Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и перспективы развития камерной обработки 8
1.1 Производительность и качество при финишной обработке поверхностей деталей типа дисков и кулачков 8
1.2 Развитие методов финишной обработки деталей уплотненным абразивом 11
2. Характерные особенности исследуемого способа финишной обработки деталей уплотненной абразивной средой 27
2.1 Характерные особенности способа камерной обработки деталей типа дисков и кулачков 27
2.2 Теоретические исследования контактного взаимодействия уплотненной абразивной среды с обрабатываемыми деталями 54
2.3 Влияние основных параметров обработки на шероховатость поверхности 79
3. Обрабатывающие среды, используемые при камерной обработке 105
3.1 Роль смазочно-охлаждающей жидкости в исследуемом способе обработки деталей 105
3.2 Обрабатываемые среды, используемые при камерном способе обработки деталей 108
4 Экспериментальные исследования процесса обработки деталей уплотненным абразивом 116
4.1 Оборудование, аппаратура и методика проведения экспериментальных исследований 116
4.2 Исследование производительности способа обработки деталей статически уплотненным абразивом 125
5. Практические рекомендации и технико - экономическая эффективность применения предлагаемого камерного способа 143
5.1 Основные этапы разработки технологии 143
5.2 Методика расчета рациональных режимов обработки деталей типа дисков и кулачков уплотненным абразивом 147
Общие выводы .162
Список сокращений 164
Литература 165
Приложения... 178
Приложение 1 179
Приложение 2 180
Приложение 3 194
Приложение 4 196
Приложение 5 206
Приложение 6 213
Приложение 7 216
- Развитие методов финишной обработки деталей уплотненным абразивом
- Теоретические исследования контактного взаимодействия уплотненной абразивной среды с обрабатываемыми деталями
- Обрабатываемые среды, используемые при камерном способе обработки деталей
- Исследование производительности способа обработки деталей статически уплотненным абразивом
Развитие методов финишной обработки деталей уплотненным абразивом
В настоящее время разработано и исследовано большое количество различных чистовых методов окончательной обработки деталей. Все они могут быть объединены в четыре группы: методы обработки лезвийными инструментами, связанным и свободным абразивом, а также методы, основанные на пластическом деформировании поверхностного слоя. Однако номенклатура обрабатываемых деталей настолько многообразна, что при выборе метода финишной обработки иногда не удается удовлетворительно решить поставленную задачу и получить обрабатываемую поверхность, соответствующую техническим требованиям. Так весьма трудоемкой, а в ряде случаев и невозможной является финишная обработка известными методами деталей типа дисков и кулачков, а также сравнительно крупных сложнопрофильных деталей типа тел вращения.
Для практической реализации данного способа разработаны различные способы обработки и устройства, выполнены теоретические и экспериментальные исследования. Методы обработки деталей уплотненным абразивом представляют собой процесс съема материала, который происходит в результате контактного взаимодействия обрабатываемой поверхности детали с поджимаемой к ней каким-либо образом уплотненной абразивной средой.
Процесс магнитно-абразивной абразивной обработки - это механический или немеханический съем материала и его окислов с поверхности обрабатываемых деталей, а также сглаживание микронеровностей путем их пластического деформирования зернами магнитно-абразивного порошка. Для обработки поверхности детали 1, помещенной между наконечниками 2 электромагнита 3, сообщают движение, например, вращение и (или) осцилляцию вдоль горизонтальной оси. Подают напряжение на катушки электромагнита, в результате чего между полюсными наконечниками наводится магнитный поток. В зазоры между деталью и полюсными наконечниками подают магнитно-абразивный порошок 4, который удерживается там энергией постоянного магнитного поля.
Процесс магнитно-абразивной обработки осуществляется в форме микрорезания и микровыглаживания, которые носят ориентированный и избирательный характер. Это проявляется в том, что при сравнительно больших величинах микровыступов зерна порошка контактируют преимущественно с вершинами гребешков, являющихся концентраторами магнитных силовых линий. В этом случае каждое зерно в магнитном поле устанавливается наибольшей осью по направлению к обрабатываемой поверхности детали. По мере износа и затупления вершин происходит переориентация зерна таким образом, что вновь образовавшаяся наибольшая ось направляется вдоль силовых магнитных линий. В результате этого обработка поверхности детали производится острыми кромками, т.е. имеет процесс ориентированного абразивного резания.
Положительной стороной при магнитно-абразивной обработке является наличие в зоне протекания процесса смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ), которая является носителем поверхностно-активных веществ. Это обеспечивает возникновение процесса электролиза, в ходе которого растворяются поверхностный слой детали и ферромагнитная основа зерен порошка. Анодное растворение металла поверхности детали влияет на величину съема, а растворение ферромагнитной основы зерен обеспечивает вскрытие абразивных частиц, что способствует увеличению их режущей способности.
Связкой обрабатывающей среды при магнитно-абразивной обработ 14 ке является энергия магнитного поля, удерживающая зерна порошка в подвижно-связанном состоянии и координирующая их относительно обрабатываемой поверхности детали. Изменяя напряженность магнитного поля, можно в широких пределах изменять условия обработки.
Магнитно-абразивный метод полирования обеспечивает обработку деталей практически любой геометрической формы из магнитных и немагнитных материалов. Он может быть использован как для размерной, так для безразмерной (декоративной) обработки. Производительность процесса обеспечивает за 10...20 с съем металла в пределах 0,02...0,5 мм на диаметр; при этом может быть снижение шероховатости поверхности с Ra -1,25...0,32 мкм до Ra = 0,08...0,01 мкм с Ra = 10,0...2,5 мкм до Ra = 0,32...0,08 мкм. Метод обеспечивает сохранение геометрических размеров в пределах допуска, оставленного для операции шлифования.
В отличие от магнитно-абразивного метода обработки, где в качестве обрабатывающей среды могут использоваться только специальные материалы, обладающие определенными магнитными свойствами, при всех других способах уплотнения обрабатывающей среды могут использоваться любые материалы обладающие абразивными или полирующими свойствами. Процесс обработки деталей в методе обработки деталей свободным абразивом, уплотненным инерционными силами осуществляется следующим образом. Обрабатывающую среду помещают в барабан, которому сообщают вращение с некоторой угловой скоростью. Под действием инерционных сил и сил трения абразивных частиц между собой и внутренней поверхностью барабана обрабатывающая среда определенным образом уплотняется и начинает вращаться вместе с барабаном. Процесс обработки осуществляется путем ввода во взаимодействие с этой уплотненной обрабатывающей средой детали, которой могут сообщаться самые разнообразные движения.
Данным методом, как и магнитно-абразивным, могут обрабатываться детали самой разнообразной формы из различных материалов. Существуют различные схемы обработки уплотненным потоком свободного абразива, которые приведены в работах [53, 121]. Так схема обработки, позволяющая осуществлять полирование плоских поверхностей деталей, а также поверхностей с глубиной профиля 5... 10 мм, используется для получения деталей с чистотой поверхности до Ra = 0,4 мкм при исходной шероховатости Ra = 3,2 мкм. В качестве обрабатывающей среды рекомендуется использовать абразив средней зернистости в пределах Z = 25... 80. Инерционно-уплотненный абразив можно также использовать для полирования внутренних поверхностей вращения деталей. Две возможные схемы такой обработки приведены в работах [53, 121]. Инерционно-уплотненный абразив может быть также использован и для обработки наружных поверхностей деталей. В работе [53] приводится схема обработки, которая может быть использована для полирования наружных поверхностей деталей с небольшой глубиной фасонного профиля.
Проведение исследования [53] показали, что основное влияние, как на производительность процесса, так и на величину шероховатости формируемой поверхности, оказывают скорость вращения барабана, зернистость абразива и продолжительность полирования.
Теоретические исследования контактного взаимодействия уплотненной абразивной среды с обрабатываемыми деталями
Развитие алмазно-абразивной обработки непосредственно связано с исследованием процессов, протекающих в зоне контакта зерен инструмента с обрабатываемым материалом. Вопросы формирования обрабатываемой поверхности являются наиболее важными при исследовании процесса алмазно-абразивной обработки, так как знание механизма образования обрабатываемой поверхности позволяет прогнозировать качество обработки, а также разрабатывать новые технологические процессы, которые обеспечивают производительность и качество поверхности детали. Одним из наиболее распространенных методов точной и производительной обработки деталей является шлифование.
Так как шлифование является процессом массового микрорезания отдельными абразивными зернами, то направление исследования велось по закономерности резания единичным зерном, что позволило значительно упростить анализ явлений, протекающих при шлифовании.
В настоящее время существует большое количество работ [33, 34, 36] по исследованию процесса резания связанным абразивным зерном, закономерностям образования поверхности, а также процессов при шлифовании эластичными абразивными кругами и лентами, хонингования, доводки и полирования деталей. Поскольку эти процессы раскрывают физическую сущность абразивного воздействия и дают возможность установить оптимальные режимы резания процесса обработки.
Известно, что в любом виде абразивной обработки оказывается абразивное воздействие совокупности единичных зерен на поверхность обрабатываемой детали. Конкретное абразивное зерно в зависимости от его материала и зернистости имеет определенные геометрические размеры, радиус округления р и угол ф между гранями, образующими вершину абразивной частицы.
В случае малых значений глубины царапанья h величины углов ух и 5Х становятся настолько большими, что резание становится практически невозможным и происходит смятие металла или его пластическое деформирование. При незначительных величинах h может иметь место только упругое деформирование металла.
По данным работ [38, 39] процесс стружкообразования для резания без смазки осуществляется при /г/р ОД, а со смазкой - при hip 0,2.. .0,5. Таким образом, в зависимости от соотношения /гир при абразивном воздействии на обрабатываемую поверхность имеет место упругое деформирование, пластическое деформирование и микрорезание.
В жестком абразивном круге, бруске или абразивном полотне зерна, как правило, располагаются над рабочей поверхностью на разных уровнях. В этом случае при обработке деталей имеют место все три вида абразивного воздействия одновременно.
Пластическое деформирование и физико-механические свойства металла детали, подвергаемой обработке, имеют огромное значение при стружкообразовании в условиях абразивной обработки. Для оценки доли объема срезаемого металла по всему объему царапины, согласно работе [21] был введен коэффициент стружкообразования Кс, представляющий собой отношение объема металла, удаляемого в виде микростружки Vc, к теоретическому объему царапины ц, т.е.
В работе [21] отмечается, что в реальных условиях с увеличением глубины микрорезания скачкообразного перехода от процесса снятия металла к отделению стружки не наблюдается. Процесс диспергирования металла начинается в этом случае при относительной глубине микрорезания h I р = 0,04...0,08 и осуществляется микровыступами на поверхности зерен. Микронеровности и субмикронеровности на рабочей поверхности зерен даже при малых глубинах осуществляют микрорезание, поэтому очень трудно зафиксировать момент перехода от трения к резанию.
Внешняя сила, действующая на единичное абразивное зерно, может быть разложена на нормальную силу Ру, прижимающую зерно к обрабатываемой поверхности, и тангенциальную силу Pz, возникающую при перемещении абразивного зерна и срезающую металл. При обработке связанным абразивом соотношение этих сил зависит от фактического переднего угла у и коэффициента трения при микрорезании д. [67, 93].
В соответствии с изложенным, весьма актуальной является задача по теоретическому и экспериментальному исследованию процесса контактного взаимодействия обрабатываемой среды с поверхностью детали при камерном способе абразивной обработки.
Следует отметить, что камерный способ обработки деталей уплотненной абразивной средой отличается простотой и доступностью. При этом широкий диапазон изменения технологических параметров процесса обеспечивает возможность его использования для обработки деталей из самых различных материалов и самой различной формы. В качестве примера, способ может быть использован для полирования фасонных поверхностей деталей типа внутреннего кольца подшипника качения и типа кулачка или эксцентрика до шероховатости поверхности по параметру Ra = 0,05 мкм, а также для удаления заусенцев и округления кромок на наружных цилиндрических, в том числе и фасонных, поверхностях с пазами различной формы.
Сущность камерного способа (рисунок 1.4 а) обработки заключается в том, что закрепленную на оправке деталь помещают в рабочую камеру с обрабатывающей средой и сообщают ей вращение, после чего подают сжатый воздух в камеру давления с внутренней эластичной стенкой. Посредством эластичной стенки передается давление обрабатывающей среде, что обеспечивает ее уплотнение и прижатие к поверхности вращающейся детали [7, 8].
В исследованиях [62, 64], посвященных камерному способу обработки, основное внимание уделено термодинамическим параметрам процесса. При определении давления, оказываемого уплотненной обрабатывающей средой на поверхность детали, делается допущение о том, что оно равно давлению, которое действует на эластичную оболочку [93].
Согласно проведенным экспериментам [93], при камерной обработке деталей по мере уменьшения их диаметров, при остальных одинаковых параметрах, интенсивность воздействия обрабатывающей среды на поверхность может, как увеличиться, так и уменьшиться. Следует отметить, что с увеличением давления, при неизменности остальных параметров, интенсивность воздействия обрабатывающей среды на поверхность может, как увеличиваться, так и уменьшаться.
Увеличение интенсивности воздействия обрабатывающей среды на деталь в обоих случаях, может быть объяснено увеличением давления, с которым абразивные частицы воздействуют на поверхность. Уменьшение интенсивности воздействия обрабатывающей среды на деталь является следствием того, что с увеличением давления увеличивается вероятность проворота абразивных частиц относительно обрабатываемой детали [107].
Обрабатываемые среды, используемые при камерном способе обработки деталей
В настоящее время широкое применение находят следующие абразивные материалы: электрокорунд нормальный марок 14А, 15А; электрокорунд белый марок 24А и 25А зернистостью 16...200 (шлифзерно); 3...12 (шлифпо-рошки); М14, М20, М28, М40, М50, М63 (микропорошки) и М5, М7, М10 (тонкие микропорошки). Выбор данных марок абразивного материала, обусловлен его высокими режущими свойствами и сравнительно высокой износостойкостью, и способностью обеспечивать хорошее качество обработанной поверхности. Кроме того, эти марки абразивного материала относительно дешевые и наиболее распространенные. Абразивный материал выбирают исходя из его основных характеристик: зернистости и износостойкости. При этом следует ориентироваться на следующие рекомендации. Согласно исследованиям [93] съем металла возрастает с увеличением зернистости. Это объясняется тем, что более крупные абразивные частицы имеют большую массу и с большей нормальной силой прижимаются к обрабатываемой поверхности, т.е. имеет место большое контактное давление. В связи с этим, даже при одном и том же микропрофиле вершины зерна съем в этом случае будет интенсивнее. Кроме того, более крупные зерна обладают меньшей прочностью, и их процесс самозатачивания происходит быстрее. При этом более эффективно поддерживаются режущие способности абразивного зерна. В рассматриваемом способе обработки свободное абразивное зерно, находящееся в зоне контакта, под действием давления сжатого воздуха, постоянно прижимается к обрабатываемой поверхности и в относительном движении, перемещаясь по ней, огибает все неровности поверхности, встречаю щиеся на его пути.
Мелкое абразивное зерно, величина которого соизмерима с шагом неровностей поверхности, более точно копирует микропрофиль поверхности при своем движении и производит съем металла, как с вершин неровностей, так и во впадинах. Нивелирование поверхности в этом случае производится медленнее, и при заданном времени обработки шероховатость поверхности снижается на меньшую величину, чем в случае, если бы абразивное зерно удаляло металл только с вершин неровностей.
Крупное абразивное зерно своими размерами перекрывает шаг неровностей профиля обрабатываемой поверхности, вследствие чего в относительном движении больше касается выступов неровностей профиля, чем впадин. Поэтому съем металла в большей степени производится с вершин неровностей, нивелирование поверхности производится быстрее и при одном и том же времени обработки, шероховатость снижается на большую величину по сравнению с процессом обработки мелким абразивным зерном.
Однако, для деталей из нетермообработанных сталей, легированных сталей и деталей из цветных металлов и сплавов предпочтительнее обработка мелкими абразивными зернами, так как абразивные зерна крупных зернисто-стей долее хрупкие по сравнению с абразивными микропорошками и при увеличении давления на абразивный слой могут охрупчиваться, что приводит к шаржированию полируемой поверхности частицами обрабатывающей среды.
Опыт эксплуатации установок для камерной обработки деталей показал, что интенсивность износа абразивного наполнителя существенно влияет на производительность обработки и качество обработанных поверхностей деталей. Естественно, что определенное количество смен работы в абразивной массе будет накапливаться число изношенных абразивных частиц, что приводит к необходимости замены всей массы обрабатывающей среды в камере. В связи с этим представляет определенный интерес по изучению характера износа абразивных частиц в этом способе обработки.
Износ абразивных частиц в данном способе происходит не только за счет абразивного воздействия на обрабатываемую поверхность, но и за счет трения абразивных частиц между собой. При этом происходит скалывание острых вершин и углов, трансформирующих микрогеометрию зерна, а также изменение микрорельефа поверхностей абразивных зерен. Равенство параметров микрорельефа у абразивных частиц разных размеров является вполне естественным, так как мелкие абразивные зерна образуются дроблением более крупных и каждую неровность на поверхности крупного зерна можно рассматривать как микронеровность будущего мелкого зерна.
Одной из характерных особенностей камерной обработки, является интенсивный износ абразивного наполнителя. Износ проявляется в уменьшении размеров всех зерен, в результате чего часть их переходит в более мелкие фракции.
Исследования влияния СОЖ на износ абразивных зерен [93] показывают, что наибольший износ наблюдается при подготовке обрабатывающей среды на основе чистой воды. Значительно меньший износ абразивных зерен при добавках в СОЖ поверхностно-активных веществ (ПАВ): эмульсола, технического мыла, соды и др. Объясняется это тем, что в состав ПАВ входят жирные кислоты, которые обладают кроме поверхностно-активных, еще и смазывающими свойствами. ПАВ способствует уменьшению сил микрорезания, что обеспечивает меньший износ.
Исследование производительности способа обработки деталей статически уплотненным абразивом
На производительность исследуемого способа обработки оказывают влияние целый ряд факторов. Анализируя результаты теоретических исследований и априорную информацию, можно выделить следующие из них: 1. Время обработки t. 2. Величина подводимого давления сжатого воздуха Р. 3. Зернистость абразивной среды Z. 4. Скорость резания V. Традиционный метод проведения исследований, при котором эксперимент ведется так, что, варьируя в каждом опыте одну переменную вел и-чину, поочередно рассматривают большое количество факторов, при из у-чении сложных многофакторных процессов, к которым относится исследуемый способ обработки, оказывается весьма трудоемким. Кроме того, большая часть получаемой при таком подходе информации не представляет практического интереса, так как находится далеко от области оптимума. При традиционном методе проведения экспериментов не всегда удается получить раздельные оценки влияния факторов на параметр оптимизации, невыявленными остаются эффекты взаимодействия факторов.
В связи с этим, исследование производительности предлагаемого способа обработки проводилось по методике многофакторного планиров а-ния эксперимента, которая позволяет значительно сократить объем экспериментальных работ и существенно повысить эффективность исследований.
Уровни и интервалы варьирования факторов выбирались на основе результатов теоретических исследований, полученных в главе 2, а также исходя из ранее проведенных исследований [93] и предварительных поисковых экспериментов. Рассматриваемые технологические факторы, их уровни и интервалы варьирования приведены в таблице 4.1. С целью упрощения обработки экспериментальных данных было введено кодовое обозначение факторов по формулам, которые для принятых уровней и интервалов имеют вид: 1 0,46 2 0,05 3 2 4 0,4 При проведении экспериментов выполнялось требование ранд оми 127 зации. Дисперсия воспроизводимости опытов определялась по результатам трех экспериментов в центре плана. Матрица планирования эксперимента и результаты измерения удельного массового объема приведены в приложении 1, где У - функция отклика. С целью обеспечения точности и трудоемкости расчетов обработка экспериментальных данных осуществлялась с применением ПЭВМ типа ГОМ PC по разработанной программе, которая представлена в приложении 2.
Полученная зависимость является линейной, что свидетельствует о стабильности протекания процесса обработки и подтверждает правильность теоретических предположений, на основании которых были установлены интервалы варьирования факторов.
Проведем анализ влияния режимов и условий обработки на производительность процесса. С этой целью в графическом виде построим частные зависимости величины массового съема от отдельных технологических факторов при фиксированных значениях остальных парамйрфюсунке 4.7 показана зависимость удельного массового съема от времени обработки деталей. Из рисунка видно, что с увеличением продолжительности обработки съем металла возрастает по линейному закону, что свидетельствует о п о-стоянстве режущей способности абразивной среды. Q,мг/см2 12 9 6 3 0 ґ г з 5 U Во всех рассматриваемых способах с увеличением значений данных параметров съем металла возрастает. При этом по сравнению с другими факторами влияние зернистости среды является менее значительным. Это связано с тем, что хотя при возрастании зернистости среды происходит диспергирование большего объема металла за счет увеличения рабочей поверхности частиц и возрастания числа выступов микрорельефа, распол а-гающихся на ней, однако, в месте с тем, имеет место снижение числа абразивных зерен, участвующих в процессе резания [53, 93]. Совместное де й 132 ствие указанных причин приводит к указанному характеру зависим ости.
Главное назначение обработки деталей в уплотненной абразивной среде состоит в обеспечении конструктивно заданного качества поверхности детали. В связи с этим основными характеристиками данного способа являются показатели качества поверхностного слоя детали. При этом наиболее важное значение имеет величина шероховатости поверхности, до с-тигаемая после обработки. Это объясняется тем, что на практике в большинстве случаев с целью обеспечения высоких эксплуатационных свойств от детали требуется низкая шероховатость поверхности.
Полирование деталей в уплотненной абразивной среде предлагаемым способом, как уже отмечалось ранее, является тонким способом финишной обработки. Удаление материала детали в нем производится микровыступами абразивного зерна. При этом толщина снимаемых микростружек не превышает 0,2 - 0,3 мкм, что обеспечивает получение малой высоты неровностей.
При полировании деталей из закаленной стали 45 (60 - 63 HRC3) абразивом, уплотненным инерционными силами, достигается высота неровностей Ra = 0,1 - 0,2 мкм (при исходной шероховатости Д, = 1,3 - 1,5 мкм) [53]. Камерный метод абразивной обработки обеспечивает получение поверхностей с шероховатостью Ra = 0,05 - 0,15 мкм (при исходной Д = 0,6 -0,8 мкм) [7].
Принимая во внимание принципиальное единство методов обработки в уплотненной абразивной среде, можно предположить, что в исследуемых способах будет иметь место шероховатость поверхности той же величины, что и в других. Однако в предлагаемом способе присущи свои ос о-бенности, проявляющиеся в характере влияния технологических факторов. В связи с вышеизложенным возникает необходимость в экспериментальном исследовании величины шероховатости в рассматриваемом способе обработки.
