Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и постановка задачи исследования 8
1.1. Типы и конструкции лепестковых кругов 8
1.1.1. Классификация лепестковых кругов 8
1.1.2. Типовые конструкции лепестковых кругов для обработки поверхностей различной конфигурации 14
1.2. Абразивные материалы 17
1.3. Формирование поверхностного слоя 24
1.3.1. Состояние поверхностного слоя заготовок после обработки лепестковыми кругами24
1.3.2. Формирование остаточных напряжений при абразивной Обработке 26
1.3.3. Шероховатость поверхности после обработки лепестковыми кругами и других видах абразивной обработки 31
1.4. Износ лепестковых кругов 34
1.5. Динамика обработки лепестковыми кругами 36
Задачи 43
2. Микрорельеф режущей части лепестков 45
2.1. Математическое описание микрорельефа 45
2.2. Методика и результаты профилографирования режущего микрорельефа 47
Выводы по главе 2 55
Взаимодействие режущего микрорельефа 56
Взаимодействие режущего микрорельефа с идеально гладкой обрабатываемой поверхностью 56
3.1.1. Математическое ожидание абсолютной глубины внедрения зерен лепестков 58
3.1.2. Количество зерен лепестка в контакте с обрабатываемой поверхностью 58
3.1.3. Радиус скругления вершин зерен микрорельефа лепестка... 60
Взаимодействие режущего микрорельефа с шероховатой обрабатываемой поверхностью 62
Выводы по главе 3 63
Силы при обработке лепестковыми кругами 65
Силы, создаваемые единичным лепестком 65
4.1.1. Перемещение лепестка 65
4.1.2. Упругая составляющая силы 68
4.1.3. Центробежная составляющая силы 72
Модуль упругости лепестка 74
Силы резания 76
4.3.1. Экспериментальное исследование вертикальной составляющей силы резания 77
4.3.2. Теоретический расчет сил резания 82
Выводы по главе 4 89
5. Математическая модель формирования поверхностного слоя по шероховатости 90
5.1. Съем материала 90
5.1.1. Теоретический расчет съема металла при взаимодействии лепесткового круга с обрабатываемой поверхностью 90
5.1.2. Экспериментальная проверка достоверности математической модели съема материала 103
5.2. Экспериментальное исследование шероховатости обработанной поверхности 113
Выводы по главе 5 122
6. Оптимизация процесса обработки лепестковыми кругами 124
6.1. Система оптимизации 124
6.2. Реализация полученных результатов 134
Выводы по главе 6 138
Общие выводы 138
Список литературы 141
- Типовые конструкции лепестковых кругов для обработки поверхностей различной конфигурации
- Методика и результаты профилографирования режущего микрорельефа
- Количество зерен лепестка в контакте с обрабатываемой поверхностью
- Теоретический расчет съема металла при взаимодействии лепесткового круга с обрабатываемой поверхностью
Введение к работе
Развитие прогрессивных методов формообразования, разработка новых труднообрабатываемых конструкционных материалов, резкое повышение требований к качеству, надежности и долговечности машин и механизмов, зависящих от точности размеров, формы и шероховатости поверхностей, -основные предпосылки увеличения удельного веса абразивной обработки, внедрение прогрессивных технологических процессов шлифования и создания новых видов эластичного абразивного инструмента [58].
Одним из перспективных видов эластичных абразивных инструментов являются лепестковые круги, состоящие из ступицы и радиально закрепленных лепестков из какого-либо шлифовального материала. В нашей стране с 1973 года их стало выпускать Челябинское абразивное производственное объединение. Лепестковые круги используют при работе на всех видах шлифовальных станков, а также при работе вручную. При полировании ими заготовок из стали, чугуна и сплавов цветных металлов достигается параметр шероховатости поверхности Ra = 0,63 - 0,04 мкм [9].
Использование этого инструмента позволяет существенно снизить затраты на инструмент, повысить производительность и качество обработанной поверхности.
Однако эти инструменты обладают некоторыми особенностями, без знания которых нельзя добиться высокой эффективности применения их в производстве. Внедрение процессов финишной обработки связано с необходимостью в каждом конкретном случае определять оптимальные условия процесса обработки (конструкция инструмента, характеристика шлифовальной шкурки, режимы обработки).
Для изготовления лепестков применяются гибкие абразивные материалы, в том числе изготовленные специально для производства лепестковых кругов. Зернистость и вид абразивного материала подбираются
в зависимости от объекта обработки, обрабатываемого материала, требуемого параметра шероховатости поверхности и от производительности.
Лепестковые круги устанавливаются на автоматах, универсальных станках, ручном пневмо- и электроинструменте.
В отличие от шлифшкурки, лент и другого инструмента из нее, круги не засаливаются, обеспечивая стабильную шероховатость обработанной поверхности и экономию применяемой в кругах шлифшкурки.
Расход шлифшкурки в круге почти в 3 раза меньше, чем при обработке шлифовальной шкуркой вручную. В тех случаях, когда альтернативна обработка лентой из шлифшкурки и обработка лепестковым кругом, использование последнего предпочтительней. Это объясняется тем, что изменение режущих свойств лент во времени приводит к получению нестабильных параметров шероховатости поверхности. Особенно актуальна замена лепестковыми кругами широко распространенных войлочных кругов с нанесенным на них шлифовальным порошком. При этом отпадает необходимость останавливать станок на частую замену войлочного круга, стабилизируется качество обработки и улучшаются экологические условия на производстве [23].
Применение лепестковых кругов эффективно во всех типах производства - от единичного до массового.
Лепестковые круги используются при обработке изделий из металла,
пластмассы, древесины, стекла, керамики. <
Ими можно вести обработку по лаку, краске, гальваническим покрытиям.
В металлообработке лепестковые круги используются при:
-шлифовании и полировании,
-отделке поверхностей под пайку (сварку),
-зачистке сварных швов,
-удалении окалины, ржавчины, старой краски [9].
Круги применяются при обработке гранита, мрамора и других камней, при зачистке мест склейки деталей из резины и других материалов.
Лепестковыми кругами успешно полируются до блеска металлические поверхности.
Широкое применение круги находят в строительстве и ремонтных работах. На Брянском автомобильном заводе лепестковые круги используются более 15 лет. Их применяют для полирования шеек валов [9]. В металлургической промышленности - это обработка листового проката. В производстве емкостей - зачистка сварных швов. В электротехническом производстве - зачистка контактов и мест пайки. Обработке лепестковыми кругами подвергаются поверхности практически любой формы.
На основании изложенного можно констатировать, что исследование и оптимизация обработки лепестковыми кругами актуальны для многих обрабатывающих отраслей и в первую очередь для машиностроения и приборостроения.
В настоящей работе автор защищает:
1. Результаты исследования микрорельефа лепестка из шлифовальной
шкурки.
2. Математическую модель процесса резания периферией плоского
лепесткового круга.
3. Методику расчета съема материала с обрабатываемой поверхностью
на основе использования разработанной математической модели.
4. Методику расчета достижимой шероховатости, полученную по
экспериментальным данным.
4. Систему оптимизации параметров обработки лепестковыми кругами.
Типовые конструкции лепестковых кругов для обработки поверхностей различной конфигурации
В разработку конструкции этого круга была положена идея об обработке одним инструментом прямолинейных и криволинейных поверхностей.
Зачистка поверхностей таким кругом осуществляется следующим образом. При зачистке плоских поверхностей ось вращения ступицы и наружная поверхность лепестков расположены параллельно обрабатываемой поверхности. Крутящий момент от приводного вала передается ступице через упругий диск и фланцы к абразивным лепесткам, создавая необходимую силу резания. Если сила резания возникает больше необходимой для снятия определенной толщины обрабатываемого слоя, то происходит упругая деформация диска в радиальном направлении. При зачистке криволинейных поверхностей происходит поворот диска на необходимый угол. Однако этот инструмент имеет существенные недостатки, которые подобно рассмотрены в [45].
Круги с механическим креплением лепестков могут иметь очень разнообразные конструктивные решения. На рис. 1.9 показана конструкция круга, в которой фиксация и крепление лепестков осуществляются только за счет кольцевых выступов фланцев, входящих в пазы лепестков на торцах. Сборку таких кругов производят в специальных приспособлениях, имеющих посадочные места, аналогичные арматуре лепесткового круга. Круги этой конструкции не нашли широкого применения, т.к. сложны в изготовлении и не обладают достаточной надежностью крепления лепестков. При необходимости изготовления лепесткового круга больших размеров можно использовать конструкцию круг щетка (рис. 1.10). Лепестки Рис. 1.10. предварительно склеивают в пакеты и механически закрепляют в ступице при помощи клиньев. Рабочая поверхность в таких кругах получается прерывистой. В металлургическом производстве для обработки листового проката требуются круги большой высоты. Круги высотой до 400-500 мм могут изготавливаться с пластмассовой или пластмассово-металлическои ступицей (рис. 1.11). Полуступицы устанавливают на оправке, разворачивая, относительно друг друга на 180 градусов, благодаря чему стык рядом расположенных наборов лепестков перекрывается набором, расположенным с противоположной стороны. В целом проблема изготовления кругов большей высоты требует решения, поскольку в металлургической промышленности с низкой эффективностью используется большое количество бесконечных шлифовальных лент. 1.2. Абразивные материалы За последние десятилетия во всех промышленно развитых странах все больше внимания уделяется такому очень простому, казалось бы на первый взгляд, инструменту, каким является шлифовальная шкурка. Ее применяют во всех случаях, когда следует повышать производительность труда, уровни механизации и автоматизации производства, улучшать качество обработки и т.д. Она незаменима при обработке сложных фасонных и больших плоских поверхностей, деталей типа тел вращения и т.п. Она незаменима, когда необходимо сохранять высокие физико-механические свойства поверхностных слоев деталей и их высокие эксплуатационные характеристики [41]. Шлифовальная шкурка непрерывно совершенствуется. Для нее создаются специальные абразивные материалы определенной формы, обладающие высокой абразивной способностью. Постоянно происходят совершенствование слоев, связок, клеев, смол, покрытий и улучшение всех ее конструктивных элементов, технологии производства и способов эксплуатации при машинной обработке. Все большей становится номенклатура инструментов, изготовляемых из шлифовальной шкурки. В связи с указанным выше появился ряд новых терминов, характеризующих процесс обработки инструментами из шлифовальной шкурки. Наиболее распространенными из них являются инструменты на гибкой основе, инструменты на упруго-эластичном основании и т.д. Появились такие виды операций, как ленточное шлифование, обработка бесконечными лентами, лентами конечной длины, обработка кругами и дисками, обтянутыми лентой, ленточными барабанами, лепестковыми кругами и т.п. Все больше входит в обиход понятие, характеризующее указанные виды обработок, "эластичное шлифование". Следует отметить, что с давних пор известны разновидности эластичного шлифования - это шлифование кругами на вулканитовых и им подобных связках; шлифование, зачистка и полирование кругами с накатанным абразивом. Известны также поропластовые круги и инструменты, а также круги на пористых и волокнистых синтетических основах. Получила распространение и обработка инструментами, в которых абразивные зерна жестко не закреплены, а имеют различные виды упругих связей, относящиеся иногда не к отдельным абразивным зернам, а к инструменту в целом [41].
Известны и такие виды обработки, как пескоструйная, свободным абразивом и т.д. Все эти процессы имеют общность, заключающуюся в том, что абразивные зерна обладают упруго-эластичной подвижностью. Очевидно, что указанные и близкие к ним процессы попадают под упругое, упругоэластичное или эластичное шлифование.
Методика и результаты профилографирования режущего микрорельефа
Представление лепестка под действием упругой и центробежной сил в виде двух прямых линий это слишком грубое допущение (уравнения 1.2 и 1.3). Как видно из обзора опубликованных работ не исследованы очень важные для теории и практики вопросы. Процесс взаимодействия лепестка с обрабатываемой поверхностью фактически не изучен. При этом микрорельеф режущей части лепестка и его взаимодействие на обрабатываемую поверхность (в свою очередь, имеющую собственный микрорельеф) в результате которого происходит процесс съема и формирование шероховатости обработанной поверхности, вообще никем не рассматривался. Применение лепестковых кругов позволяет механизировать и автоматизировать операции отделочной обработки, создает условия для многостаночного обслуживания. Технологический процесс изготовления ЛК несложен и доступен практически любому машиностроительному предприятию. Однако ЛК обладает некоторыми особенностями, без знания которых нельзя добиться высокой эффективности применения его в производстве. Оптимальные режимы обработки, правильный выбор конструкции выбор абразивного материала все это остается целью дальнейших исследований. При соответствующей квалификации рабочего, при правильном подборе режимов резания, шлифовальной шкурки и конструкции этот инструмент найдет эффективное применение в любых типах производства. Исследования проведенные А.И. Гдалевичем, Л.В. Худобиным по съему и шероховатости носят чисто экспериментальный характер. Недостаток таких исследований, как известно, заключается в том, что использовать их можно только для тех же условий обработки, в которых проведены эксперименты. Несмотря на наличие ряда работ по исследованию обработки деталей лепестковыми кругами до сих пор не созданы теоретические основы этого процесса. В большинстве публикаций рассмотрены в основном экспериментальные данные для конкретных условий обработки. Для других условий требуется проводить дополнительные экспериментальные исследования, что в производственных условиях не всегда возможно. Эта проблема может быть решена разработкой теории взаимодействия лепесткового круга с обрабатываемой поверхностью и созданием на этой базе математической модели съема материала. Это позволит при внедрении данного процесса избежать дополнительных экспериментальных исследований и существенно расширить его технологические возможности. Оптимизация параметров обработки лепестковыми кругами на основе математической модели съема материала даст возможность обрабатывающим предприятиям выполнять эти операции наиболее экономически эффективно. На основании изложенного можно констатировать, что исследование и оптимизация обработки лепестковыми кругами актуальны для многих обрабатывающих отраслей и в первую очередь для машиностроения и приборостроения. Цель работы - разработка системы оптимизации обработки деталей лепестковыми кругами на основе математической модели процесса резания. Для реализации поставленной цели сформулированы следующие задачи: 1. Разработать математическую модель процесса резания периферией плоского лепесткового круга. исследовать режущий микрорельеф лепесткового круга и описать его математически; рассчитать математические ожидания количества зерен единичного лепестка, находящихся в контакте с обрабатываемым материалом и глубины их внедрения; определить силы взаимодействия лепестков круга с обрабатываемой поверхностью; разработать теоретическую математическую модель процесса съема материала; получить уравнение достижимой шероховатости обработанной поверхности по экспериментальным данным. 2. Разработать методики экспериментального исследования сил, съема и шероховатости. 3. Провести экспериментальное исследование сил, съема и шероховатости. 4. Разработать методику оптимизации параметров обработки лепестковым кругом и дать технологические рекомендации по обработке алюминиевого сплава В95пчТ, стали 45 HRC 52...54, стали 45 нормал., АЛ4, Л62 при цилиндрическом шлифовании. 5. Разработать программное обеспечение для выполнения поставленных задач.
Количество зерен лепестка в контакте с обрабатываемой поверхностью
На рис.4.16. представлены два графика зависимости вертикальной составляющей силы резания от деформации лепесткового круга. График экспериментальной зависимости построен по данным таблицы 4.2 для обрабатываемого материала АЛ4.
Теоретический расчет вертикальной составляющей силы резания был проведен для лепесткового круга прямого профиля 14АП1005 СФЖ У 1С 8Н ГОСТ 13344-79, с длиной лепестка 0,060 м (табл. 4.3),шириной круга 0,050 м скоростью круга 25 м/с (табл. 4.4).
На рис. 4.17 приведена зависимость теоретически рассчитанной вертикальной составляющей силы резания от угла наклона лепестка относительно вертикальной оси. Эта зависимость носит экстремальный характер. В области положительных значений угла наклона лепестка, по мере приближения к нулевой линии, возрастает значение вертикальной составляющей силы резания. Это происходит вследствие роста упругих сил из-за увеличения деформации лепестка и нормальной к обрабатываемой поверхности составляющей центробежной силы. Если сравнивать зависимости, показанные на рис. 4.17 (п=1550 об./мин.), и зависимости рис. 4.18 (п=160 об./мин.), то можно заметить, что в области отрицательных углов наклона лепестка кривые значительно отличаются. Установлено, что зависимость на рис. 4.17 характерна для больших частот вращения, а на рис. 4.18 - для малых. При большой скорости вращения круга центробежная составляющая силы резания на несколько порядков выше, чем при малых частотах вращения, это и сказывается на величине вертикальной составляющей силы резания в области отрицательных углов наклона лепестка.
Динамическая составляющая силы резания в данных расчетах не учитывалась, т.к. она составляет 0,7-0,9% от пластической составляющей силы резания (для VKp = 25 м/с [9]). Увеличение деформации круга приводит к росту как горизонтальной, так и вертикальной составляющих силы. Это обусловлено увеличением деформации лепестков, а, следовательно, и упругой составляющей силы.
Увеличение частоты вращения круга также приводит к росту сил, действующих на обрабатываемую поверхность, что связано с увеличением центробежной составляющей.
Сопоставляя теоретические и экспериментальные данные по вертикальной составляющей силы резания (см. 4.13 и 4.16) можно предположить, что расхождение полученных данных обусловлено тем, что не было учтено взаимодействие лепестков друг на друга, так как в процессе резания участвуют не отдельно взятые лепестки, а пакеты из лепестков.
Взаимное влияние лепестков необходимо учитывать коэффициентом уплотнения, который представляет собой отношение экспериментальных значений силы к теоретическим. Па результатам исследования установлен, что данный коэффициент находится в пределах ку=1,06-1,29.
В ходе проведенных экспериментов было установлено, что расхождение теоретических и экспериментальных значений вертикальной составляющей силы резания не значительное. И эти проверенные теоретические данные могут служить основой дальнейших расчетов по определению величины съема металла. Выводы по главе 4
Разработанная математическая модель воздействия отдельных лепестков и круга в целом на обрабатываемую поверхность по силам резания адекватно отображает реальный процесс, что подтверждено экспериментальными данными.
При обработке цилиндрическими лепестковыми кругами сила воздействия лепестка состоит из упругой и центробежной составляющих. Установлено, что нормальная и тангенциальная силы воздействия лепестка на обрабатываемую поверхность в зависимости от угла его расположения в процессе обработки носят экстремальный характер. Это обусловлено изменением величины деформации лепестка и направлением центробежной составляющей силы. При этом центробежная сила существенно больше упругой (на несколько порядков). Это относится как к нормальной, так и к тангенциальной составляющим.
Установлено, что центробежная составляющая силы существенно больше упругой (на несколько порядков). Это относится как к нормальной, так и к тангенциальной составляющим.
С увеличением деформации круга и скорости его вращения силы растут в связи с увеличением изгиба лепестка (упругая составляющая силы) и центробежной составляющей.
Проверка математической модели взаимодействия лепесткового круга с обрабатываемой деталью по силам резания дает основание предполагать, что она окажется также эффективной при определении величины съема металла.
Теоретический расчет съема металла при взаимодействии лепесткового круга с обрабатываемой поверхностью
Разработанная математическая модель съема материала адекватно отображает реальный процесс обработки лепестковым кругом, что подтверждено экспериментальными данными. Интенсивность съема материала зависит от объема материала, удаляемого в виде стружки и объема пластически деформированного материала при воздействии зерен на обрабатываемую поверхность, от циклической прочности материала при малоцикловой усталости, от количества лепестков, находящихся в контакте, частоты вращения круга и продолжительности обработки. Предложена характеристика режущего микрорельефа - его острота, которая, в отличие от зернистости, хорошо коррелирует с интенсивностью съема и достижимой шероховатостью обработанной поверхности. Исследование математической модели съема с помощью разработанной программы на ЭВМ показало, что при заданном материале детали с увеличением скорости резания, деформации лепесткового круга, остроты режущего рельефа интенсивность съема растет. От продольной подачи съем материала не зависит. Установлено влияние длины лепестков на съем материала. При обработке лепестковыми кругами обработанная поверхность может характеризоваться как достижимой, так и текущей шероховатостью. Экспериментальные исследования показали, что с увеличением скорости резания, деформации лепесткового круга и остроты режущего рельефа достижимая шероховатость растет. Установленная линейная зависимость достижимой шероховатости от математического ожидания глубины внедрения зерен позволяет определить достижимую шероховатость обработанной поверхности для любого обрабатываемого материала по результатам теоретического расчета величины Е(УЕ). Целью данного раздела работы является разработка системы оптимизации процесса обработки деталей лепестковыми кругами на основе математической модели формирования поверхностного слоя по шероховатости. При ведении процесса на постоянных режимах под оптимизацией будет пониматься однократный процесс достижения экстремальной цели, т.е. минимального или максимального значения критерия эффективности. Такие условия ведения процесса являются статическими. В качестве критерия оптимизации принимаем целевую экономическую функцию (ЦЭФ). Целевая экономическая функция предназначена для оценки себестоимости всех вариантов процесса и выбора условий обработки с наименьшим ее значением. В состав ЦЭФ входят следующие целевые функции (ЦФ): ЦФ основного времени обработки Т0; ЦФ затрат на расход электроэнергии в единицу времени работы Зэл5 ЦФ стоимости лепесткового круга на выполнение операции С. Ограничительной функцией (ОФ) является уравнение достижимой шероховатости (5.26) или данные табл. 6.3, которая была составлена с использованием экспериментальных данных приведенных в [5]. Ограничением при оптимизации могла быть температура резания, но, как показали расчеты по [47], локальная температура при цилиндрическом шлифовании лепестковым кругом достигает 251 С, а средняя температура на участке резания - 70С. При экспериментальном определении температуры [9] для цилиндрической обработки зафиксирована температура 200С. Поэтому при оптимизации это ограничение не учитывалось.
Оптимизация на уровне целевой экономической функции (ЦЭФ) характеризуется совокупностью факторов. Множество факторов можно разбить на подмножества. 1. Подмножество измеряемых и регулируемых в процессе выполнения операции входных переменных. Для целевой функции (ЦФ) основного времени обработки То - это скорость резания V, деформация круга А, продольная подача Snp, зернистость круга Z. 2. Подмножество измеряемых и нерегулируемых в процессе выполнения операции входных переменных. Для (ЦФ) основного времени обработки То - это заданная по чертежу шероховатость обработанной поверхности (RaK), параметры микрорельефа абразивной шкурки (т,п(0),ст), физико-механические свойства обрабатываемого материала (К, тв, tn, yi0), показатели качества исходного состояния обрабатываемой поверхности (Ra0), размеры обрабатываемой поверхности (L, Вщ), параметры лепесткового круга (Е, I, N); для ЦФ затрат на расход электроэнергии в единицу времени работы Зэл - это требуемая мощность привода (NJJJ) и стоимость одного кВт часа (Сэл); Для ЦФ стоимости лепесткового круга на выполнение операции С - это стоимость лепесткового круга (Скр), интенсивность износа лепестков (q), размеры обрабатываемой поверхности (L, Вщ); для ЦЭФ в целом - это тарифная ставка рабочего (Ст), вспомогательное время операции (TJ. 3. Подмножество выходных параметров. Для ЦЭФ - себестоимость операции обработки лепестковым кругом.
