Плоское шлифование кругами "аэробор" в самолетостроительном производстве

 

Солер Я.И., Стрелков А.Б., Прокопьева А.В. (ИрГТУ, г. Иркутск, РФ)

 

The statistic evaluations of the effectiveness of  the Aerobor wheel for parts roughness have been presented. This machining is using for the mainline and auxiliary process of aircraft construction.

 

В авиационной промышленности используется широкая номенклатура конструкционных и инструментальных материалов, общими признаками которых служат высокие механические свойства при знакопеременных нагрузках и низкая обрабатываемость резанием. В изделиях гражданского и военного назначения широко представлены детали из титановых сплавов и высокопрочных сталей. Они составляют 14-95% и 5-50% соответственно от общей массы планера [1]. Для их обработки лезвийным инструментом вспомогательное производство поставляет инструменты не только из твердых сплавов, но и быстрорежущих сталей повышенной теплостойкости. Последние превосходят твердые сплавы по пределу прочности на изгиб и ударной вязкости, что особенно важно в условиях резания с динамическими нагрузками и большими сечениями среза [2]. Серьезным технологическим недостатком этих быстрорежущих инструментов служит низкая шлифуемость кругами из традиционных абразивов вследствие большого содержания карбидообразующих элементов: W, V, Mo, Cr  и др. В связи с этим шлифование деталей основного и вспомогательного производств вели абразивным инструментом из кубического нитрида бора высокой пористости, выпуск которого в настоящее время освоен на ООО "Петербургский абразивный завод "Ильич" под торговой маркой "АЭРОБОР".

Важнейшим показателем качества шлифования служит шероховатость обрабатываемых деталей. Микрорельеф поверхности оценивали статистическими методами с использованием программы Statistica 6.1. В данной работе использованы методы параметрических статистик: одномерный дисперсионный анализ (ОДА); критерии наименьшей существенной разности (НСР), Шеффе, Тьюки, Ньюмени-Кеулса, Дункана и Бонферрони, позволяющие выявить значимые разности средних наблюдений случайных величин (СВ). Подробное изложение этих методов дано в работах [3].

Исследуемые материалы: высокопрочные коррозионно-стойкие стали 08Х15Н5Д2Т (ВНС-2), 13Х15Н4АМ3 (ВНС-5) и титановые сплавы ВТ20, ВТ22 (табл.1)-деталей основного производства; стали Р12Ф3К10М3, Р9М4К8 (66-67 HRC) высокой теплостойкости -быстрорежущих пластин сборного инструмента. Титановые сплавы не обладают магнитными свойствами, поэтому для сохранения идентичности условий шлифования всех материалов образцы крепили в приспособлении с постоянным усилием зажима. Опыты вели без выхаживания при следующих неизменных условиях: плоскошлифовальный станок модели 3Г71; круги 1А1 200×20×76×5 ЛКВ 160/125 СТ1 КС10 100/КФ40; технологические параметры- скорость резания v_к=28 м/с, продольная подача s_пр=6 м/мин., поперечная подача s_п=4 мм/дв.ход, глубина t=0,01 мм, операционный припуск z=0,1 мм; СОЖ-5%-ная эмульсия Аквол-6 (ТУ 0258-024-00148843-98), подаваемая в количестве 7-10 л/мин.; размеры обрабатываемых образцов (диаметр×длина) D×L=35×30 мм, шлифуемые по торцу; количество параллельных наблюдений  Состояние микрорельефа деталей оценивали параметрами: R_a, R_q, R_z, R_max и S_m (ГОСТ 25142-82). Для сокращения записи условий шлифования к выходным величинам процесса добавлены индексы (i,j,v). Здесь направление расположения микронеровностей: 1- параллельно вектору s_п, 2- параллельно вектору s_пр; код шлифуемых материалов: 1- ВНС-2, 2- ВНС-5, 3- ВТ20, 4-ВТ22, 5- Р12Ф3К10М3, 6- Р9М4К8.

 

Таблица 1 - Механические свойства деталей основного производства [1]

Материал	Предел прочности на изгиб σизг, МПа	Относительное удлинение δ, %	Модуль упругости E, ГПа
ВНС-2	1350	12	220
ВНС-5	1390-1650	15
ВТ-20	1000-1100	6-12	115
ВТ-22	1200	8-12

 

При использовании параметрических статистик приходится сталкиваться с тремя видами выходных параметров технологической системы: Y_ijv (, и т.д.) - откликом (наблюдением) в i-ом направлении измерения шероховатости после шлифования j-го материала детали в v-ом опыте; (, и т.д.) - средняя распределения СВ по результатам опытов; (, и тд.) - эта же прогнозируемая величина по результатам проверки с использованием критериев множественного сравнения средних [3].

Рисунок  1- Описательные параметрические статистики для параметров R_a1j

 

Таблица 2 -Сводный внутригрупповой статический анализ шлифуемых материалов по параметру

Материал (j)	, мкм	Доверительный интервал, мкм	Стандарты, мкм		, мкм
			наблюдений SD	ошибки SE	min	max
ВНС-2 (1)	0,364 (0,40*)	0,344 (0,40*)-0,385 (0,40*)	0,056	0,010	0,28 (0,32*)	0,46 (0,50*)
ВНС-5 (2)	0,303 (0,32*)	0,283 (0,32*)-0,322(0,32*)	0,053	0,010	0,20 (0,20*)	0,42 (0,50*)
ВТ20 (3)	0,803 (0,80*)	0,738 (0,8*)- 0,867 (1,00*)	0,173	0,032	0,62 (0,63*)	1,31 (1,60*)
ВТ22 (4)	0,745 (0,80*)	0,723 (0,80*)-0,767 (0,80*)	0,058	0,011	0,61 (0,63*)	0,87 (1,00*)
Р12Ф3К10М3 (5)	0,282 (0,32*)	0,263 (0,32*)-0,302 (0,32*)	0,053	0,010	0,20 (0,20*)	0,39 (0,40*)
Р9М4К8 (6)	0,281 (0,32*)	0,262 (0,32*)-0,300 (0,32*)	0,052	0,010	0,2 (0,20*)	0,37 (0,40*)

Примечание: *-категориальные величины R_a по ГОСТ 25142-82

 

ОДА наблюдений Y_ijv, , ,  показал, что на 5%-ом уровне значимости отмечено существенное различие между средними ,  при фиксированном задании направления измерения шероховатостей. В качестве примера в табл.2 и на рис.1 приведены результаты сводного внутригруппового статического анализа для параметров , .

Первоначально проанализируем результаты статистического анализа относительно рассеяния СВ. Если судить по размаху, то вариации шероховатостей составляют 3-5 категориальных величин, где меньший предел отмечен для деталей из ВНС-2 и ВТ22, а больший для титанового сплава ВТ20. Доверительный интервал для всех шлифуемых материалов, кроме ВТ20, составил одну категориальную величину, а для сплава ВТ20 - две. Аналогично для первой группы материалов получены меньшие стандарты (СКО) наблюдений и ошибки по сравнению с их аналогами для сплава ВТ20. Рассмотренные явления подтверждены и для остальных поперечных высотных параметров. Для среднего шага ,  диапазоны размаха и доверительного интервала возросли и соответственно составили 3-7 и 1-3 категориальных величин. Что касается микрорельефа в продольном сечении, то для всех его параметров доверительные интервалы ,  вписались в 2 категориальные величины, т.е. в целом возросли на одну ступень размерного ряда. Размахи средних шагов ,  остались на прежнем уровне, а высотных параметров до 5-10 категориальных величин. Особо следует подчеркнуть, что в данном направлении наибольшие рассеяние шероховатостей отмечено при шлифовании не сплава ВТ20, а для параметров , , т.е. для стали ВНС-5, а по средним шагам , для быстрорежущих пластин обеих марок. Это позволяет констатировать о нестабильности процесса резания даже кругами "АЭРОБОР". Однако средние шероховатостей оказались в 4 раза меньше, чем при шлифовании аналогичными кругами нормальной пористости (рис.2).

Рисунок 2- Гистограммы с наложением кривых нормального распределения при шлифовании деталей из стали ВНС-5 кругами ЛКВ 160/125 СТ1 КС10 100/КФ40 (а) и CBN 160/125 СТ1 К27 100 (б)

 

Представленные в табл.2 средние ,  позволяют, в первом приближении, предположить, что с позиции улучшения микрорельефа поверхности шлифуемые группы деталей можно расположить в следующей последовательности: титановые сплавы, коррозионно-стойкие и быстрорежущие стали. Окончательные выводы по трем группам материалов сформированы ниже по результатам анализа всех параметров микрорельефа поверхности, а внутригрупповая шлифуемость кругами "АЭРОБОР" по прогнозируемым ,  , , полученным по оценкам критериев множественного сравнения средних. Результаты такого анализа приведены в табл.3.

Комплексный анализ микрорельефа по всем исследуемым параметрам позволил выявить следующие закономерности:

1. Расхождение между опытными  и ожидаемыми  средними при одноименных i и j невелико и в большинстве случаев не вышло за пределы одной категориальной величины. Исключение составили параметры:  и ,  и , j -2;4;  и , j -1;6. Это произошло за счет того, что одна из средних находилась на границе с соседней размерной величиной.

2. Титановые сплавы по всем параметрам шероховатости показали худшую шлифуемость по сравнению со сталями j-1;2;5;6. Наиболее неблагоприятная ситуация отмечена по высотам неровностей профиля и составила до 4-5 величин размерного ряда. Для шагов , i=1;2, j=3;4 она снизилась до 2-3 категориальных значений.

 

 

Таблица 3 -Опытные и прогнозируемые средние, мкм

Средние параметры	Материалы (j)
	ВНС-2 (1)	ВНС-5 (2)	ВТ20 (3)	ВТ22 (4)	Р12Ф3К10М3 (5)	Р9М4К8 (6)

Примечание: *-пояснение в табл.2

 

3. Среди шлифуемых материалов наиболее однозначное внутригрупповое различие выявлено среди коррозионно-стойких сталей j=1;2. Сказанное, в первую очередь, относится к высотным параметрам в поперечном сечении (i=1), регламентирующих состояние микрорельефа поверхности. В целом, для стали ВНС-2 все высотные параметры: , , ,  -оказались на одну категориальную величину размерного ряда больше, чем при шлифовании стали 13Х15Н4АМ3. Это обусловлено ее меньшей твердостью.

 

Литература

1. Фрезы и фрезерование / О.М. Балла [и др.].-Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2006. - 170 с.

2. Зубарев, Ю.М. Современные инструментальные материалы / Ю.М. Зубарев.-СПб: Лань,2008.-224 с.

3. Солер, Я.И. Исследование влияния выхаживания на микрорельеф пластин Р9М4К8 при шлифовании кругами из кубического нитрида бора / Я.И. Солер, А.В. Прокопьева.- Обработка металлов.-2009.-№1 (42).-С.24-27.