Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса. Цель и задачи исследования 7
1.1 Перспективы применения профильного алмазного шлифования 7
1.2 Вопросы обеспечения точности и эффективности профильного алмазного шлифования 10
1.2.1 Получение профильных алмазных кругов 10
1.2.2 Пути повышения точности и эффективности алмазного шлифования изделий сложной формы 20
1.3 Выводы, цель и задачи исследований 24
2. Теоретическое исследование износа алмазного круга и точности профильного шлифования 27
2.1 Системный анализ факторов, определяющих точность и эффективность профильного шлифования : 27
2.2 Определение износа алмазного круга сложного профиля 40
2.3 Выводы по главе 51
3. Экспериментальное исследование износа профильных алмазных кругов 53
3.1 Методика экспериментальных исследований 53
3.2 Исследование удельного расхода алмазов при шлифовании 64
3.3 Экспериментальное исследование износа круга при профильном алмазном шлифовании круга
Общие выводы 111
Литература 113
Приложение 131
- Вопросы обеспечения точности и эффективности профильного алмазного шлифования
- Пути повышения точности и эффективности алмазного шлифования изделий сложной формы
- Определение износа алмазного круга сложного профиля
- Исследование удельного расхода алмазов при шлифовании
Введение к работе
В различных отраслях машиностроения используются детали сложной конфигурации, изготавливаемые из труднообрабатываемых материалов, таких, как твёрдые сплавы, керамика, магнитные сплавы, титановые сплавы и другие. Одним из наиболее эффективных методов, используемых при изготовлении таких изделий, является профильное алмазное шлифование. Вместе с тем, для профильного алмазного шлифования остается недостаточно изученным вопрос, связанный с повышением точности и производительности правки алмазного круга в процессе обработки. Таким образом, задача, связанная с повышением'эффективности профильного алмазного шлифования, является актуальной.
Различным аспектам теории и практики алмазного шлифования посвящены работы В.Н. Бакуля, А.К. Байкалова, Д.Г. Евсеева, А.В. Королева, С.Н. Корчака, Е.Н. Маслова, А.Н. Резникова, Л.Н. Филимонова, Л.В. Худобина и др. Вопросы профильного шлифования рассмотрены в работах В.Д. Дорофеева, А.И. Исаева, В.А. Сипайлова, А.Н. Филина, А.В. Якимова, П.И. Яще-рицына и ряда зарубежных ученых.
Наиболее эффективным и универсальным методом правки алмазных кругов на металлических связках со сложной геометрий рабочей поверхности является электроэрозионный. В результате проведенного анализа установлено, что условия правки шлифовального круга оказывают существенное влияние на технологические показатели процесса профильного шлифования и, следовательно, являются важным управляющим фактором на шлифовальных операциях. Вместе с тем, некоторые важные вопросы, касающиеся правки алмазных шлифовальных кругов на металлических связках, остаются нерешенными.
Цель работы - повышение точности и производительности профильного алмазного шлифования за счет раскрытия основных закономерностей из-
носа круга в процессе обработки и формирования его рабочей поверхности при правке.
Для достижения этой цели в работе решены следующие задачи:
Выполнено ранжирование технологических факторов по степени их влияния на точность и эффективность профильного врезного шлифования алмазными кругами на металлических связках.
Выявлены закономерности износа алмазного круга на различных участ-ках фасонного профиля в процессе шлифования.
Экспериментально исследовано влияние технологических режимов шлифования и условий обработки на удельный расход алмазов.
Установлены закономерности формирования высотных параметров рельефа металлической связки алмазного шлифовального круга при его правке.
Разработаны научно обоснованные практические рекомендации по совершенствованию технологии правки алмазных шлифовальных кругов и повышению точности и эффективности профильного алмазного шлифования.
Основные положения, выносимые на защиту:
Результаты системного анализа влияния технологических факторов на точность и эффективность профильного врезного алмазного шлифования.
Закономерности износа алмазного шлифовального круга на различных участках фасонного профиля.
Зависимость, отражающая влияние технологических режимов и условий обработки на удельный расход алмазов, определяющий интенсивность износа шлифовального круга.
4 * Вероятностно-статистическая модель рельефа металлической связки ал
мазного шлифовального круга, формируемого при его правке.
5 Рекомендации по совершенствованию технологии правки алмазных кру
гов и повышению точности и эффективности операций профильного шлифо
вания.
Диссертационная работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет» на кафедре «Технология машиностроения» в тесном сотрудничестве с рядом промышленных предприятий.
Вопросы обеспечения точности и эффективности профильного алмазного шлифования
Точностные характеристики изделия, достигаемые при профильном шлифовании, определяются исходной точностью профиля рабочей поверхности алмазного шлифовального круга и его размерной стойкостью в процессе обработки. Алмазные шлифовальные круги, используемые при профильном шлифовании, можно подразделить на две группы: многослойные и однослойные. Классификация методов изготовления алмазных шлифовальных кругов представлена на рисунке 1.1. Многослойные алмазные круги на металлических связках получают методами порошковой металлургии и литья, причем преобладает инструмент, изготовленный методами порошковой металлургии.
Сущность данного метода заключается в том, что алмазосодержащий материал, состоящий из абразивных частиц (алмаза, эльбора), металлических порошков и наполнителя, определяющих состав связки, в тщательно перемешанном виде подвергают прессованию, спеканию и горячей допрессовке. В результате процессов диффузии и расплавления легкоплавких компонентов образуется монолитный алмазосодержащий материал с необходимыми физико-механическими свойствами.
Пресс-формы являются сложной и дорогостоящей технологической оснасткой, применение которой экономически оправдывается при изготовлении больших партий алмазных шлифовальных кругов. В связи с этим заводы-изготовители организуют выпуск таких профильных кругов, форма которых регламентирована стандартом [42, 161, 169].
При изготовлении алмазных шлифовальных кругов методом литья алмазный порошок цементируется в форме с расплавленной металлической связкой при интенсивном перемешивании, либо насыщается расплавленной связкой в процессе вращения формы. Данный метод не нашел широкого применения, поскольку легкоплавкие компоненты связки, используемые при этом, не позволяют получать инструменты, обладающие высокой износостойкостью и хорошими режущими свойствами. Кроме того, возникают трудности обеспечения равномерного распределения зерен по объему.
Получение однослойных алмазных шлифовальных кругов может осуществляться различными методами. Широкое применение для изготовления кругов получили методы гальваностегии и гальванопластики.
По методу гальваностегии закрепление алмазного порошка на корпусе шлифовального инструмента осуществляется в два этапа: прикрепление порошка и его заращивание до необходимой высоты выступания. Перед прикреплением порошка на корпус наносится никелевый подслой толщиной 1...2 мкм. Прикрепление осуществляется в гальванической ванне при плотности то-ка 80 А/см и напряжении 12 В. В целях обеспечения равномерности прикрепления зерен по всей периферии корпуса, последний медленно поворачивается. После окончания процесса неприкрепившийся порошок смывают и осуществ-ляют заращивание зерен слоем никеля при шютности тока 250 А/смГ.
Метод гальваностегии отличается простотой реализации и позволяет обеспечить оперативность изготовления небольших партий алмазных шлифовальных кругов с различной формой профиля рабочей поверхности-. Алмазные круги, полученные этим методом, обладают высокой износостойкостью. Вместе с тем, возможности достижения высокой точности профиля здесь существенно ограничены и зависят от разновысотности закрепления зерен. Возника ют определенные трудности в обеспечении равномерного распределения зерен по поверхности в процессе их закрепления.
Точность изготовления алмазных шлифовальных кругов существенно повышается при использовании метода гальванопластики. Сущность данного метода заключается в следующем. На предварительно подготовленную поверхность специального кольца с профилем, эквидистантным профилю круга, гальваническим методом осаждают зерна и материал связки, затем устанавливают посадочное кольцо и в образовавшуюся полость заливают твердеющую композицию. После этого кольцо, изготовленное из легкоплавкого материала, расплавляют и получают готовый инструмент.
Поскольку алмазный порошок в процессе осаждения соприкасается с профильной поверхностью кольца, вершины зерен выстраиваются относительно этой поверхности, и точность профиля инструмента повышается.
Технология получения алмазных шлифовальных кругов методом гальванопластики значительно сложнее, чем по методу гальваностегии, и используется, главным образом, для получения алмазных правящих роликов.
Однослойные алмазные круги сложного профиля получают путем шаржирования (вкатывания) порошка фасонным роликом в мягкую основу или в незатвердевшую поверхность связки, состоящей из смеси порошкообразного металла с синтетической смолой [24]. В последнем случае операцию вкатывания осуществляют до полного затвердения связки. Точность профиля рабочей поверхности круга при использов.ании данного метода составляет 7...8 мкм.
Следует отметить, что вышеперечисленные методы обеспечивают нанесение одного слоя алмазосодержащего материала, поэтому срок службы таких шлифовальных инструментов во много раз меньше, чем многослойных.
Пути повышения точности и эффективности алмазного шлифования изделий сложной формы
Точность профильного алмазного шлифования в значительной степени зависит от размерной стойкости алмазного круга, которая, в свою-очередь, определяется износостойкостью алмазосодёожащего слоя-(алмазных зерен и связки) характером распределения припуска по профилю и условиями работы различных участков профиля круга.
Характер распределения? припуска определяется выбранным способом обработки изделия: «по целому» или по предварительно подготовленному профилю. Большое значение имеет также метод шлифования: глубинное или многопроходное. Однако очевидно, что в любом случае величина удаляемого припуска является одним из основных факторов, определяющих неравномерность износа профильного алмазного круга а, следовательно, и точность обработки.
Следует отметить, что очевидный факт влияния распределения припуска на неравномерность износа.заслоняет собой другой важный фактор: различные условия работы алмазных зерен, расположенных на; разных участках профиля. Так, в работах [12, 13] утверждается, что износ фасонного профиля алмазного круга пропорционален лишь величине припуска, удаляемого в соответствующей точке. Авторы работ [58, 59] учитывают только неравномерную площадь среза и площадь контакта круга с изделием. В работах [60, 152] основное внимание уделяется влиянию комплекса технологических параметров, в частности, соотношению врезной подачи, скорости круга и изделия. Это, безусловно, справедливо для рассмотренного случая, но носит частный характер и не учитывает влияние формы профиля рабочей поверхности.
Взаимодействие зерна с обрабатываемой поверхностью применительно к фасонному профилю рассмотрено в работах [61, 146, 147]. Однако, распространение закономерностей, присущих глубинному шлифованию, на обычное многопроходное, представляется не совсем корректным.
В работах [61...65] детально изучены особенности процесса алмазного резьбо- и зубошлифования. Вместе с тем, необходимо отметить, что экспериментальные исследования проводились при неизменной площади срезаемого слоя и постоянной производительности обработки, что при использовании кругов с различными углами профиля приводит к изменению глубины шлифования и вносит искажения в реальную картину процесса. Кроме того, не учитывалось изменение величины припуска по профилю.
В работе [3] установлено, что при возрастании глубины шлифования имеет место увеличение интенсивности теплообразования и, как следствие, -повышенный радиальный износ круга. В связи с вышеизложенным, рассмотрим основные направления, в соответствии с которыми предлагается решать проблему повышения размерной стойкости алмазных кругов.
В работе [6] предлагается осуществлять повышение стойкости алмазных кругов за счет формирования затылка на задней поверхности зерен в процессе электроэрозионного профилирования. Однако, это может привести к возрастанию трения между связкой и обрабатываемым материалом, к снижению режущих свойств инструмента и качества поверхности. Повышение размерной стойкости может быть достигнуто посредством улучшения работы зерен. Например, в работе [165] увеличение стойкости и режущей способности алмазных кругов радиусного профиля достигается за счет импрегнирования, снижающего засаливание рабочей поверхности. В работе [90] предлагается использовать специальные связки, содержащие поверхностно-активные вещества, снижающие поверхностную энергию и работу, затрачиваемую на шлифование.
Перечисленные способы повышают общую стойкость алмазных шлифовальных кругов, однако не позволяют устранить неравномерность износа на различных участках профиля.
Для достижения равномерного износа профиля фасонного алмазного круга в работе [101] предлагается увеличить концентрацию алмазов на малостойких участках до 150%. Вместе с тем, изготовление профильных кругов с различной концентрацией на разных участках профиля связано со значительными трудностями.
В работе [153] процесс врезного шлифования фасонных и ступенчатых поверхностей рассматривается в качественной и количественной связи статических и режимных характеристик системы «шлифовальный инструмент-деталь». При этом профили круга и детали представляют собой непрерывное множество составляющих их сечений, для каждого из которых закладывается в статическую систему такое сочетание технологически регулируемых характеристик, при котором обеспечивается синхронизация радиального износа шлифовального круга и удаляемого припуска по профилю обрабатываемой поверхности с выходом на наибольшее соответствие реального профиля номинальному в конце обработки. Реализация этой технологически регулируемой характеристики осуществляется за счет применения кругов с прерывистой рабочей поверхностью.
Более равномерный износ фасонного профиля достигается при использовании прерывистого круга с радиальными пазами по торцу [154] или прерывистого круга с выступами и впадинами переменной протяженности по профилю [7, 9]. Равномерность износа обеспечивается за счет того, что суммарная длина выступов в каждом сечении профиля прямо пропорциональна величине припуска, снимаемого в данном сечении. Однако как-установлено в работе [166], при шлифовании кругами с прерывистой рабочей поверхностью на зерна действуют ударные нагрузки, вызывающие интенсивное выкрашивание их из связки.
Для компенсации неизбежной неравномерности радиального износа профиля фасонного шлифовального круга в работе [8] первоначальный5 профиль круга корригируется на величину неравномерности износа. При шлифовании к моменту окончания обработки профиль рабочей поверхности круга и, соответственно, профиль обработанной детали принимают заданную форму.
При шлифовании прецизионных фасонных поверхностей предлагается [145] производить разделение цикла шлифования на предварительное и окончательное, которые осуществляются различными фасонными кругами. Даны, рекомендации по определению- необходимой конфигурации; профиля? кругов.
Аналогичным является решение, предложенное в работе [36]; согласно которому профиль шлифовального круга совпадает с окончательной формой профиля детали, а для компенсации неравномерного износа используется заготовка с корригированным распределением припуска, величина которого определяется так, чтобы радиальный износ круга по профилю имел постоянную величину. Оптимальное распределение припуска по полукруглому профилю определяется, исходя из соблюдения условия: V«P = АЛ = constV гдеХо и-Др - длина дуги контакта круга с деталью, соответственно, во впадине и в текущей точке профиля; to и-1 - величина припуска на заготовке, соответственно, во впадине и по нормали в текущей точке профиля. Недостатком приведенных решений является их частный характер, поскольку при коррекции профиля круга или припуска на заготовке учитываются только кинематические соотношения.
В работах [1, 60, 152] предприняты попытки управлять износом профильного круга за счет регулирования соотношения элементов режимов резания (скорости круга, скорости изделия и глубины шлифования). Подобные методы просты в реализации, однако очевидно, что управлять износом шлифовального круга со сложной конфигурацией профиля с их помощью невозможно.
В работах [35, 36, 107] предложено осуществлять шлифованием непрерывным управлением рельефом круга путем электрохимического воздействия на токопроводную связку вне зоны обработки. Это позволяет интенсифицировать процесс шлифования за счет устойчивого поддержания требуемого значения высоты выступания зерен. Вместе с тем, применение электролита усложняет технологию обработки и модернизацию оборудования, ухудшает гигиенические условия работы.
Определение износа алмазного круга сложного профиля
В процессе физико-механического взаимодействия алмазного шлифовального круга с обрабатываемой поверхностью имеет место эволюция геометрической формы его рабочей поверхности под действием износа.
При профильном шлифовании на разных участках профиля возникают различные динамические нагрузки и тепловой режим. Это приводит к тому, что износ алмазного шлифовального круга по профилю происходит неравномерно. В связи с тем, что формообразование поверхности изделия осуществляется путем простого копирования формы алмазного круга, неравномерность износа по профилю приобретает особенное значение для обеспечения требуемой точности обработки.
Таким образом, для определения возможности достижения требуемой точности и оценки размерной стойкости профильного шлифовального круга необходимо изучить характер изменения износа по профилю, а также определить его абсолютное значение.
Для сложных процессов, к которым относится износ алмазного круга в процессе шлифования, удобно воспользоваться методами математической физики, которая рассматривает протекание процесса не во всем изучаемом пространстве, а в элементарном объеме за один рабочий ход.
Выделим из алмазного круга элемент длины dL и рассмотрим его взаимодействие с обрабатываемой поверхностью. В начальный момент времени рабочая поверхность алмазного круга занимает положение 1. Если бы износ шлифовального круга отсутствовал, то его рабочая поверхность к концу обработки заняла бы положение 2. Однако в реальных условиях алмазный круг изнашивается, поэтому его рабочая поверхность занимает положение 3.
Анализ априорной информации и результатов предварительных экспериментов показал, что зависимость удельного расхода от режимов обработки может быть с достаточной точностью аппроксимирована степенной функцией вида [87].
При профильном шлифовании наиболее сильному износу подвержены остроугольные участки профиля алмазного шлифовального круга, причем при уменьшении величины радиуса кривизны интенсивность износа возрастает. Это объясняется более высокой термодинамической нагруженностью таких участков.
Предположим, что локальный удельный расход qn связан с радиусом кривизны R поверхности шлифовального круга, и с этой позиции установим функциональную зависимость между величинами qn и qv. Для этого воспользуемся методикой, приведенной в работе [128].
Выделим участок поверхности шлифовального круга и обрабатываемой заготовки площадью dF, для которой можно считать qn = const. Согласно теореме Штейера, определим объемы слоев толщиной Аг и Ъг с точностью до малых величин второго порядка. Анализ выражения (2.20) показывает, что при прочих равных условиях локальный удельный расход алмазов на остроугольных участках профиля зависит от величины радиуса кривизны, причем разница между qv и qn становится заметной лишь при достаточно малых значениях R. Расчеты показывают, что при значениях подачи до 0,02 мм/ход малыми следует считать радиусы менее 0,2 мм [87].
На основе полученных математических моделей была разработана компьютерная программа в пакете MATLAB, позволяющая определить величину износа алмазного шлифовального круга в любой точке профиля и визуализировать его изменение в процессе шлифования.
Схема укрупненного алгоритма приведена на рисунке 2.5. Последовательность расчета следующая. Задаются исходные данные: технологические режимы шлифования, характеристика круга, свойства обрабатываемого материала, координаты образующей профиля круга. Затем используется сплайн-интерполяция функции заданной координатами точек, что позволяет получить уравнение образующей профиля шлифовального круга. Далее определяется значение производной для каждой точки профиля, после чего производится расчет значения косинуса угла местной нормали. Затем находится величина припуска в направлении местной нормали для каждой точки, рассчитывается удельный расход алмазов, величина радиального износа круга в каждой точке. Программа позволяет также визуализировать изменение конфигурации профиля алмазного круга.
Исследование удельного расхода алмазов при шлифовании
Для получения функциональной зависимости удельного расхода алмазов qm от режимов обработки и параметров алмазосодержащего слоя был использован метод планирования экспериментов.
Интервал варьирования 75 100 13,1 0,047 6,5 В целях получения степенной зависимости осуществлялось преобразование параметра оптимизации путем логарифмирования.
Для упрощения записи условий эксперимента и обработки полученных данных вместо натуральных значений факторов использовались кодированные.
При этом определяющий контраст имеет вид: Соотношения, задающие совместные оценки коэффициентов регрессии, находились умножением определяющего контраста последовательно наХ\, Xi и т.д. Анализ показал, что в данном случае ни один из линейных эффектов не смешивается с парным взаимодействием, а оценивается совместно с взаимодействием высоких порядков. Следовательно, разрешающая способность .выбранной дробной реплики является максимально возможной.
Матрица планирования и результаты экспериментов приведены в таблице 3.3. Опыты проводились в случайной последовательности в соответствии с данными таблицы равномерно распределенных случайных чисел.
Адекватность модели проверялась по критерию Фишера. Расчетное значение критерия оказалось меньше табличного при 95% - ном уровне значимости, следовательно, полученное уравнение является адекватным.
Зависимость удельного расхода от параметров алмазосодержащего слоя Из технологических режимов обработки наибольшее влияние на величину удельного расхода оказывает глубина шлифования (врезная подача). Увеличение глубины шлифования приводит к росту удельного расхода алмазов (рисунок 3.10). Это можно объяснить следующим образом. С увеличением глубины шлифования повышается нагрузка на алмазное зерно. Возрастают силы трения в зоне контакта шлифовального круга с изделием, что, в свою очередь, повышает износ металлической связки. Все это приводит к потере устойчивости зерен, вырыванию их из связки и, соответственно, к росту удельного расхода алмазов.
Из графика, приведенного на рисунке 3.11, видно, что увеличение скорости изделия приводит к возрастанию удельного расхода, так как при этом увеличивается толщина слоя материала, снимаемого одним зерном. В то же время силы трения в зоне контакта круга с изделием меняются незначительно.
Анализ показывает, что наибольшая величина удельного расхода алмазов имеет место при шлифовании твердого сплава ВК6М, а наименьшая - при обработке серого чугуна СЧ15, что объясняется существенным различием физико-механических свойств указанных материалов.
Заметное влияние на износ шлифовальных инструментов оказывает тип металлической связки, который определяет ее прочность износостойкость, а также прочность удержания зерен, что обеспечивает последним возможность максимально использовать свои режущие ресурсы.
При испытании алмазных шлифовальных кругов на различных металлических связках было установлено, что на величину удельного расхода оказывают влияние также инертные наполнители, вводимые в шихту в качестве компонентов, наряду с металлическими порошками. Так, наличие в составе связок МС1 и М15 37...46% стеклофазы повышает прочность удержания зерен и," соответственно, снижает удельный расход алмазов. теоретическая зависимость экспериментальная зависимость Рисунок 3.13- Зависимость удельного расхода алмазов от величины радиуса закругления: 1 — 50%-ая концентрация; 2 — 200%-ая концентрация На рисунке 3.13 приведена зависимость удельного расхода алмазов от величины радиуса закругления. Из графика видно, что, при прочих равных ус ловиях, на участках профиля, имеющих радиус закругления менее 0,3 мм, наблюдается резкое возрастание удельного расхода, увеличение радиуса закругления свыше 0,3 мм приводит к медленному снижению удельного расхода алмазов, который постепенно приближается к значению, соответствующему прямолинейным участкам профиля. Сопоставление результатов теоретических расчетов и экспериментальных исследований показывает, что их расхождение составляет 15...17%. Таким образом, полученная теоретическая зависимость с успехом может быть использована на участках фасонного профиля, имеющих малые радиусы закругления.
