Національний технічний університет

„Харківський політехнічний інститут”

Сурду Микола Васильович

УДК 621.923.

Підвищення ефективності шліфування важкооброблюваних матеріалів за рахунок удосконалення кінематики процесів

Спеціальність – 05.03.01 – процеси механічної обробки, верстати й інструменти

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків-2006

Дисертація є рукописом.

Робота виконана в Інституті проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного Національної академії наук України.

Науковий керівник: доктор технічних наук,

старший науковий співробітник

Тарелін Анатолій Олексійович,

Інститут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного Національної академії наук України, м. Харків, заступник директора з наукової роботи;

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор,

Узунян Матвій Данилович,

Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут" Міністерства освіти і науки України, м. Харків, кафедра інтегрованих технологій машинобудування ім. М.Ф. Семка;

кандидат технічних наук, доцент

Краснощок Юрій Степанович,

Харківський державний технологічний університет сільського господарства Мінагрополітики України, м. Харків, кафедра технології матеріалів

Провідна організація: Запорізький національний технічний університет Міністерства освіти і науки України, м. Запоріжжя

Захист відбудеться ,,16“ лютого 2006 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.050.12 у Національному технічному університеті “Харківський політехнічний інститут” за адресою: 61002, м. Харків, вул. Фрунзе, 21.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного технічного університету “Харківський політехнічний інститут” за адресою: 61002, м. Харків, вул. Фрунзе, 21.

Автореферат розісланий ,, 14“ січня 2006 р.

Учений секретар

спеціалізованої вченої ради Пермяков О. А.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Незважаючи на великі успіхи у розвитку теорії шліфування, її су-часний рівень поки ще не дозволяє розрахун-ковим шляхом визначати такі режими шлі-фуван-ня, які б забезпе-чу-вали макси-мально можливу продуктивність при за-даній високій якості об-роб-ки, що ви-ключає, наприклад, навіть вірогідність виникнення дефектів у вигляді шлі-фувальних тріщин та пропа-лин. Кінематика відомих ме-тодів копіювального формоутворення складно-профіль-них поверхонь не забезпечує ви-сокої точності відтворення оброблюваної деталі незалежно, напри-клад, від швидкості оброблюваної поверхні. Не має вона також і фізич-но обґрунтованої від-по-ві-ді на пи-тання про те, як треба організу-ва-ти кіне-матику про-цесу шліфування, щоб проце-си фі-зи-ко-хімічної взаємодії поверхне-во-актив-них речовин (ПАР) змащувально-охолод-жу-валь-них рідин (ЗОР) і юве-ніль--них ділянок оброблюваної по-верхні у контактній зоні протікали най-більш повно і тим самим максимально б сприяли зниженню енергоємності проце-су стружкоутво-рен-ня за рахунок адсорбційно-пластифікуючого ефекту (АПЕ). Саме тому відсутнє і сучасне устатку-вання, яке б дозво-ляло, наприклад, виконувати роз-мір-не шлі-фування профільної частини пе-ра тур-бінних лопаток в автоматичному або напів-авто-ма-тичному режимі.

Таким чином, дослідження, які направлені на вирішення вищезазначених питань, є актуальними, ма-ють як практичне, так і суто теоретичне значення.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація виконана на базі досліджень, які проводилися у відділі загальнотехнічних дослід-жень в енер-гетиці Інституту проблем машино-будування ім. А. М. Підгорного НАН Укра-їни за бюджетними темами: –

“Розробити прогресивну технологію автоматичного шліфування деталей з криволінійними поверхнями, у тому числі турбінних лопаток. Виготовити шліфувальний станок для автоматичного шліфування профілю лопаток” (розпорядження ДКНТ СРСР №274 від 03.08.87 і Постанова Президії АН УРСР №1921 від 10. 09. 1987 р.) №Д.Р. 01870093011;–

1.7.2.206. “Розробка теоретичних основ методів і способів комплексного розв’язання задачі підвищення ефективності та надійності вихлопної частини енергетичних установок” (Постанова ВФТПЕ НАН України №12, §9 від 05.03.1996 р.). №Д. Р. 01970012284;–

05.05.02/0016221 (5.5.1.А) „Створення технологічних та технічних основ підвищення продуктивності та якості шліфування плоских та складних поверхонь деталей із важкооброблюваних матеріалів” за договором з МОН України від 14.07.2003 р. №ДП/292-2003. №Д.Р. 0103U004890, де здобувач був відповідальним виконавцем.

Мета і задачі досліджень. Робота націлена на підвищення якості та ефективності про-це-сів шліфування важкооброблюваних матеріалів за рахунок удосконалення кінематики процесів формоутворення й створення умов для взаємодії компонентів змащувально-охолоджувального середовища з утворюваними під час різання ювенільними ділянками оброблюваної поверхні у достатньому для адсорбційно-пластифі-куючого ефекту обсязі.

У зв’язку з цим виникає необхідність розв’язання таких задач:

1.

2.  

3.

4.

5.

6.

Об’єкт дослідження – процес шліфування важкооброблюваних матеріалів.

Предмет дослідження – кінематика, за якою виконуються вимоги щодо забезпечення умов ефективного шліфування з урахуванням адсорбційно-пласти-фі-куючого ефекту.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження базуються на фундаментальних положеннях теорії шліфування, механіки пластичного деформування та руйнування металів, молекулярно-кінетичної теорії адсорбції. Для розгляду мікромеханізма прояву адсорбційно-пласти-фі-куючого ефекту використано положення теорії дислокацій. Моделювання теплових явищ досліджуваного процесу проведено з використанням числових методів обчислення на ПЕОМ.

Експериментальні дослідження виконувались у лабораторних умовах із застосуванням електронно-обчислювальної техніки та сучасних методів дослідження і вимірювальної апаратури. Зміну властивостей поверхневих прошарків оброблюваних матеріалів визначалися методами рентгеноструктурного аналізу та за допомогою мікротвердоміра ПМТ-3.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Вперше розроблено критеріальні вимоги щодо кінематичного забезпечення умов для зниження енергоємності процесу шліфування з урахуванням адсорбційно-пластифі-ку-ючого ефекту. Це дозволило визначити шляхи підвищення ефективності процесів шліфування важкооброблюваних матеріалів, серед яких виділено удосконалення кінематики формоутворення оброблюваної поверхні.

2. Отримано теоретичні залежності, що пов’язують фізичні властивості інструменту й оброблюваного матеріалу із кінематичними параметрами процесу шліфування, за яких забезпечується можливість зниження енергосилових параметрів стружкоутворення за рахунок умов, що достатні для прояву адсорбційно-плас-ти-фіку-ючого ефекту.

3. Встановлено, що для забезпечення умов зниження енергосилових параметрів стружкоутворення за рахунок адсорбційно-пластифіку-ючого ефекту термін часу між послідовним зніманням стружки з однієї й тієї ж ділянки оброблюваної поверхні не повинен бути меншим за термін часу, який необхідний для утворення на ювенільній поверхні адсорбційного шару, який за оцінками знаходиться у діапазоні 10-310-2с.

4. Доведено, що використання принципів планетарно-врізного та планетарно-спряженного шліфування поверхонь з різною кривизною забезпечує можливість зменшення енергосилових параметрів шліфування за рахунок умов, що достатні для прояву адсорбційно-пластифікуючого ефекту.

5. Вперше встановлено, що лінійна швидкість обертання заготовки, за якої забезпечується зниження енергосилових параметрів круглого шліфування за рахунок умов для адсорбційно-пластифікуючого ефекту в 5-10 разів повинна перевищувати значення, що відомі з практики та нормативно-довідкової літератури.

Практичне значення одержаних результатів

1. Розроблена методика розрахунку раціональних значень кінематичних параметрів процесу формоутворення криволінійних та плоских поверхонь, за яких виконуються критеріальні вимоги щодо адсорбційно-пласти-фі-куючого ефекту під час шліфування, прояв якого спонукає зниження питомої ефективної роботи шліфування в 1,5-3 рази, а температура у зоні різання знижується до величин, за яких виключається ймовірність виникнення шліфувальних тріщин та припалин, при цьому в декілька разів знижуються обсяги витрат змащувально-охолод-жу-вальної рідини. Це сприяє підвищенню ефективності шліфування важкооброблюваних матеріалів

2. Створено експериментальний зразок копіювально-шліфувального верстата для реалізації планетарно-врізного способу шліфування криволінійних поверхонь у разі обробки випуклої частини профілю пера турбінних лопаток з використанням раціональних кінематичних параметрів обробки, за яких забезпечуються умови для адсорбційно-пластифі-ку-ю-чого ефекту під час шліфування та прояву спонукуваних ним переваг. Верстат був виготовлений та застосований в ІПМаш НАН України для виконання планових досліджень за бюджетною тематикою.

3. Для відтворення планетарно-спряженного способу шліфування плоских поверхонь виготовлено промислово-дослідний зразок планетарно-шлі-фу-вальної головки (ПШГ), використання якої дозволило підвищити продуктивність шліфування важкооброблюваних матеріалів (по відношенню до глибинного) в 3-5 разів, при цьому на порядок зменшити (або виключити) обсяг змащувально-охолоджу-валь-ної рідини й повністю виключити ймовірність виникнення шліфувальних тріщин та припалин. ПШГ випробувана на ПО "Ленінградський завод турбінних лопаток" ім. 50-річчя СРСР, м. Санкт-Петербург, ДП НПО “ЗОРЯ-МАШПРОЕКТ” м. Миколаїв та запроваджена на дослідному виробництві ІПМаш НАН України.

4. Створено й випробувано у лабораторних умовах багатомісне пристосування до круглошліфувального верстату для групового планетарно-вріз-ного шліфування заготівок зразків для механічних випробувань, що вирізаються із турбінних лопаток і мають на початку довільну форму. Пристрій дозволяє використання раціональних значень кінематичних параметрів, за яких забезпечуються умови для адсорбційно-пластифі-ку-ю-чого ефекту під час шліфування та прояву спонукуваних ним переваг.

5.  Розроблена конструкторська документація на модернізацію універсального круглошліфувального верстата мод. 3У151 та 3А151 пристроями, які призначені забезпечити можливість відтворення планетарно-врізного способу шліфування профілю пера турбінних лопаток та кулачків кулачкових валів з використанням раціональних кінематичних параметрів.

Особистий внесок здобувача. Всі положення дисертації, що винесені на захист, отримані здобувачем особисто. Постановка задач й аналіз деяких результатів виконані з науковим керівником і частково зі співавторами публікацій. Розробка технічної документації та модернізація устаткування й проведення виробничих іспитів виконані разом зі співробітниками ІПМаш ім. А.М. Підгорного НАН України.

Апробація результатів дисертації. Основні результати досліджень допо-відалися і обго-ворювалися на все-союзній конференції “Над-тверді матеріали та інст-ру-менти у ресурсозберігаючих тех-нологіях” (Інститут надтвердих матеріалів АН Ук-раї-ни, Київ, 1989 р.); Всесо-юзній науково-технічній конференції “Шляхи підви-щення стійкості і надійності різальних та штампових ін-струментів” (Все-со-юз-ний НДІ технології суднового ма-шинобудування “СІ-РІ-УС”, Миколаїв, 1990 р.); YII міжнародній науково-технічній конференції Micro-Cad-99 (Хар-ків 1999 р.); міжнародній науково-технічній конференції "Удосконалення турбо-уста-новок мето-дами математичного і фізичного моделювання" (Харків 2000 р.); Міжна-родному науково-технічному семінарі "Висо-кі технології в ма-ши-нобудуванні" (Україна, Харків – 2000 р.); III Міжнародній конфе-ренції Воднева обробка матеріалів "ВОМ-2001" (Україна, Донецьк – 2001 р.); 1 та 2 міжнародній науково-техні-чній конфе-ренції “Нові технології та розробки в турбогазобудуванні” на базі ОАО КрТЗ “КОНСТАР” (м. Кривий Ріг – 2003 та 2004 рр.).

У повному обсязі дисертація доповідалася на засіданні науково-технічної проблемної Ради „Теплофізика та енергомашинобудування” Інституту проблем машинобудування ім. А.М.Підгорного НАН України, та на семінарі на кафедрі "Різання матеріалів та різальних інструментів".

Публікації. Основні положення дисертації викладені у 21 публікації. З них 7 - статті у фахових виданнях ВАК України, 7 - матеріали конференцій та семінарів, 5 - авторські свідоцтва та патенти на винаходи.

Структура і обсяг роботи. Структура: вступ, 4 розділи, загальні висновки, список використаних джерел, додатки. Обсяг: 237 с., 44 малюнка (40 стор.), 7 таблиць (7 стор.), список літератури з 121 найменувань (10 стор.) і додатків (36 стор.).

Основний зміст роботи

Вступ. У вступній частині обґрунтовується актуальність теми дисертаційної роботи, викла-дається нау-ко-ва новизна, зазначаються положення, які виносяться здобувачем на захист, теоретична та прак-тична цінність отриманих результатів дослід-жень та їхній зв'язок з науковими програмами, темами, планами, подана інформація про апробацію роботи.

У першому розділі проведено аналіз сучасних методів формалізації абразивного інструменту і визначення основних (геометричних, кінематичних, силових та теплових) параметрів про-цесу шліфування. В аналізі зазначається, що теорія абразивної обробки значно розвинена, але її сучасний стан відносно шлі-фуван-ня ще не досяг своєї завершеності і саме цим можна пояснити таке велике різноманіття емпіричних, напівемпіричних та аналітичних формул, які використовують для розрахунку того чи іншого па-ра-метру процесу.

Серед питань, які ще потребують свого вирішення в теорії і практиці шліфування можна виділити сучасні погляди науковців на вплив адсорбційно-плас-ти-фікуючого ефекту (АПЕ) на енергосилові параметри проце-су пластичного деформування і руйнування мета-лів при струж-ко-утворенні. Аналіз літературних джерел показав, що питання стосовно того, які умови створюються і які вони повинні бути у зоні різання, щоб вплив АПЕ був найбільш ефективний в теорії шлі-фування ще не вирішувалися, не-з-ва--жаючи на те, що експерименти показують, що і тип, і фізико-хімічний склад, і спосіб подачі в контактну зону змащувально-охолод-жувальних технологічних середовищ (ЗОТС) має дуже велике зна--чення на всі по-казники процесу шліфування в ці-лому.

Аналізуючи літературні джерела, що стосуються дисертаційної роботи були розглянуті роботи таких відомих учених, як Аввакумов Є. Г., Альохін В. П., Байкалов А. К., Берлінер Є. М., Бутягін П. Ю., Верезуб М. Д., Грабченко А.І., Доброскок В. Л., Євсєєв Д. Г., Іванов В. С., Карпенко Г. В., Колачев Б. Л., Корчак С. М., Коттрел А., Латишев В. Н., Лоладзе Т. М., Маслов Є. Н., Подураєв В. М., Попов С. А., Ребіндер П. О., Резніков А. Н., Сілін С. С., Сіпайлов В. А., Старков В. К., Філімонов Л. М., Філімонов Л. Р., Фінкель В. М., Хрульков В. А., Шальнов В. А., Шаповалов В. І., Щукін Є. Д., Ентеліс С. Г., Федорович В. О., Юнусов Ф. С., Якімов О. В., Ящерицин П. І. та ін.

Проведений аналіз дозволив визначити ос-нов-ні задачі наукового дослід-жен-ня.

У другому розділі розглянуто методичне забезпечення досліджень. Обґрунтовано вибір оброблюваних матеріалів, характеристик шліфувальних кругів, базового обладнання, дослідної вимірювальної апаратури та методики експериментальних досліджень. Розроблено методику оцінки адсорбційного впливу технологічних середовищ (ТС) на пластичне деформування та руйнування металів під час абразивної обробки, яка враховує особливості будови ядра дислокації та механізму впливу на це адсорбованих атомів ТС. Отримано формулу для розрахунку величини рівноважного радіуса ro порожнини повздовж осі ядра дислокації, "внутрішня поверхня" якої може бути електрично заряджена

, | де - модуль зсуву; b – вектор Бюргерса; - питома поверхнева енергія; - ко-е-фіцієнт Пуассона; а – період кришталевої решітки, Q – сумарний електричний заряд дислокації дов-жи-ною, яка дорівнює а; 0 – електрична постійна.

На основі проведених оцінок та аналізу одержаних результатів було розроблено робочу гіпотезу мікроме-ханіз-му впливу адсорбованих атомів ТС на формоутворення та еволюцію ядер дислокацій під час пла-с-ти-чного де-фор-му--ва-ння й руйну-вання ме-тал-ів. Показано, що впли-в технологічного середовища на енергосилові пара-метри плас-тич-ного деформування металів складаєть-ся із комплексу паралельно-послідов-них явищ, від відношення кінетичних парамет-рів яких та їхніх тем-пературно-швид-кісних умо-в (ТШУ) здій-с-нення і залежить інтенсивність і ступінь прояву АПЕ.

Запропоновано методи критеріальної оцінки кінетичних умов щодо можливості прояву АПЕ у зоні контакту під час шліфування, які базуються на такому:

1. Проміжок часу (р) між послідовним зні-ман-ням стружки з однієї й тієї ж ділянки оброблюваної поверхні не повинен бути меншим ніж латен-т-ний період х часу розвитку АПЕ, тобто

Sr = р/х 1.(1) | 2. Кількість атомів (молекул) к середовища, яке підводиться у кон-тактну зону до ювенільних ділянок поверхні, повинна бути достатньою для того, щоб здійснилася повномасштабна адсорбція, тобто щоб утворився адсорбційний шар з показником =1. Аналітично цей критерій мож----на подати у вигляді

к/ад Р,(2) | де ад кількість атомів (молекул) у адсорбційному шарі, Р >> 1.

З урахуванням схе-ми Бутягина під час аналізу кінетики адсорбційних процесів у разі абразивного різання мета-лів та положень запропонованої гіпотези мікромеханізму АПЕ вищенаведені критеріальні вимоги (1) і (2) приведено до вигляду:

(4) | де – ймовірність хімічної реакції під час зіткнення; p – тиск середовища у вигляді газу; m – маса адсор-бованих молекул середовища; T– температура; k– стала Больцмана; - коефіцієнт пропорцій-нос-ті; - доля поверхні, яка зайнята адсорбованою речовиною; Q - енергія активації процесу десорбції; - середньостатистична товщина елементарної стружки; а – період кришталевої решітки; 0 – час загибелі центрів адсорбції, - початкова та кінцева щільність дислокацій; Sп – поперечна подача; d – діаметр виробу; h – глибина розподілен-ня дислокацій; - коефіцієнт; В – висота абразивного кругу.

, | (5) | де hcp - середня висо-та пори, яка утворюється між кругом та оброблюваною поверхнею, Vп; NA – число Авогадро; V0 – нормальний об’єм 1 г/моля ре-човини.

Розрахунками було встановлено, що за відомих методів та режимів шліфування ні вимога (4), ні вимога (5) не виконуються, оскільки було одержано, що Sr=р/х=(0,00145ч0,184)<<1, а Отриманий ре-зультат вказує на причини протиріч у виснов-ках різних науковців щодо мож-ливості і харак-теру впливу АПЕ на енерго-си-ло-ві параметри процесу стружко-утворення під час шліфування.

Для дослідження впливу кінематики формоутворення на теплові явища контактної зони, від яких багато в чому залежить формування фі-зи-ко-механіч-них влас-тивостей поверх-не-во-го ша-ру, було роз-роб-лено відповідну мо-дель. Основна частина теплових дослід-жень зводилася до вирі-шення задачі нестаціо-нарної теплопровідності у двовимірній постановці для прямокутного об’єкту.

У зоні різання, яка має фіксовані роз-мі-ри, до поверхні оброблюваної деталі підво-ди-ть-ся те-п-ловий потік, величина якого змінюється з часом (в імпульсному режимі з періодом р) і по координаті й визначається силови-ми пара-метрами процесу різання. Як голов-ний фактор розглядалось форму-вання температурного поля у поверхневому ша-рі контактної зони в залежності від часу. Зв’язок теплового стану об’єкта з нав-ко-лишнім повітрям або ЗОР встановлюється шляхом завдання температури навколишнього середовища Tср та кое-фі-цієн-та теп-ловіддачі . На поверхні деталі виді-ле-но пять ділянок із різними за величиною Tср і . Для числового вирішення система диференційних рівнянь вихідної моделі перетворю-валась шляхом скінченно-різницевої апроксимації в систему нелінійних алгебраїчних рівнянь, які можна було вирішувати методом ітерацій.

На основі проведеного аналізу зроблено висновок, що для підвищення ефективності стружкоутворення за рахунок забезпечення у зоні різання умов для АПЕ кінематика процесів шліфування потребує удосконалення, шляхи якого слід визначити.

У третьому розділі розглянуто способи інтенсифікації процесу шліфування. Показано, що під-вищення ефективності шліфування за рахунок забезпечення критеріальних вимог (1) і (2) у загальному випадку можна досягти такими способами: 1) кінематичними (удос-кона-лен-ня кі-нематики процесу шліфування); 2) фізико-хімічними (різноманітні засоби активації процесу хімічної адсорбції); 3) комбінованими (одночасне збіль-шення р та змен-шення х).

Кінематичний спосіб. Із аналізу кіне-ма-тики процесу шлі-фу-вання, ви-пливає, що для того, щоб збільшити про-міжок часу (р)i взаємодії компонентів ЗОТС с юве-нільною поверхнею, необхідно встановити таке співвідношення між лінійною швид-кістю Vк рі-жучої поверхні інструменту і лінійною швидкістю Vд переміщення оброблюваної поверхні виробу, щоб виконувалася вимога:

, | де - середньостатистична відстань між різальними зернами, які розташовані одне за одним; - довжина дуги контакту або зони різання.

Виконання цієї вимоги для круглого шліфування означає, що ювенільна поверхня, яка утворюється під час знімання стружки i різальним зер-ном, ви-хо-дить із зони різання і знову до неї ввійде тільки через про-мі-жок часу, який необхідно для одного оберту ви-ро-бу навколо осі обер-тання.

Для аналітич-ного розрахунку зазначеної величини швидкості Vд обертання виробу у разі круглого шліфу-вання здобуто формулу

, | (6) | де rд радіус оброблюваної поверхні виробу; Rк радіус різальної поверхні абразивного круга; t глибина шліфуван-ня; p(0,08...0,15)m; m середня відстань між зернами.

Оцінки, проведені за формулою (6), показали, що для граничних значень режимних параметрів лінійна швидкість обертання оброблюваної поверхні виробу, за якої забезпечуються вимоги для прояву АПЕ у найбільш повній можливій мірі, знаходиться у діапазоні Vд 2,512 м/с. Це значно перевищує ті значення, що перед-ба-чені нормативно-довідковою літературою. -

Для уможливлення використання таких режимів швидкості оброблюваної поверхні під час шліфування виробів зі складною криволіній-ною поверх-нею було роз-робле-но спо-сіб формоутво-рення криволіній-них поверхонь ме-то--дом планетарно-врізного шліфу-вання, схему якого зображено на рис.1. За--да-ну форму оброблюваної по-верхні виро-бів, на-при-к-лад турбінних лопаток, одер-жують у ви-гля-ді кусково-неперервної лі-нії, що скла-дається із формуючих у вигляді ді-лянок кругових цилін-д-рів поверхонь, які утворю-ю-ть-ся під час перемі-щення виробів за траєкто-рією окружності в процесі керування їх куто-вими по-ло-жен-ня-ми навколо планетарних осей та радіусом кри--ви-з-ни Rфi фор-му-ючих цилінд-ричних поверхонь.

Цей спосіб було покладено в основу розробки будови ко-пі-ю-валь-но-шлі-фуваль-ного вер-с-тата для обробки про-філю пера турбінних лопа-ток.

Визначення подовжньої подачі. Під час визначення режимів подовжньої подачі використано розрахункову схему, що зображено на рис. 2, та прийняті такі умови:

1.

2.

За таких умов одержано формулу для розрахунку величи-ни подовжньої подачі:

,

де np – середньостатистична щільність різальних абразивних зерен; Rк – ра-діус різальної поверхні абра-зив-ного круга; Rфi – поточне значення радіуса форму-ючого кола; – середньостатистична тов-щина стружки, що знімає-ться різальним абразивним зерном; 2 – кут дуги контакту різального виступу абра-зивного зерна з об-роблюваною поверхнею; Sc – площа криволінійного трикутника АiВiВi+1 (див. рис. 2); – кут косо-го шліфування.

Визначення кутової подачі на строчку. Послідовне обертання лопатки навколо плане-тар-ної осі окремо на кожну стрічку визначається за вимоги, що глибина шліфування не буде пере-ви-щувати граничнодопустимої величини [t]. У даному випадку як параметр [t] вибираєть-ся середньостатистична товщина стружки az, тоб-то, [t]=az м. Методика визначення кутової подачі виробу на строчку полягає в такому.

1.

, | (7) | де FxA1; yA1 - значення похідної у точці А1 від функції Fоx; y=0, яка описує профіль готового виробу.

2.

. | (8) | 3.

(9) | 4. Визначаються координати точки В1, що лежить на перетині лінії профілю заготовки з лінією окружності, що формує точку А1

. | (10) | 5. Вибирається наступна точка обробки Аi = А2 і аналогічно з попереднім за формулами (7)-(10) визначаються координати точки Окр2 і значення 2 і Rф2.

6. Перевіряється виконання вимоги обмеження

, | (13) | де - число яке визначає задану точність виконання умови.

Якщо вимога (13) не виконується, то необхідно задати нове положення точки Аi+1, яке бу--де ближче до точки Аi, і знову повторити розрахунки за згаданим алгоритмом. Ця про-цедура повторю-ється до виконання вимоги (13), після чого величина кутової подачі на строчку визнача-ється як .

Так визначаються кутові подачі на строчку для всіх ділянок готового профілю.

Визначення лінійної швидкості Vд оброблюваної поверхні. На етапі врізання (під час формування ділянки з точкою А1) швидкість Vд визначається за формулою (6), але при цьому замість rд використовуються значення Rф1, а на етапі здійснення подовжньої подачі поперечна подача Sп визначається за формулою Sп=Sпрtg.

За вищенаведеним алгоритмом можна визначати режими планетарно-врізного шліфуван-ня будь-яких виробів із монотонною криволінійною поверхнею, яку можна сформувати у вигляді кусково-неперервної поверхні із ділянок кругових циліндрів.

Проведений аналіз показав, що використання планетарно-врізного розмірного шліфування виробів з криволінійною формою оброблюваної поверхні доз-воляє, по-перше, підвищити точність обробки таких складних поверхонь, як турбінні лопатки, кулачкові розподільні вали і т. і., а по-друге – підвищити якість оброблюваної поверхні шляхом використання раціональних кінематичних параметрів, які забезпечують значне зниження енергоємності та теплонапруженості процесу за рахунок АПЕ.

Інтенсифікація шліфування плоских поверхонь. Розроблено спосіб планетарно-спряженного шліфування плоских поверхонь, який передбачає використання спеціальної плане-тар-но-шліфу-ва-ль--ної головки (ПШГ) й дозволяє вести обробку в ре-жи-мі маятникового та врізного шлі-фування і забезпечує виконання вимог (1) та (2) для прояву АПЕ в найбільш повній можливій мірі. Спосіб включає етапи пра-в-ки інструменту, чорнової та чистової обробки і полягає в такому.

Як абра-зив-ний інструмент беруть ПШГ (рис. 3), абразивні круги якої мають ділянки для чистової та чорно-вої оброб-ки. При цьому ділян-ки для чистової обробки формують у вигляді поверхні, спряженої з по-верх-нею гото-вого виро-бу, а ділянки для чорнової обробки формують у вигляді поверхні, спряженої з площиною, яка роз-та-шо-ван-а по відношенню до ділянки для чистової обробки під кутом, де - глибина шліфування; L - довжина ділянки чорнової обробки.

Шліфування ведуть зі швидкістю подовжньої подачі де [az] – гранично допустима величина припуску, що знімається зерном за один прохід; m - кількість абра-зив-них кругів на ПШГ; кр - кутова швид-кість обер-тан-ня ПШГ, яку визначають за вимоги забезпечення умов для АПЕ за формулою .

Визначення режиму катодної поляризації виробів під час шліфування. Зроблено при-пущення, що раціональною ефективність електрохімічного шліфування буде тоді, коли кількість протонів (катіонів), які під-во-дять-ся до ювенільної поверхні, буде співпадати з кількістю центрів ад-сорбції, що знахо-дяться на утвореній ювенільній поверхні. За таких умов здобуто формулу для розрахунку величини струму катодної поляризації оброблюваної поверхні, яка має вигляд

, | (14) | де е – елементарний заряд, – радіус ріжучого виступу абразивного зерна.

Аналіз формули (14) показує, що з урахуванням впливу насичення воднем на енергоєм-ність стружкоутворення раціональна величина струму катодної поляризації залежить як від чисто режимних параметрів шліфування, так і від характеристик абразивного інструменту та влас-тивостей оброблюваного металу.

Четвертий розділ присвячено експериментальним дослідженням. Досліджено вплив кінематичних параметрів та катодної поляризації оброблюваної поверх-ні на енергетичні та силові показники процесу круг-лого шліфування таких важкооброблюваних матеріалів, як 20Х13Ш, ЭИ957, ЖС6-К та інструментальної сталі У8А та на розподіл фізико-механічних властивостей сформованого поверхневого шару по глибині, які визначалися методом виміру мікротвердості та рентгеноструктурних досліджень й зображено на рис.4 9.

Як видно з графіків (див. рис.4 –7), енергетичні та силові показники про-це-су круглого шлі-фування досліджених матеріалів значно залежать як від швидкості подачі Vд, так і від наявності катодної поля-риза-ції оброблюваної поверхні. Так, із зрос-танням Vд (див. рис. 4), в усьому дослідженому діапазоні інтенсивності Wi [мм2/с] шліфування пито-ма танген-ці-альна складова сили шліфування Рz [Н/мм] та питома ефективна робота, зменшуючись, сяга-ють свого мінімуму за таких величин Vд, коли виконуються критеріальні вимоги (1) і (2). При цьому, якщо контурна подача виробу Vд, за якої досягається мінімум тангенціальної складової сили шліфування Рz, залежить від інтенсивності шліфування Wi [мм2/с], то абсолютне міні-мальне значення Рz майже не залежить. Аналогічно змінюється і залежність питомої роботи Ауд шліфування від швидкості оброблюваної поверхні (див. рис. 5) та проміжку часу р (див. рис. 6). Слід відзначити, що за умов використання раціональної швидкості оброблюваної поверхні (за якої критеріаль-ні умови прояву АПЕ виконуються) питома ро-бота шлі-фування Ауд сягає міні-муму і майже не залежить від інтенсивності шліфування (див. лінію 6 на рис. 6 і лінію 4 на рис. 7). Катодна поляриза-ція оброблюваної поверхні найбільший вплив на Рz та Ауд чинить в основному за малих значень швидкості оброблюваної поверхні Vд0,7 м/с, тобто за відомих режимів шліфування (див. рис. 4 -5 і рис. 7). Коли ж Vд > 2,5 м/с, то катодна по-ляризація при-во-дить до збільшення Ауд в порівнянні зі шліфуванням без катод-ної поляризації (див. рис. 5). Однак застосування ка-тод-ної по-ля-ри-за-ції при-во-дить до збільшення з-но-со-стій-ко-сті аб-ра-зив-ного інструменту. Що ж до елек-три-чних па-ра-мет-рів насичення катодним воднем, то для дослідженої ін-тен-сив-но-сті шлі-фу-ва-ння ме-тал-ів і використання в якостіі ЗОТС 35% со-до-во-го розчину, ра-ціо-наль-ною виявилася густина електричного струму ка-тод-ної по-ля-ри-за-ції [j]=15002000 (А/м2).

Моделювання теплового стану зони різання. Розрахунки показали, що на тепловий стан зони різання під час шліфування дуже впливають кінематичні параметри процесу. Встановлено, що за традиційних режимів шліфування, коли Vд=0,26 м/с, температура на поверхні зони різання (рис.10 а) сягає найбільших значень (Т700С). У разі збільшення швидкості Vд переміщення оброблюваної поверхні відносно інструменту вона зменшується (див. рис. 10 б і 11 а) і сягає мінімальних значень за умов забезпечення критеріальних вимог щодо прояву адсорбційного ефекту, за яких на поверхні металу температура сягає 150200 С (див. рис. 11 б) для круглого шліфування й 60-120С (рис. 12) для планетарно-спряженного навіть без застосування ЗОР, що й підтвердили випробовування.

Таким чином, забезпечення критеріальних вимог щодо прояву адсорбційного ефекту сприяє значному зниженню інтенсивності теплових явищ зони різання і тим самим повинно сприяти підвищенню міцності та якості оброблюваних поверхонь.

Фізико-механічні показники. Роз-по-діл мікротвердості (див. рис. 8, лінія 2) та залишкових мікронапружень (див. рис. 9, лінії 1-3) в поверхне-во-му шарі зразків оброблених за відомих режимів, тобто коли Vд м/с, зростає від мінімальних значень на поверхні до максимальних на глибині, причому, за інших рівних умов, характер розподілення і темп зростання за-ле-жить від інтенсивності шліфування. Шліфування за умов прояву АПЕ в найбільшій мірі (у даному випадку коли Vд = 5,5-7,5 м/с) сприяє зміні характе-ру розподілення по глибині поверхневого шару і мікротвердості (див. рис. 8 лінія 1), і мікронапруження (див. рис. 9 лінії 4-6). Найбільша мікротвердість й найбільше мікронапруження виникає на поверхні й знижуються по глибині до вихідних значень.

ВИСНОВКИ

1. Запропоновано методику критеріальної оцінки наявності умов для прояву адсорбційного ефекту під час шліфування. Визначено, що досягнення зазначених вимог можливе за рахунок керування кінематичними параметрами процесу, або за рахунок електрохімічних, хімічних та інших впливів на процес взаємодії мастильно-охолоджувального технологічного середовища з оброблюваною поверхнею, або за рахунок одночасного використання того й іншого водночас.

2. Розвинене уявлення відносно механізму впливу адсорбованих атомів на утворення та еволюцію ядер дислокацій, що стало основою робочої гіпотези мікромеханізму адсорбційного ефекту та було використане під час розробки методики розрахунку латентного періоду його розвитку в процесі шліфування.

3. Теоретично обґрунтовано й експериментально досліджено кінематичний спосіб інтенсифікації процесу круглого шліфування за рахунок забезпечення критеріальних вимог для прояву адсорбційно-пластифікуючого ефекту шляхом регулювання лінійної швид-кості Vд обертання оброблюваної поверхні. Встановлено, що, в залежності від розмірів та властивостей абразивного кругу й виробу, раціональні значення лінійної швидкості Vд, за якої виконуються критеріальні вимоги, обіймають діапазон Vд3,5...14 м/с, що в ч10 разів перевищує значення, відомі з практики.

4. Виявлено, що використання раціональних значень кінематичних пара-метрів шліфування, за яких забезпечуються критеріальні умови для прояву адсорбційно-пластифікуючого ефекту, якісно змінює процес стружкоутворення та сприяє підвищенню його ефективності, яке виявляється як:

– зменшення енергетичних та силових параметрів у 1,5-3 рази;

– зниження температури у зоні різання до значень, за яких повністю виключається ймовірність виникнення шліфувальних тріщин та припалин;

– підвищення мікротвердості поверхні та зміна на краще розподілу фізико-механіч-них показників утворюваних поверхонь по глибині;

– зменшення на порядок потреб у витратах охолоджувальної рідини, причому вимоги до їхніх фізико-хімічних властивостей стають менш критичними.

Крім того, у 2-5 разів підвищується стійкість та зносостійкість абразивного інструменту. Встановлено також, що планетарно-сполу-че-ний спосіб шліфування за допомогою планетарно-шліфувальної головки дозволяє вести високоякісну глибину обробку навіть без застосування мастильно-охолоджувальних рідин.

5. Експериментально встановлено, що за відомих кінематичних параметрів круглого шліфування доцільне застосування катодної поляризації оброблюваної поверхні поза зоною різання, що дозволяє у 1,2-1,5 рази знизити питому ефективну енергоємність процесу стружкоутворення, підвищити зносостійкість абразиву у 1,5-3 рази й покращити показники фізико-механічних властивостей оброблюваної поверхні.

6. Запропоновано та обґрунтовано оригінальні способи та будови пристроїв для групового планетарно-врізного й планетарно-спряженого шліфування складних криволінійних та плоских поверхонь виробів типу турбінних лопаток, кулачкових валів, зразків для механічних випробовувань і т. і., які дозволяють кінематичне забезпечення критеріальних вимог для прояву адсорбційно-пластифікуючого ефекту під час шліфування зі всіма їхніми перевагами.

7. Розрахунками показано, що за кінематичного забезпечення умов для прояву адсорбційно-пластифікуючого ефекту (коли р х) температура у зоні різання знижуються в 3,5-6 разів і не перевищує 150 С для круглого шліфування без охолодження рідиною та 60 С – для планетарно-спряженого. Це дозволяє повністю виключити ймовірність виникнення шліфувальних тріщин та припалин й спростити вимоги до вибору мастильно-охолоджувальних рідин.

8. За розробленими способами шліфування створено експериментальні зразки пристроїв, які пройшли успішні випробовування у лабораторних та промислових умовах й підтвердили очікувані результати. Окремі результати дисертаційної роботи були впроваджені на дослідному виробництві Інституту проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України та були використані при виконані науково-дослідних робіт за бюджетними та хоздоговірними темами, про що свідчать відповідні протоколи іспитів та акти впровадження.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. А. А. Тарелин, Н. В. Сурду. Планетарно-врезное шли-фование изделий с аэроди-на-мичес-ким профилем ти-па турбинных лопаток // Пробл. машиностроения. – Харьков, 1998. – Т. 1. – №2. – с.109-116.

Здобувач приймав участь у постановці задачі й розробив методику та алгоритм розрахунку кінематичних параметрів процесу планетарно-врізного шліфування виробів з аеродинамічним профілем.

2. Н. В. Сурду. Адсорбционное влияние сред при шлифовании // Пробл. машиностроения. – Харьков, 1999. – Т. 2. – №1-2. – с.106-113.

3. Н. В. Сурду. Минимизация подачи СОТС в зону шлифования путем совершенствования кинематики процесса // Високі технології в машинобудуванні. - Харьков: НТУ "ХПІ", 2000. – с. 253-259.

4. Н. В. Сурду, А. И. Долматов, А. Ф. Горбачев, А. А. Горбачев. Влияние скорости круговой подачи и катодной поляризации обрабатываемой поверхности на эффективность круглого врезного шлифования // Вопросы проектирования и производства летательных аппаратов. – Харьков: НАКУ "ХАИ", 2000. – Вып. 21 (4) . – С.130-140.

Здобувач розробив методику обробки експериментальних результатів, та здійснив їхній аналіз.

5. Н. В. Сурду, А. И. Долматов, А. Ф. Горбачев, А. А. Горбачев. Повышение эффективности шлифования путем совершенствования кинематики процесса // Вопросы проектирования и производства летательных аппаратов. – Харьков: НАКУ "ХАИ", 2000. – Вып. 22 (5) . – С.118-124.

Здобувачем визначено основні вимоги що до методів удосконалення кінематики процесів формоутворення виробів, та здійснено основні узагальнення.

6. Н. В. Сурду. Мик-роме-ха-низ-м влияния сред на пла-с-ти-че-ско-е де-фор-ми-ро-ва-ние и разрушение ме-тал-лов. Часть 1. О наличии полости вдоль оси дислокации // Вопросы проектирования и производства летательных аппаратов. – Харьков: НАКУ "ХАИ", 2000. – Вып. 23 (6) . – С.116-123.

7. Н. В. Сурду. Мик-роме-ха-низ-м влияния сред на пла-с-ти-че-ско-е де-фор-ми-ро-ва-ние и разрушение ме-тал-лов. Часть 2. Модель микромеханизма // Вопросы проектирования и производства летательных аппаратов. – Харьков: НАКУ "ХАИ", 2001. –Вып. 24 (1) . – С.139-147.

8. Н. В. Сурду. Планетарно-сопряженное шлифование плоских поверхностей изделий // Матеріали міжнар. наук.-практ. конф. Ін-формаційні технології: наука, техніка, технологія, освіта, здоров’я. – Харків: НТУ "ХПІ", 1999. – Вип. 7. – Ч 2. – с. 202-207.

9. Н. В. Сурду. Повышение эффективности шлифования путем совершенствования кинематики процесса // Оборудование и инструмент для профессионалов. – Харьков. –2004. – №2 (49). – С.32-36.

10. Н. В. Сурду, А. А. Тарелин. "Холодное" шлифование – реальность? // Бизнес-мост. – Харьков. – 2004. – №2 (21) . – С. 15- 17.

Здобувач провів обробку та аналіз результатів експериментальних досліджень та брав участь у розробці узагальнень.

11. Пат. №1732599 РФ, МКИ В24В 1/00. Способ абразивной обработки деталей / Н.В. Сур-ду, А.А. Тарелин, А.Ф. Горбачев, Э.В. Подольский. (Украина) - №4739272; Заявл. 20.09.89; Опубл. 19.03.93, Бюл. № 25. – 3 с., ил.

Здобувач брав участь у розробці формули винаходу та розробив алгоритм розрахунку швидкості обертання оброблюваної поверхні.

12. А.с. №1682131 СССР, МКИ В24В 19/14, В23Q 35/00. Копировально-шли-фовальный станок / Э.В. Подольский, А.А. Тарелин, Н.В. Сурду. (Украина). – №4763629; Заявл. 17.10.89; Опубл. 07.10.91, Бюл. №37. – 3 с.

Здобувач брав участь у розробці формули винаходу та розробив алгоритм розрахунку подачі оброблюваної поверхні навколо планетарної осі обертання.

13. Пат. №7840 Україна, МКИ В 24 В 51/00. Спосіб шліфування склад-них поверхонь та пристрій для його здійснення / Сурду Н.В., Тарелін А.А., Горбачов О.Ф., Криженко В.П. (Україна). – №1378228/SU; Заявл. 05.08. 86; Опубл. 26.12.95, Бюл. №4. – 3 с.

Здобувач запропонував пружний контакт інструменту з виробом, за якого під час обробки радіальну складову сили шліфування регулюють пропорційно площі контакту інструменту з виробом, та обґрунтував можливість здійснення способу шліфування.

14. Пат. №2066268 РФ, МКИ В24В 1/00 Способ шлифования / Н.В. Сурду, И.М. Буюкли, А.А. Тарелин, А.Ф. Горбачев. (Украина). – №5064223; Заявл. 05.10.92; Опубл. 10.09.96, Бюл. №25.– 5 с.

Здобувач брав участь у розробці формули винаходу та алгоритму розрахунку повздовжньої подачі, крім того, обґрунтував можливість здійснення способу шліфування.

15. Пат. №2080238 РФ, МКИ В 24 В 51/00. Способ шлифования / Н.В. Сурду, Э.В. Подольский, А.А. Тарелин, А.Ф. Горбачев. (Украина). – №5064219; Заявл. 05.10.92; Опубл. 27.05.97, Бюл. № – 5 с.

Здобувач брав участь у