорофеев В.Д. Изменение механических свойств связок алмазных кругов при нагреве //^Синтетические алмазы. 1978. - Вып. 1. - С. 2223.

39. Евсеев Д.Г., Сальников А.Н. Физические основы процесса шлифования. Саратов: СГУ, 1978. - 128 с.

40. Островский В.И. Теоретические основы процесса шлифования. Л.: ЛГУ, 1981.- 145 с.

41. Щиголев А.Г., Виноградов A.A. Расчет сил при резании единичным алмазным зерном // Сверхтвердые материалы. 1981. - № 1. - С. 51-53.

42. Aspensjoe L.B. Scharfeskorn //Maschinemark. 1989. - V. 95. - №4. - S. 3639.

43. Kopalinsky E.M. A new approach to cumulations determin temperature distributing in grinding // Wear. 1984. - V. 94. - №3. - P. 295-322.

44. Salje E., Paulmann R. Grundlegender Vergleich abrasiver Verfahren // Werkstattstechnik. 1989. - V. 79. - №8. - S. 313-315.

45. Волков Д.И. Управление процессом высокопроизводительного шлифования на основе математического моделирования с учетом термомеханических явлений: Дисс. . докт. техн. наук. Рыбинск, 1997. - 411 с.

46. Силин С.С. Метод подобия при резании металлов. М.: Машиностроение, 1979. - 152 с.

47. Лоладзе Т.Н. Прочность и износостойкость режущего инструмента. М.: Машиностроение, 1982. - 320 с.

48. Маслов E.H. Теория шлифования. М.: Машиностроение, 1974. - 319 с.

49. Карслоу Г., Егер Д. Теплопроводность твердых тел. М.: Наука, 1964. -487 с.

50. Лыков A.B. Теория шлифования. М.: Высшая школа, 1967. - 600 с.

51. Якимов A.B. и др. Исследование теплонапряженности процесса и качества поверхности при попутном и встречном шлифовании // Изв. вузов. Машиностроение, 1979. № 11. - С. 134 - 137.

52. Гордеев A.B., Дилигенский Н.В. К расчету контактной температуры при плоском шлифовании переферией круга // Теплофизика технологических процессов. Саратов: СГУ, 1975. - Вып. 2. - С. 82-86.

53. Ипполитов Г.М. Абразивно-алмазная обработка. М.: Машиностроение, 1969.-334 с.

54. Силин С.С., Рыкунов Н.С. Исследование процессов шлифования методами теории подобия // Сб. трудов РАТИ. Ярославль, 1974. - № 2. - С. 2033.

55. Сипайлов В.А. Тепловые процессы при шлифовании и управление качеством поверхности. М.: Машиностроение, 1978. - 167 с.

56. Сухов Е.И. Кинематика и термомеханические явления при глубинном шлифовании деталей газотурбинных двигателей: Дисс. . канд. техн. наук. -Рыбинск, 1983. 260 с.

57. Sayto Y., Nishiwaki N., Ito Y. An investigation of local heat transfer during grinding process effects of pocosity of grinding wheel // Trans. ASME. - 1979. - V. 101.-№2. -P. 97-103.

58. Борисоглебский A.E., Клауч Д.Н. Некоторые особенности тепловых процессов в зоне резания при шлифовании // Тепловые явления: Матер, семинара. М.: МДНТП, 1970. - С. 19-20.

59. Пилинский В.И. Теоретическое и экспериментальное определение температурного поля в изделии при плоском торцевом шлифовании посредством теплового моделирования // Станки и инструмент. 1959. - №1. -С. 39-41.

60. Рыкалин Н.Н. Расчет тепловых процессов при сварке. М.: Машгиз, 1951,-296 с.

61. Moneim A. The tribology of the grinding process: an investigation of the temperature increase during grinding // Wear. 1979. - V. 56. - № 2. - P. 265-296.

62. Редько С.Г. Процессы теплообразования при шлифовании металлов. -Саратов: СГУ, 1962.-231 с.

63. Силин С.С., Рыкунов Н.С., Волков Д.И. Особенности формирования температурного поля при глубинном шлифовании и его влияние на остаточные напряжения // Физика и химия обработки материалов, 1985. № 3. - С. 83-88.

64. Сагарда A.A., Химач O.B. Силы резания и температура в зоне контакта алмазного зерна с металлом // Вестник машиностроения.- 1973.- №6. С. 70-72.

65. Sinhal P., Sahay В., Lal G.K. Forces producted during cutting with single abrasiv grains // Wear. 1981. - V. 66. - №2. - P. 133-144.

66. Мацуо Т. Направления исследования в области шлифования на тяжелых режимах // Сеймицу кикай. 1976. - Т. 42. - № 9. - С. 821-827.

67. Lutz G., Noichl Н. Tiefschleifen // Werkstatt und Betrieb. 1978. - V. 111. -№7.-S. 427-431.

68. Warner P.G. Taking the heat off creep feed // Metallworking Production. -1980. №9.-P. 143-144.

69. Резников A.H. Теплофизика резания. M.: Машиностроение, 1969. - 288с.

70. Силин С.С., Рыкунов Н.С. Расчет термомеханических явлений при шлифовании единичным зерном // Новые методы определения обрабатываемости материалов резанием и шлифованием. Ярославль, 1975. -С. 101-121.

71. Гунтан Г.Н., Костина Г.Н. Приближенный метод расчета остаточных напряжений при симметричном охлаждении пластины // Исследование технологических параметров обработки. Куйбышев: КПтИ, 1982. - С. 107 -114.

72. Оситинская и др. Исследование теплопроводности органических связок // Синтетические алмазы. 1973. - № 4. - С. 13-15.

73. Березовский A.A., Алексанян В.Д. Математические модели расчета температурных полей в абразивных зернах // Нелинейные краевые задачи. К.: Наука и техника, 1980. - С. 5-12.

74. Николаев С.В. Расчет мощности источника тепла при скоростном шлифовании // Изв. вузов. Машиностроение, 1979. №9. - С. 118-120.

75. Лоладзе Т.Н., Бокучава Г.В. Износ алмазов и алмазных кругов.- М.: Машиностроение, 1967. 234 с.

76. Линенко-Мельников Ю.П., Мишнаевский Л.Л. (мл.). Исследование съема материала при врезном шлифовании // Сверхтвердые материалы. 1986. -№2.-С. 210.

77. Худобин Л.В. О сущности процесса засаливания и смазочном действии внешних сред при шлифовании // Вестник машиностроения.- 1970. № 6. - С. 52-55.

78. Королев A.B. Исследование процессов образования поверхностей инструмента и детали при абразивной обработке.- Саратов: СГУ, 1975. 192 с.

79. Попов С.А., Гельфанд А.Е. Усилия, возникающие при шлифовании твердых сплавов алмазными кругами // Станки и инструмент. 1961. - № 11. -С.33-37.

80. Резников А.Н. Алмазные режущие инструменты. Куйбышев: Куйбышевское книжное изд-во, 1964. - 268 с.

81. Электрохимическая заточка твердосплавного инструмента кругами на новых связках / Захаренко И.П., Эпштейн В.М., Савченко Ю.Я., Ижик В.И. -К.: УкрНИИНТИ, 1970. 36 с.

82. Майер Й. Глубокое шлифование твердого сплава алмазными кругами и сравнение этого метода шлифования с другими. Перевод с чешек, яз. // Strojirensca ryroba. 1977. - № 10. - S. 749-750.150

83. Галицкий В.Н. и др. Влияние наполнителей на физико-механические свойства металлических связок на основе Cu-Al-Zn. // Синтетические алмазы. -Вып. 1, 1979. -С. 32- 33 .

84. Филимоненко В.Н., Дагаев H.JI. Плоское шлифование твердых сплавов переферией круга при повышенных глубинах // Станки и инструмент. 1970. -№5. -С. 15-17.

85. Методы определения качества металлокерамических твердых сплавов: Руководящие материалы / Под ред. К.П. Имшенника.- М.: ВНИИ, 1965. 70 с.