Full Text

Финишная обработка деталей из алюминиевых сплавов по зачистке поверхностей с целью уменьшения параметров шероховатости, устранения дефектов на поверхностном слое от предыдущей операции, удаления заусенцев и скругления кромок может эффективно осуществляться вращающимися абразивными инструментами на гибкой (полимерной) связке. Изучению процесса взаимодействия эластичных полимерно-абразивных кругов с обрабатываемой поверхностью посвящен ряд работ [1-19]. Однако на сегодняшний день недостаточно изучен вопрос формирования поверхностного слоя деталей при таком виде обработки. Для научно обоснованного выбора эластичных полимерно-абразивных инструментов и режимов обработки необходимы знания об их влиянии на показатели качества поверхностного слоя. Шероховатость обработанной поверхности Достижимая шероховатость формируется в процессе обработки независимо от исходного состояния обрабатываемой поверхности. Ее параметры зависят от условий, режимов обработки, а также свойств обрабатываемого материала. Если шероховатость поверхности до обработки была меньше достижимой, то в процессе обработки она увеличивается; если больше, то уменьшается до значения достижимой [20-22]. Для проведения экспериментальных исследований использовались эластичные полимерно-абразивные круги компании 3M, показанные на рис. 1-3 и изготовленные из абразивного материала Scotch-Brite™. Параметры данных эластичных полимерно-абразивных кругов приведены в табл. 1. Рис. 1. Прессованные круги марки FS-WL Рис. 2. Прессованный круг марки DB-WL Рис. 3. Лепестковый круг марки CF-FB Таблица 1 Параметры эластичных полимерно-абразивных кругов Круг Dk, мм Bk, мм rk, мм dk, мм Mk, кг γk, кг/м3 Абразив Зернистость Z, мкм FS-WL-8AMED 140,5 26 17.5 25,4 0,278 712,77 Al2O3 50-60 FS-WL-6SFIN 129,5 25,5 17,5 25,4 0,162 501,63 SiC 45-50 FS-WL-2SCRS 147,2 26 17,5 25,4 0,162 377,37 SiC ~200 DB-WL-8SMED 147,8 25,6 17,5 25,4 0,284 666,29 SiC 50-60 CF-FB-0,5AFIN 193 50 45 76,5 0,418 339,03 Al2O3 45-50 Примечание: Dk - диаметр круга, мм; Bk - ширина круга, мм; rk - радиус втулки круга, мм; dk - диаметр отверстия, мм; Мk - масса круга, кг; γk - плотность материала круга, кг/м3. В качестве обрабатываемого материала использован сплав В95пчТ2, как типовой представитель высокопрочных алюминиевых сплавов, широко применяемых в авиастроении. Эксперименты по установлению зависимостей шероховатости по параметру Ra от режимов обработки проводились на опытных образцах, представляющих собой пластины размером мм (рис. 4) на вертикальном обрабатывающем центре Deckel Maho DMC 635V. Рис. 4. Опытный образец Продольная и поперечная шероховатость по параметру Ra измерялась на профилографе-профилометре Taylor Hobson Form Talysurf i200 (рис. 5). В результате проведения экспериментальных исследований установлено, что поперечная шероховатость по параметру Ra увеличивается с ростом деформации круга (рис. 6). Это объясняется тем, что с увеличением деформации растет вертикальная составляющая силы, а следовательно, увеличивается глубина внедрения единичных зерен в обрабатываемый материал. Рис. 5. Профилограф-профилометр Taylor Hobson Form Talysurf i200 С увеличением скорости резания поперечная шероховатость по параметру Ra также растет (рис. 7). Это объясняется тем, что с увеличением скорости растет центробежная составляющая силы удара абразивного зерна по обрабатываемой поверхности. От продольной подачи поперечная шероховатость не зависит. Это видно на рис. 8 и подтверждено дисперсионным анализом при доверительной вероятности 0,95 [23], результаты которого приведены в табл. 2. Ra, мкм ΔY, мм 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 5 3 2 0 0,5 2 2,5 1,5 1 Ra, мкм ΔY, мм 0,5 1 1,5 2 1 4 0 0,5 2 2,5 1,5 1 3 3,5 Рис. 6. Зависимость параметра шероховатости Ra от деформации ΔY при S = 130 мм/мин для кругов: 1 - FS-WL 8A MED при V = 441,4 м/мин; 2 - FS-WL 6S FIN при V = 406,8 м/мин; 3 - FS-WL 2S CRS при V = 464,4 м/мин; 4 - DB-WL 8S MED при V = 464,3 м/мин; 5 - CF-FB 0,5A FIN при V = 606,3 м/мин Ra, мкм 250 350 450 550 650 0 1,5 1 0,5 2 3 2,5 1 5 3 4 Ra, мкм 3,5 1 2 1,5 4 750 850 V, м/мин 950 700 2 250 350 450 550 650 0 0,5 V, м/мин Рис. 7. Зависимость параметра шероховатости Ra от скорости резания V при подаче S = 130 мм/мин для кругов: 1 - FS-WL 8A MED при ΔY = 1,5 мм; 2 - FS-WL 6S FIN при ΔY = 1,5 мм; 3 - FS-WL 2S CRS при ΔY = 2,5 мм; 4 - DB-WL 8S MED при ΔY = 1,5 мм; 5 - CF-FB 0,5A FIN при ΔY = 4 мм Ra, мкм S, мм/мин 100 200 300 400 3 2 0 0,5 2 2,5 1,5 1 3 1 Ra, мкм S, мм/мин 100 200 300 400 5 0 0,5 2 2,5 3 1,5 1 4 Рис. 8. Зависимость параметра шероховатости Ra от продольной подачи S для кругов: 1 - FS-WL 8A MED при V = 441,4 м/мин, ΔY = 1,5 мм; 2 - FS-WL 6S FIN при V = 406,8 м/мин, ΔY = 1,5 мм; 3 - FS-WL 2S CRS при V = 457,9 м/мин, ΔY = 2,5 мм; 4 - DB-WL 8S MED при V = 464,3 м/мин, ΔY = 1,5 мм; 5 - CF-FB 0,5A FIN при V = 606,3 м/мин, ΔY = 4 мм Таблица 2 Результаты дисперсионного анализа зависимостей Ra от подачи S Марка круга Функция SA2, мкм2 S02, мкм2 F = SA2/S02 Значимость влияния фактора FS-WL 8AMED Ra = f(S) 0,053 0,259 0,204 Не значимо FS-WL 6SFIN 0,036 0,044 0,812 Не значимо FS-WL 2SCRS 0,127 0,096 1,327 Не значимо DB-WL 8SMED 0,145 0,072 2,007 Не значимо CF-FB 0,5AFIN 0,263 0,125 2,106 Не значимо Полученные зависимости шероховатости обработанной поверхности по параметру Ra аппроксимированы выражением Ra = a1DY2 + a2V2 + a3DY + a4V + a5DYV + a6, (1) где V - скорость резания, м/мин; DY - деформация круга, мм. Значения коэффициентов a1-a5 и свободного члена a6 уравнения (1) приведены в табл. 3. Исследования достижимой продольной шероховатости показали, что Raпрод для всех использованных эластичных полимерно-абразивных кругов не зависит от заданных режимных параметров обработки. Таблица 3 Значения коэффициентов и свободного члена в уравнении (1) Коэффициент FS-WL 8A MED FS-WL 6S FIN CF-FB 0,5A FIN DB-WL 8S MED FS-WL 2S CRS a1 0,053 265 41 2,898 29·10-3 6,666 67·10-3 0,106 131 15 0,098 297 a2 1,132·10-6 9,908 57·10-7 6,666 67·10-7 -1,556 15·10-7 6,746·10-7 a3 0,031 161 26 6,125 33·10-6 0,019 68 0,064 689 23 0,0131 788 a4 -1,2031·10-4 3,8861·10-4 7,317 43·10-5 9,905·10-4 6,061·10-4 a5 4,9298·10-4 4,531 83·10-4 2,792 89·10-5 2,3847·10-4 5,708·10-4 a6 1,201 14 0,45 1,11 0,6 1,02427 Таблица 4 Доверительные границы достижимой Raпрод и предельные экспериментальные значения Марка круга Raпрод Ra (max) Ra (min) FS-WL-8AMED 0,02 ≤ M (Ra прод) ≤ 0,478 0,49 0,06 FS-WL-6SFIN 0,018 ≤ M (Raпрод) ≤ 0,508 0,59 0,07 FS-WL-2SCRS 0,124 ≤ M (Raпрод) ≤ 0,68 0,7 0,17 DB-WL-8SMED 0 ≤ M (Raпрод) ≤ 0,49 0,47 0,06 CF-FB-0,5AFIN 0,184 ≤ M (Raпрод) ≤ 0,722 0,69 0,22 Дисперсионным анализом результатов экспериментов доказано, что при уровне значимости Р = 0,95 по критерию Фишера влияния DY, V и S на Raпрод являются незначимыми. Численное значение достижимой продольной шероховатости зависит только от характеристик эластичного полимерно-абразивного круга (зернистость, жесткость и т.д.). После исключения грубых промахов во всей совокупности экспериментальных данных, которые составляли от 48 до 72 измерений, с использованием квантилей Стьюдента определены доверительные границы достижимой Raпрод. В табл. 4 приведены эти границы, а также предельные экспериментальные значения. Таким образом, полученная эмпирическая зависимость (1) позволяет прогнозировать ожидаемую шероховатость при проектировании технологического процесса изготовления детали. Если в технической документации на изделие есть ограничения по продольной шероховатости, то, пользуясь табл. 4, можно выбрать марку эластичного полимерно-абразивного круга, который позволит обеспечить требуемое значение продольной шероховатости. Экспериментальное исследование остаточных напряжений Исследования проведены на образцах из высокопрочного алюминиевого сплава В95пчТ2. Опытный образец (см. рис. 4) крепился в приспособлении с боковых сторон и обрабатывался периферией кругов CF-FB 0,5A FIN (см. рис. 3) и FS-WL 8A MED (см. рис. 1) при различных режимах. Определялось распределение остаточных напряжений по глубине образца со стороны обработанной плоскости. Напряжения определялись вдоль (по оси Z, φ = -45°), поперек (по оси X, φ = +45°) и промежуточное по оси XZ при φ = 0° (рис. 9). При этом измерены нормальные, касательные и главные напряжения во всех направлениях. Область измерения Область травления Z X φ = -45° φ = 0° φ = +45° XZ Рис. 9. Схема исследования остаточных напряжений Исследования проводились на дифрактометре рентгеновском XSTRESS 3000 G3/G3R производства Stresstect 0Y (Финляндия) с рентгеновской трубкой TFS-3007-HP (рис. 10) и универсальным программным обеспечением для управления оборудованием и обработки данных. Рис. 10. Дифрактометр рентгеновский XSTRESS 3000 G3/G3R Измерения дифракции рентгеновских лучей, анализ и отчетность выполнялись в соответствии со стандартом EN 15305:2008. Non-destructive Testing. Test Method for Residual Stress analysis by X-ray Diffraction (Неразрушающий контроль. Метод определения остаточных напряжений с помощью дифракции рентгеновских лучей). Образцы перед обработкой эластичными полимерно-абразивными кругами фрезеровались четырехзубой фрезой при n = 1600 об/мин, S = 130 мм/мин, глубине резания 0,5 мм. Состояние остаточных напряжений образцов до обработки эластичными полимерно-абразивными кругами приведено в табл. 5, из которой видно, что все нормальные остаточные напряжения являются растягивающими. По результатам исследования образцов, обработанных эластичными полимерно-абразивными кругами, построены эпюры распределения остаточных напряжений по глубине залегания t в поверхностном слое, которые приведены на рис. 11 (после обработки кругом FS-WL-8A MED), а на рис. 12 - после обработки кругом CF-FB-0,5A FIN, по которым видно, что все нормальные остаточные напряжения на поверхности образца являются сжимающими и уменьшающимися (по модулю) по глубине залегания. Таблица 5 Остаточные напряжения в образцах до обработки эластичными полимерно-абразивными кругами Метод обработки образца s0z, МПа, вдоль j = -45° s0x, МПа, поперек j = +45° t0z, МПа, вдоль j = -45° Главные напряжения s01, МПа s02, МПа Цилиндрическое фрезерование +31,1 +154,9 -76,7 +155,2 +30,8 Торцевое фрезерование +48,9 +41,0 -63,4 +61,3 +28,6 2 3 1 50 0 -50 -100 100 s0x, s0z, s0xz, МПа 0,01 0,02 0,03 0,04 t, мм 0 0,01 0,02 0,03 0,04 t, мм 0 50 0 -50 -100 150 100 s01, s02, МПа 5 4 Рис. 11. Эпюры распределения остаточных напряжений по глубине залегания после обработки кругом FS-WL-8A MED при V = 11,77 м/с, DY = 1 мм, S = 21 мм/мин: 1 - s0z при j = -45о; 2 - s0xz при j = 0; 3 - s0x при j = +45°; 4 - максимальные главные напряжения s01; 5 - минимальные главные напряжения s02 0 2 3 1 s0x, s0z, s0xz, МПа 50 0 -50 -100 -150 -200 -250 -300 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 t, мм s01, s02, МПа 50 0 -50 -100 -150 -200 -250 -300 -350 0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 t, мм 4 5 Рис. 12. Эпюры распределения остаточных напряжений по глубине залегания после обработки кругом CF-FB 0,5A FIN при V = 16,755 м/с, DY = 3 мм, S = 21 мм/мин: 1 - s0z при j = -45°; 2 - s0xz при j = 0; 3 - s0x при j + 45°; 4 - максимальные главные напряжения s01; 5 - минимальные главные напряжения s02 Результаты измерения остаточных напряжений приведены в табл. 6 и 7. Анализ касательных напряжений показал, что данные напряжения всегда сжимающие и практически не изменяются по глубине залегания и не меняются в зависимости от параметров обработки (скорости резания и деформации круга). До обработки эластичными полимерно-абразивными кругами касательные напряжения были в пределах 65-70 МПа, после обработки эластичным полимерно-абразивным кругом зафиксировано их колебание от 55 до 78 МПа. При обработке кругом FS-WL-8A MED остаточные напряжения вдоль образца (s0z при j = -45°) и минимальные главные напряжения s02 оказались сжимающими, а поперек образца (s0x при j = +45°) и максимальные главные напряжения s01 при некоторых режимах - растягивающими. Это видно по результатам, приведенным в табл. 6. В процессе обработки кругом FS-WL-8A MED на формирование остаточных напряжений существенное влияние оказал температурный фактор, поскольку в зоне резания действовали значительные температуры, что и послужило причиной появления малых сжимающих и растягивающих остаточных напряжений. В результате обработки кругом CF-FB-0,5A FIN в поверхностном слое сформированы сжимающие нормальные остаточные напряжения. Это видно по данным наибольших (по модулю) остаточных напряжений на поверхности образца, приведенным в табл. 7. При обработке кругом CF-FB-0,5A FIN температура в зоне резания мала и существенного влияния на остаточные напряжения оказать не могла. Следовательно, главным фактором является нормальная составляющая силы, под действием которой формируются сжимающие остаточные напряжения. Таблица 6 Результаты экспериментального определения остаточных напряжений после обработки кругом FS-WL 8A MED при S = 21 мм/мин V, м/с DY, мм s0z, МПа, вдоль, j = -45° s0x, МПа, поперек, j = +45° t0z, МПа, вдоль, j = -45° Главные напряжения s01, МПА s02, МПа 3,53 1,5 -29,7 +41,5 -78,3 +43,9 -31,8 7,069 -23,1 +41,4 -71,8 +41,5 -23,2 8,831 -43,1 +34,7 -73,2 +37,4 -45,7 7,069 0,5 -49,9 -14,5 -52,8 +0,3 -64,7 1,0 -60,7 -41,8 -75,5 0 -102,5 1,5 -23,1 +41,4 -71,8 +41,5 -23,2 2,0 -19,4 +43,2 -77,2 +67,2 -43,5 Таблица 7 Результаты экспериментального определения остаточных напряжений после обработки кругом CF-FB 0,5A FIN при S = 21 мм/мин V, м/с DY, мм s0z, МПа, вдоль, j = -45° s0x, МПа, поперек, j = +45° t0z, МПа, вдоль, j = -45° Главные напряжения s01, МПА s02, МПа 5,053 4,5 -264 -51,4 -71,4 -36,9 -278,5 10,106 -183,9 -200,9 -69,9 -151,9 -232,9 12,632 -217,7 -178,8 -55,3 -143,2 -253,3 16,169 -204,1 -116,5 -65,6 -99,3 -221,3 10,106 3 -283,8 -182,4 -65,8 -163,9 -302,3 3,5 -240,8 -87,9 -97,2 -70,2 -258,4 4,0 -241,9 -107,7 -73,8 -87,1 -262,5 4,5 -183,9 -200,9 -69,9 -151,9 -232,9 В целом следует отметить, что при обработке исследуемыми эластичными полимерно-абразивными кругами образцов, полученных цилиндрическим и торцевым фрезерованием (см. табл. 5), остаточные напряжения оказываются полностью переформированы. С учетом того, что данный процесс обработки происходит на очень тонком разупрочненном поверхностном слое, установлено, что в обрабатываемом материале возникают сжимающие остаточные напряжения на малой глубине залегания. Как известно [24, 25], сжимающие остаточные напряжения положительно влияют на эксплуатационные свойства изделий, следовательно, обработка эластичными полимерно-абразивными кругами оказывает положительное влияние на формирование качества поверхностного слоя по данному показателю. Анализ состояния поверхностного слоя при помощи металлографической и электронной микроскопии При обработке образцов (см. рис. 4) эластичными полимерно-абразивными кругами на обработанной поверхности появляется незначительное потемнение. Необходимо установить, может ли данное явление повлиять на эксплуатационные свойства изделий. Первоначально предполагалось, что на поверхности образца остаются частицы полимерной связки в результате взаимодействия инструмента с материалом образца. Для установления истиной причины такого явления были проведены исследования поверхностного слоя на электронном микроскопе Jeol JIB-Z4500 (рис. 13) с детектором Oxford X-max и программой INCA Point ID, а также на металлографическом микроскопе «Микромед МЕТ-2» (рис. 14). Из приведенных снимков поверхностей на микроскопе «Микромед МЕТ-2» до обработки (рис. 15, б), после обработки (рис. 15, г) и после обработки и травления (рис. 15, е) по технологии, применяемой при анодировании всех деталей из алюминиевых сплавов в авиационной промышленности (травление в 20%-ном водном растворе NaOH и последующее осветление в 20%-ном водном растворе HNO3), видно, что обработанные и непротравленные образцы имеют признаки потемнения. После травления по технологии анодирования потемнение полностью исчезает. Исследования, проведенные на электронном микроскопе Jeol JIB-Z4500, показали, что в поверхностном слое присутствуют следующие химические элементы: углерод, кислород, магний, алюминий, кремний, марганец, медь и цинк. Это хорошо видно на диаграмме спектрального анализа (рис. 16). Рис. 13. Растровый электронный микроскоп JIB-Z4500 Multibeam Рис. 14. Металлографический микроскоп «Микромед МЕТ-2» Образец отфрезерован. Травлению не подвергался. 70 мкм Увеличение ×1000 а б Образец обработан кругом DB-WL 8SMED. V = 479,09 м/мин, ΔY = 2 мм, S = 130 мм/мин. Травлению не подвергался. Рис. 15. Снимки поверхностей образцов, полученные на электронном (а, в) и металлографическом (б, г) микроскопах. См. также с. 83 70 мкм Увеличение ×1000 в г Образец обработан кругом FS-WL-8AMED. V = 461,81 м/мин, ΔY = 1,5 мм, S = 130 мм/мин. Подвергался травлению: NaOH - 20 %, HNO3 - 20 %. 70 мкм е д Увеличение ×1000 Рис. 15. Снимки поверхностей образцов, полученные на электронном (д) и металлографическом (е) микроскопах. Окончание Рис. 16. Диаграмма спектрального анализа поверхностного слоя Если проанализировать данные, полученные при помощи электронной микроскопии и приведенные в табл. 8, то можно сделать вывод о том, что потемнение связано с окислением алюминия при интенсивном взаимодействии инструмента с поверхностным слоем (химическое соединение с участием кислорода, алюминия и других элементов). Электронное изображение во вторичных электронах по кислороду составляет 14,71 %, а в отраженных электронах - 19,44 %, в необработанном образце кислорода содержится 1,53 и 2,60 % соответственно. После травления содержание кислорода становится практически таким же, как и у необработанного образца. Таблица 8 Химический состав поверхностного слоя (все результаты средние в вес. %) Образец Электронное изображение в электронах C O Mg Al Si Mn Cu Zn Фрезерован, не протравлен вторичных 33,65 1,53 0,63 61,44 0,25 - 0,25 2,25 отраженных 5,43 2,60 0,79 84,75 0,25 - 0,28 2,68 Обработан, не протравлен вторичных 10,15 14,71 2,00 67,17 0,33 0,30 1,02 4,10 отраженных 6,72 19,44 1,83 63,11 0,32 0,28 0,85 3,70 Обработан, протравлен вторичных 19,68 2,13 1,80 70,46 0,41 1,07 4,46 отраженных 8,74 1,16 2,01 81,60 0,31 1,26 4,92 Заключение Установлено, что исследованные эластичные полимерно-абразивные круги можно эффективно применять для обработки поверхностей деталей из алюминиевых сплавов, применяемых в авиастроении. Полученная в результате проведенных исследований эмпирическая зависимость, описывающая взаимосвязь шероховатости по параметру Ra с режимами обработки, позволяет прогнозировать ожидаемую шероховатость при проектировании технологического процесса изготовления детали. Установлено, что при рассмотренном способе обработки в обрабатываемом материале возникают сжимающие остаточные напряжения на малой глубине залегания, что положительно влияет на эксплуатационные свойства деталей. На основании проведенного анализа состояния поверхностного слоя при помощи металлографической и электронной микроскопии следует сделать вывод о том, что случаи потемнения обрабатываемой детали из алюминиевого сплава не могут препятствовать внедрению зачистки поверхностей полимерно-абразивными инструментами в авиационной промышленности, поскольку все присутствующие на поверхности частицы легко удаляются при подготовке к анодированию.

About the authors

D. B Podashev

Irkutsk National Research Technical University

References

Statistics

Views

Abstract - 63

PDF (Russian) - 32

Refbacks

• There are currently no refbacks.