ВЛИЯНИЕ СХЕМЫ ПРОДОЛЬНОЙ ПОДАЧИ НА КАЧЕСТВО ПОВЕРХНОСТИ ПЛОСКИХ ДЕТАЛЕЙ ШТАМПОВ ПРИ МАЯТНИКОВОМ ШЛИФОВАНИИ
INFLUENCE OF LINE FEED STRATEGY TO FLAT PINCH PARTS SURFACE QUALITY DIE IN RECIPROCATING GRINDING
Солер Я.И., Лгалов В.В. (НИУ ИрГТУ, г.Иркутск, РФ)
Soler Ya.I., Lgalov V.V. (National Research Irkutsk State Technical
University, Irkutsk, Russia Federation )
В работе представлены результаты по изучению влияния метода задания продольной подачи на качество поверхностного слоя при плоском шлифовании формообразующих деталей штампов из стали Х12. Даны рекомендации по применению обеих схем.
Investigation results of line feed strategy to shaped pinch parts from steel X12 surface quality due in surface reciprocating grinding were introduced in the paper. The recommendations to strategy application were given.
Ключевые слова: плоское маятниковое шлифование, абразивный круг, встречное шлифование, попутное шлифование, параметрические статистики, непараметрические статистики, дисперсионный анализ, штамп
Key words: surface reciprocating grinding, abrasive wheel, up grinding, down grinding, parametric statistics, nonparametric statistics, analysis of variance (ANOVA).
При изготовлении формообразующих деталей штампов холодной листовой штамповки (ХЛШ) на финишных операциях традиционно прибегают к маятниковому шлифованию. При задании величины поперечной подачи стола на двойной ход возможны две схемы работы круга, по аналогии с фрезерованием именуемые [1] встречным и попутным шлифованием. Однако до настоящего времени не разработаны четкие рекомендации по применению того или иного метода. Данные исследований [1,2] большей частью относятся к глубинному шлифованию, оставляя маятниковое в стороне.
Применение статистических методов для анализа процессов абразивной обработки обусловлено рядом её существенных отличий от лезвийной. Так, в В.К. Старков относит абразивную обработку к дискретно-стохастическому резанию, при котором съем металла осуществляется статистически неопределимыми режущими элементами абразивного инструмента. Это связано с существенным разбросом величин углов заострения и радиусов скругления абразивных зерен и расположения зерен в черепке инструмента в осевом и радиальном направлениях [1,3].
При производстве формообразующих деталей штамповой
оснастки в условиях инструментального цеха Иркутского релейного завода приняты
следующие параметры качества рабочих поверхностей: допуск плоскостности опорных
поверхностей не ниже TFE6 по ГОСТ 24643-81;
среднеарифметические отклонения неровностей: 
– для гибочных и вытяжных штампов, 
– для большинства
вырубных, 
– для
прецизионных вырубных и вытяжных штампов; твердость матриц и пуансонов из стали
Х12 не ниже 59-60 HRC.
Натурный эксперимент осуществлялся на
плоскошлифовальном станке 3Е711В без СОЖ. В качестве образцов приняты детали
цилиндрической формы D×L=40×40 мм из стали Х12 (
), которые подвергались шлифованию по
торцовой поверхности при следующих неизменных технологических факторах:
скорость круга vкр = 35
м/с, продольная подача sпр = 7
м/мин, поперечная подача sп = 1
мм/дв.ход, глубина резания t = 0,015 мм, операционный припуск z
= 0,15 мм, круг 1 250×20×76 95А F46 L 6 V20
(производитель ОАО «Косулинский абразивный завод») по ГОСТ Р 52781-2007. Варианты
реализации продольной подачи представлены кодом (
): 1 – встречное; 2 – попутное. Число наблюдений
для каждого множества i принято
равным n=30.
Рисунок 1 – Схема измерения отклонений от прямолинейности и микротвердости
Измерение макрорельефа вели в полярной системе
координат относительно центра заготовки через 30° на расстоянии R, равном
20 мм (рис.1). Методика поиска отклонений от прямолинейности EFL и
плоскостности EFE по ГОСТ 24643-81 изложена в [4]. Микрорельеф оценивали
параметрами (ГОСТ 25142-82): 
, 
, 
, 
, 
, 
и 
, 
, измеренными с помощью системы на базе
профилографа-профилометра мод.252 завода «Калибр» в двух взаимно ортогональных
направлениях (
),
параллельных векторам подач: 1–sп (
, 
и т.д.); 2–sпр (
, 
и т.д.). Изучение микротвёрдости HV
вели согласно ГОСТ 9450–76 на приборе ПМТ-3 по средним значениям 
замеров 
в трех зонах в
направлении d=1: 
(рис.1), где 0 – начало полярной системы
координат. Степень наклепа определена из выражения:
. (1)
Для оценки результатов наблюдений
,
(2)
представляющих
независимые выборки 
, использованы параметрические [5] и непараметрические
[6] методы статистики. Возможные ограничения их использования и поиск ожидаемых
величин подробно изложены в [7]. Для автоматизации трудоемких расчетов привлечена
программа Statistica 6.1.478.
Для графического отображения результатов анализа (2) использованы описательные
статистики, характеризующие следующие меры: положения (средние 
и медианы 
), рассеяния (стандарты
отклонения SD, интерквартильные
широты 
,
размахи 
).
Стабильность процесса шлифования оценивали индексами воспроизводимости процесса
, сопоставление
которых приводит к выражению:
(3)
где
и 
–
соответственно выборочные стандарты отклонений базового и сравниваемого вариантов.
Величина
<1 указывает на то, что стабильность базовой схемы
обработки выше.
По результатам проверки распределений (2) на
однородность дисперсий, можно утверждать о гомоскедастичности следующих
параметров: 
,
; 
; 
,
, 
,
, 
. При
оценке нормальности распределений по критерию Шапиро-Уилка установлено, что
гауссовой кривой аппроксимируются: 
, 
, 
, 
, 
, 
,
, 
. Полученные результаты позволяют утверждать,
что для (2) можно применить как параметрические, так и непараметрические статистики.
Однако последние, ввиду существенного отклонения от нормальности многих параметров,
могут оказаться мощнее, т.е. выступают на «своем поле» [6].
Методы одномерного дисперсионного анализа (ОДА) позволили
установить, что варьирование схемы продольной подачи оказывает значимое влияние
на параметры 
.
Минимизация макроотклонений ведет к существенному улучшению таких
эксплуатационных характеристик деталей, как контактная жесткость, износостойкость
и прочность посадок [8]. Остановимся подробнее на параметре , т.к. его допуск
закладывается в конструкторской документации (КД). В интервале размеров 30-50 мм (ГОСТ 24643-81) при относительной геометрической точности А величина допуска плоскостности TFE6
составляет 10 мкм. В табл. 1 представлены средние медианы и их прогнозируемые величины
для обеих схем реализации продольной подачи.
Таблица
1 – Прогнозируемые и опытные медианы для параметра 
|
Способ задания подачи, i |
Параметры |
Отклонения от плоскостности в мкм (TFE) |
|
1 – встречное шлифование |
|
8,75 (6) |
|
|
8 (6) |
|
|
2 – попутное шлифование |
|
7,25 (6) |
|
|
8 (6) |
Видно, что оба способа шлифования обеспечивают
геометрическую точность в пределах регламентированного допуска. Для
окончательного выбора схемы шлифования кроме дополнительно следует учитывать
стабильность процесса. По (3) для 
было получено значение 
. Таким образом,
можно утверждать, что применение попутной схемы шлифования позволлило повысить
стабильность формы изготавливаемых деталей.
Рисунок 2 – Описательные непараметрические статистики
для параметра
На рис.2 проиллюстрированы описательные непараметрические
статистики для параметра . При оценке мер рассеяния видно, что для попутного
шлифования 100% значений отклонений от плоскостности отвечают требованиям TFE7,
а 
не
превышает TFE6. В то же время встречная схема гарантированно
обеспечивает 75% деталей операционной партии по TFE7, а 
достигает TFE8.
Анализ интерквартильных широт подтвердил заключение о меньшей изменчивости
процесса при i=2, полученное с помощью параметрического метода.
Микрорельеф поверхности оказывает комплексное
воздействие на эксплуатационные характеристики детали. Однако, при разработке
КД преимущественно используют среднее арифметическое отклонение профиля . В [8] убедительно показано,
что следует отдельно рассматривать высотные и шаговые параметры, а также
опорные длины профиля [1,8]. Высотные параметры оказывают существенное влияние
на износостойкость (
), усталостную прочность (
), средние шаги
неровностей на контактную жесткость, износостойкость, прочность, усталостную
прочность, а опорные длины профиля – на все вышеприведенные параметры [8]. По ISO
13565 опорные длины на уровнях сечений 
характеризуют несущую способность
профиля.
Анализ влияния схемы продольной подачи на параметры
микрорельефа позволил установить, что её варьирование на 5%-м уровне оказывает
существенное воздействие на 
, 
, 
, 
. Обратимся к среднему
арифметическому отклонению профиля 
. Его интерпретацию допустимо вести
параметрическими методами, т.к. отклонения гауссовой кривой от эмпирического
распределения невелики. Как видно из табл.2, для обоих методов реализации
продольной подачи средние арифметические отклонения профиля характеризуются
одной КВ=0,16 мкм. При оценке стабильности
процесса получено 
, из
чего можно заключить о равноценности схем . Таким образом, оба метода шлифования
позволяют добиться равноценных высотных параметров, удовлетворяющих требованиям
к формообразующим деталям большинства штампов.
Таблица 2 – Прогнозируемые и опытные средние для параметра
|
Способ задания подачи, i |
Параметры |
Средние арифметические отклонения профиля, мкм |
|
1 – встречное шлифование |
|
0,1163 (0,16*) |
|
|
0,1163 (0,16*) |
|
|
2 – попутное шлифование |
|
0,1057 (0,16*) |
|
|
0,1057 (0,16*) |
|
|
Примечание: «*» отмечены КВ из стандартного ряда по ГОСТ 25142-73 |
||
При изучении шаговых параметров предпочтение следует
отдавать величинам, измеренным в продольном направлении (d=2),
т.к. их значения превосходят поперечные аналоги. Анализ средних шагов 
показал, что применение
встречной схемы подачи позволяет снизить их величины на одну КВ: от 
(80*) мкм до 
(63*) мкм. При этом
стабильность процесса оказалась также выше: 
.
Опорные длины профиля следует изучать как в
поперечном, так и в продольном направлении [8]. Установлено, что для 
схема подачи i=1
позволяет увеличить опорные длины (см. табл.3) и повысить стабильность процесса
по (3) и размахам. Сказанное подтверждает результаты, представленные в табл.3
для параметра 
. В продольном направлении ОДА не выявил значимого
влияния метода шлифования в интересующих нас сечениях.
Таблица 3 – Меры положения и рассеяния для параметра 
|
Способ задания подачи, i |
|
|
|
|
|
|
1 – встречное шлифование |
79,4443 |
79,4443 |
93,1300 |
1 |
25,6600 |
|
2 – попутное шлифование |
75,8020 |
75,8020 |
86,8600 |
0,8883 |
27,4600 |
Для изучения микротвердости целесообразно использовать параметрический метод статистики. Установлено, что варьирование способа продольной подачи не оказывает значимого влияния на её величину (табл.4). При этом отмечено одинаковое разупрочнение поверхности.
Таблица 4 – Прогнозируемые, опытные средние для параметра
и величины наклепа для параметра
|
Способ задания подачи, i |
Параметры |
Величина микротвердости/степень наклепа по (1) |
|
1 – встречное шлифование |
|
759,7459 / -3,6531% |
|
|
760,5224 / -3,5547% |
|
|
2 – попутное шлифование |
|
761,2989 / -3,4562% |
|
|
760,5224 / -3,5547% |
|
|
Примечание: знак «-» указывает на разупрочнение поверхности |
||
По итогам исследования можно сформулировать следующие выводы:
1.По критерию макрорельефа оба метода не продемонстрировали значимых различий точечных оценок, однако показана меньшая изменчивость процесса при реализации попутного шлифования.
2.Попутная схема продольной подачи позволяет снизить высотные параметры микрорельефа, а встречная минимизирует средние шаги неровностей в продольном направлении.
3.При реализации встречного шлифования достигаются
большие величины опорных длин профиля на уровнях сечений
, что позволяет спрогнозировать
большую стойкость штамповой оснастки при изготовлении формообразующих деталей
данным способом.
4. С учетом доминирующего влияния параметров , 
, на стойкость
штампов предпочтение следует отдать встречной схеме шлифования.
Список использованных источников
1. Кремень, З.И. Технология шлифования в машиностроении/ З.И.Кремень, В.Г.Юрьев, А.Ф.Бабошкин. -СПб.:Политехника, 2007. -425 с.
2. Fritz Clocke. Manufacturing Processes 2 Grinding, Honing, Lapping / Fritz Clocke. -Berlin: Springer, 2009. -433 p.
3. Старков, В.К. Физика и оптимизация резания материалов / В.К. Старков. -М.: Машиностроение, 2009. -640 с.
4. Солер, Я.И. Оценка режущих свойств абразивных кругов различной пористости по критерию точности формы плоских деталей штампов из стали Х12 // Я.И. Солер, В.В. Лгалов, А. Б. Стрелков. Металлообработка.- 2012.- №1 (67). -С.5-10.
5. Поллард, Дж. Справочник по вычислительным методам статистик / Дж. Поллард. Пер. с англ. -М.: Финансы и статистика, 1982. -344 с.
6. Холлендер, М. Непараметрические методы статистики / М. Холлендер, Д. Вулф. Пер. с англ. -М.: Финансы и статистика, 1983. -518 с.
7. Солер, Я.И. Выбор абразивных кругов при плоском шлифовании деталей силового набора летательных аппаратов по критерию шероховатости поверхности // Я.И.Солер Д.Ю.Казимиров. Вестник машиностроения. -2010. -№5. -С.55-64.
8. Суслов, А.Г. Инженерия поверхности деталей / Колл. авт.; под ред. А.Г.Суслова. -М.: Машиностроение, 2008. -320 с.