Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса. Цель и задачи исследования 6
1.1 Область применения профильного врезного алмазного шлифования 6
1.2 Влияние характеристики круга, технологических режимов и условий шлифования на производительность и качество обработки 9
1.3 Пути повышения производительности и качества обработки 12
1.4 Выводы, цель и задачи исследования 22
2. Теоретическое исследование производительности профильного врезного алмазного шлифования 24
2.1 Обоснование формального подхода к определению интенсивности съема материала при профильном шлифовании 24
2.2 Определение производительности профильного врезного алмазного шлифования 30
2.3 Выводы по главе 38
3. Исследование параметров рельефа рабочей поверхности алмазных шлифовальных кругов 39
3.1 Статистическое моделирование рабочей поверхности алмазного круга 39
3.2 Определение максимальной высоты зерен над уровнем связки 45
3.3 Исследование высоты неровностей металлической связки 56
3.4 Исследование шага зерен, расположенных на рабочей поверхности алмазного круга 62
3.5 Выводы по главе 71
4. Технологические показатели профильного врезного алмазного шлифования 73
4.1 Методика экспериментальных исследований 73
4.2 Условия силового нагружения и производительность шлифования 79
4.3 Исследование удельного расхода алмазов при шлифовании 82
4.4 Влияние режимов шлифования и характеристики алмазного круга на шероховатость обработанной поверхности 90
4.5 Выводы по главе 95
5. Практические рекомендации по повышению эффективности профильного врезного алмазного шлифования 96
5.1 Определение оптимальных режимов профильного алмазного шлифования 96
5.2 Технологическое обеспечение профильного врезного шлифования 106
5.3 Выводы по главе 113
Общие выводы 114
Литература 116
Список сокращений 128
Приложение 129
- Влияние характеристики круга, технологических режимов и условий шлифования на производительность и качество обработки
- Определение производительности профильного врезного алмазного шлифования
- Определение максимальной высоты зерен над уровнем связки
- Условия силового нагружения и производительность шлифования
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 профильная алмазная обработка. Вместе с тем для профильного врезного шлифования практически отсутствуют рекомендации по выбору режимов обработки обеспечивающих требуемые технологические показатели. Таким образом, задача, связанная с повышением эффективности профильного врезного алмазного шлифования, является актуальной.
Различным аспектам теории и практики алмазного шлифования посвящены работы В.Н. Бакуля, А.К. Байкалова, Д.Г. Евссеева, 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. Ящерицына и ряда зарубежных ученых.
В результате проведенного анализа установлено, что отсутствуют системные исследования по проблеме выбора оптимальных режимов обработки и характеристики алмазного круга.
Цель работы - повышение эффективности профильного врезного шлифования на основе установления взаимосвязи между параметрами процесса и оптимизации технологических режимов обработки.
Для достижения этой цели в работе решены следующие задачи:
Разработана универсальная методика определения технологических показателей профильного врезного алмазного шлифования.
На основе вероятностно-статистического моделирования определены параметры рельефа рабочей поверхности алмазного шлифовального круга.
Установлена взаимосвязь производительности шлифования с технологическими режимами обработки и характеристикой алмазосодержащего слоя.
Проведены экспериментальные исследования условий силового нагружения и технологических показателей профильного врезного алмазного шлифования.
Разработаны научно-обоснованные практические рекомендации по оптимизации технологических режимов и повышению эффективности профильного врезного алмазного шлифования.
Основные положения, выносимые на защиту:
Универсальная методика определения основных технологических показателей профильного врезного алмазного шлифования, основанная на замене фасонного профиля эквивалентным приведенным прямолинейным профилем.
Совокупность математических моделей для определения параметров рельефа рабочей поверхности круга, интенсивности съёма материала и удельного расхода алмазов.
3. Методика определения оптимальных режимов профильного
врезного алмазного шлифования на стадии технологической подготовки
производства.
Диссертационная работа выполнена на кафедре "Технология машиностроения" Пензенского государственного университета в тесном сотрудничестве с рядом промышленных предприятий.
Влияние характеристики круга, технологических режимов и условий шлифования на производительность и качество обработки
Большое влияние на качество поверхностного слоя деталей и, в связи с этим, на их эксплуатационные свойства оказывает финишная обработка.
На машиностроительных предприятиях проблема улучшения качества поверхностного слоя деталей в основном решается подбором оптимального режима шлифования и соответствующей характеристики инструмента. Применение эффективных СОЖ позволяет уменьшить силы резания и тепловыделения при обработке, обеспечивает более благоприятное удаление стружки и отходов обработки из зоны резания. Изменение физико-химических свойств жидкостей путем светового облучения, воздействия магнитных и ультразвуковых полей, а также стабилизации их свойств в течение всего технологического цикла позволяет на 25...50 % снизить силы резания, в 2 раза - удельный расход алмазов, в 3 раза интенсивность засаливания.
Положительные результаты достигаются при правильном подборе характеристики инструмента (зернистости, концентрации, материала связки). Увеличение зернистости, как правило, способствует снижению засаливаемо-сти межзернового пространства и улучшению стружкоразмещения, однако высокая шероховатость обработанной поверхности ограничивает возможности использования при шлифовании крупнозернистых кругов. Кроме того, установлено, что максимальные режущие свойства достигаются у инструментов средней зернистости. Аналогичные особенности наблюдаются при изменении концентрации алмазного порошка. Увеличение концентрации повышает количество активных режущих кромок, но одновременно уменьшает объем межзернового пространства. В работе [41] на основании теоретических расчетов показано, что, с точки зрения обеспечения самозатачивания и максимальной производительности, наилучшими показателями обладают алмазные круги зернистостью 200/160..125/100 и концентрацией алмазов 100%.
Однако следует заметить, что при врезном шлифовании, когда перекрытие траекторий зерен имеет место в меньшей степени, не всегда может быть обеспечена требуемая шероховатость обработанной поверхности [4,72].
При профильном шлифовании с использованием инструментов на металлических связках с целью увеличения износостойкости рекомендуются алмазы повышенной прочности. Установлено, что с повышением прочности порошка почти пропорционально возрастает абразивная способность инструмента. Так, например, на некоторых операциях шлифования твердых спла BOB применение алмазного порошка марки АС 15 и АС6 зернистостью 250/200 позволило исключить процесс сглаживания рельефа круга даже на таких связках, как Ml.
Большие возможности в обеспечении необходимой стабилизации режущих свойств инструмента могут быть достигнуты за счет подбора соответствующей связки. По данным [15] хорошие результаты при обработке твердых сплавов показывают инструменты на связках МО 13, М04. Их работоспособность в 2...4 раза превосходит работоспособность аналогичных инструментов на связках Ml, М5, МИ, МК.
Однако следует отметить, что повышение режущих свойств за счет связки зачастую приводит к снижению размерной стойкости инструмента. По этой причине для профильного шлифования и других операций рекомендуют применять инструменты изготовленные на таких связках как Ml, МС6, М08, МО 16 и других, обладающих хорошим удержанием зерен [16].
В целях максимального использования возможностей профильного врезного алмазного шлифования необходимо на стадии проектирования технологического процесса производить выбор оптимальных режимов резания.
Из всех элементов режима резания наибольшее влияние на показатели процесса оказывает глубина шлифования. Увеличение глубины шлифования приводит к росту силы резания и расхода алмазов. Это объясняется, первую очередь тем, что с увеличением глубины растет толщина слоя, срезаемого одним зерном, следствием чего является увеличение нагрузки на зерно. Кроме того, увеличивается площадь контакта инструмента с изделием и усиливается трение связки об обрабатываемый материал.
Влияние скорости резания на удельный расход алмазов имеет сложный характер. При росте скорости до определенного предела за счет снижения толщины срезаемого слоя и нагрузки на зерно расход уменьшается, затем начинает, увеличивается. Увеличение расхода объясняется превалированием теплового фактора над силовым, то есть эффект от ухудшения механических характеристик в результате роста температуры оказывается более значитель ным, чем от снижения нагрузки на зерно[19,35,76]. По данным других авторов [63], влияние температуры сказывается меньше, то есть износ постоянно уменьшается с увеличением скорости. Очевидно, что в каждом конкретном случае, в зависимости от обрабатываемого материала, схемы шлифования и инструмента, взаимосвязь между скоростью и расходом имеет свой характер.
Увеличение продольной подачи приводит к росту толщины срезаемого слоя. Одновременно при этом площадь контакта круга с деталью и сила трения связки об обрабатываемую деталь изменяются незначительно. В связи с этим, рост составляющих силы резания, а следовательно, и удельного расхода алмазов, с увеличением продольной подачи не велик.
Влияние глубины на удельный расход проявляется значительнее чем, скорости изделия, поэтому при назначении режимов резания следует считать более предпочтительным режим с повышенной скоростью изделия и пониженной глубиной, как обеспечивающий меньшие усилия и удельный расход алмазов при равной производительности.
Определение производительности профильного врезного алмазного шлифования
При алмазном шлифовании глубина внедрения режущих зерен соизмерима с высотой неровностей обрабатываемой поверхности. Поэтому не все зерна, расположенные на рабочей поверхности круга будут контактировать с обрабатываемым материалом, а взаимодействующие зерна будут производить микрорезание не всей шириной внедрившейся кромки. В этой связи для достоверной оценки производительности процесса шлифования представляется целесообразным вероятностный подход к расчету съема материала. Рассмотрим процесс плоского шлифования изделия кругом, ширина которого равна Вк. Будем полагать, что рабочая поверхность шлифовального круга представлена рядом последовательно расположенных элементарных режущих профилей (ЭРП) [65], которые получаются сечением круга пучком плоско- ь стей, проходящих через ось и перпендикулярных вектору скорости резания (рисунок 2.3).
В процессе шлифования через некоторое сечение обрабатываемого изделия за один оборот круга проходит определенное количество ЭРП, каждый из которых снимает слой материала. Результат последовательного воздействия ЭРП может быть представлен как воздействие огибающей, получаемой при наложении ЭРП друг на друга [48,65,95]. Эта огибающая, называемая суммарным режущим профилем (СРП) учитывает разновысотность зерен и вероятность их перекрытия. СРП является случайной функцией и определяется количеством ЭРП, участвующих в его формировании, их числовыми характеристиками и условиями наложения. Площадь стружки, снимаемой с поверхности изделия, может быть найдена в результате анализа взаимодействия СРП с микропрофилем обрабатываемой поверхности.
Полная площадь контакта алмазного круга с изделием может быть найдена, как произведение длины кривой контакта Z,K круга на его ширину Вк. Специфическая особенность процесса шлифования заключается в том, что контактирование круга с изделием носит дискретный характер.
Взаимодействие рабочей поверхности шлифовального круга с изделием осуществляется через посредство алмазных зерен. Для определения площади контакта F3i единичного зерна с поверхностью изделия воспользуемся зависимостью, применяемой при определении твердости материала по Вик-керсу [70].
Из графика видно, что увеличение глубины шлифования и скорости изделия приводит к росту величины съема материала в единицу времени. Это объясняется увеличением толщины слоя, срезаемого одним зерном. Кроме того, с увеличением глубины увеличивается также площадь контакта инструмента с изделием.
При проведении практических расчетов применение выражения (2.37) довольно затруднительно.
1. Приведено обоснование формального подхода к определению профильного врезного алмазного шлифования основанного на замене криволинейного профиля алмазного круга эквивалентным приведенным профилем.
2. Установлено, что условия силового нагружения при шлифовании фасонным кругом эквивалентны условиям силового нагружения при шлифовании кругом приведенного профиля.
3. Показано, что производительность профильного врезного шлифования может быть найдена строго формальным путем как произведение производительности шлифования кругом прямого профиля с длиной образующей, равной длине образующей фасонного профиля и режимами в точности, соответствующими режимам шлифования фасонным кругом на коэффи KQ циент приведения Ь-пр
4. Получена математическая модель, устанавливающая взаимосвязь производительности съема материала при профильном врезном шлифовании с характеристикой алмазного слоя и технологическими режимами обработки.
Определение максимальной высоты зерен над уровнем связки
Как было показано выше, рабочая поверхность алмазного круга представляет собой совокупность хаотически расположенных режущих элементов (алмазных зерен). После правки алмазного шлифовального круга в течение короткого периода приработки рельеф рабочей поверхности сглаживается. При этом удаляются дефектные и слабозакрепленные зерна, после чего их высота над уровнем связки становится достаточно стабильной. Для определения мак симальной высоты выступания зерен рассмотрим задачу о прочности закрепления зерна в связке.
Поскольку алмазосодержащий слой представляет собой среду, состоящую из металлической связки и распределенных в ней зерен, то при определении прочности закрепления зерна не совсем корректно рассматривать связку как однородное упругое полупространство, используя основные положения классической теории упругости [25,26,37,104,109]. Более уместным является использование подхода, предложенного А.В. Королевым и Ю.К. Новоселовым [46], в основе которого лежит предположение, что под действием внешней нагрузки на зерно деформируются отдельные мостики связки, имеющие конечные размеры, которые не зависят от положения мостика в области контакта с зерном. На основании этого принимается, что напряжения, возникающие в связке под воздействием внешней нагрузки, в соответствии с законом Гука, прямо пропорционально величине деформации.
Следует отметить, что для принятого эквивалента алмазного зерна его диаметр зависит не только от формы и размеров зерен, наложенных друг на друга, но и от их количества, т.е. от концентрации зерен в единице объема. Таким образом, представляется возможность создать идеализированный шлифовальный инструмент, по своему строению и основным свойствам, наиболее отвечающий реальному прототипу. Таблица 3.2- Значения среднего эквивалентного диаметра
Мостики связки (рисунок 3.4), воспринимающие внешнюю нагрузку, расположены по нормали к поверхности зерна и распределены равномерно в пространстве между зернами.
Примем прямоугольную систему координат OXYZ, расположив начало координат в вершине зерна. Соединим центр зерна 03 с произвольной точкой Мна его поверхности и обозначим через ф] пространственный угол между осью Оу и радиусом зерна в точке М, а через а - тот же угол в плане. Рисунок 3.4-Схема закрепления зерна в связке алмазного круга Диаметр площадки контакта зерна о связкой обозначим через Ьс, диаметр площадки контакта в сечении зерна плоскостью, проходящей через точ-ку М параллельно плоскости XOZ — через Ъ с, а пространственный угол между осью OY и радиусом зерна, соединяющим край площадки контакта его со связкой - через ф. Под действием радиальной силы Ру зерно вдавливается в связку, а под действием тангенциальной силы Pz - перемещается горизонтально и поворачивается относительно точки О на некоторый угол.
На рисунке 3.9 представлена эпюра распределения результирующих напряжений в связке от действия комбинированной нагрузки. Различные сочетания величины внешней нагрузки на зерно и высоты его выступания над уровнем связки могут вызвать различное распределение напряжений. Однако во всех случаях максимальное значение суммарных сжимающих напряжений от совместного действия радиальной и тангенциальной сил возникают на краю площадки контакта зерна со связкой. Суммируя правые части выражений (3.8) и (3.9) и полагая а=0 и ф =ф, находим максимальное результирующее напряжение сжатия, возникающее в связке от действия радиальной и тангенциальной нагрузок на зерно:
В целях изучения закономерностей изменения высоты зерен над уровнем связки и уточнения полученных расчетных зависимостей, производилось профилографирование рабочей поверхности алмазных шлифовальных кругов по методике, описанной ниже (см. раздел 3.4).
Анализ выражения (3.14) позволил сделать вывод, что на высоту зерна над уровнем связки оказывает влияние исключительно характеристика алмазосодержащего слоя, а именно: тип связки, концентрация алмазного порошка, размеры зерен. 3.3. Исследование высоты неровностей металлической связки
Высота неровностей металлической связки в значительной степени определяется методом правки алмазного шлифовального круга. Наиболее эффективным и широко распространенным методом профилирования и правки алмазных кругов на металлических связках со сложной формой рабочей поверхности является электроэрозионный. В связи с этим экспериментальные исследования высоты неровностей металлической связки выполнялись применительно к данному методу.
Для изучения высоты неровностей, получаемой после правки, использовались безалмазные образцы специальной конструкции (рисунок 3.11). Образец состоит из диска 1, в который установлены и закреплены винтами 2 тщательно подогнанные вставки 3. Последние представляют собой металлическую основу 1 с напрессованным слоем 2 металлической связки и изготавливаются по специальной технологии.
Условия силового нагружения и производительность шлифования
Для изучения условий силового нагружения были проведены экспериментальные исследования. Фасонный алмазный круг имел профиль описанный дугой окружности радиусом 6 мм. Характеристика круга АС6 100/80 -100% - Ml. Длина образующей круга приведенного профиля составила Znp = 18,84мм.
Как показали исследования, для конкретных материалов и определенных интервалов изменения технологических режимов и условий обработки он может быть принят равным Хд=\,47... 1,49. Анализ показывает, что расхождение величин радиальной составляющей силы резания при шлифовании фасонным кругом и кругом приведенного профиля не превышает 10%. Следовательно, при шлифовании алмазным кругом со сложной геометрией рабочей поверхности и кругом приведенного профиля имеют место одинаковые условия силового нагружения. Таким образом, с достаточным основанием можно утверждать, что производительность съема материала при обработке кругом приведенного профиля равна производительности шлифования кругом фасонного профиля.
Анализ показывает, что расхождение результатов составляет 16...21%. Таким образом полученная модель достаточно адекватно отражает реальный процесс профильного шлифования. 4.3. Исследование удельного расхода алмазов при шлифовании
Удельный расход алмазов характеризует износ алмазного шлифовального круга и определяет массу алмаза, израсходованного на снятие определенного количества обрабатываемого материала.
В целях изучения удельного расхода алмазов при профильном врезном шлифовании были проведены экспериментальные исследования. Фасонный круг имел профиль, описанный дугой окружности радиусом 6 мм. Соответствующая ширина круга приведенного профиля составила Lnp - 18,84мм. При шлифовании использовались круги с различной зернистостью алмазного порошка на металлической связке Ml. Результаты экспериментальных исследований приведены в таблице 4.2. Таблица 4.2-Результаты экспериментальных исследований
Анализ результатов исследований показывает, что величина удельного расхода алмазов при обработке фасонным кругом и кругом приведенного профиля примерно одинакова. Таким образом, появляется возможность использования формализованного подхода для оценки величины удельного расхода алмазов при профильном врезном алмазном шлифовании.
Для получения функциональной зависимости удельного расхода алмазов qnn от режимов обработки и параметров алмазосодержащего слоя был использован метод планирования экспериментов. На основе проведенного качественного анализа при построении математической модели в качестве факторов были выбраны: К — концентрация алмазов в слое, %; А — верхнее значение в обозначении зернистости алмазов, мкм; ик — скорость шлифовального круга, м/с; / - глубина шлифования, мм; ик — скорость изделия, м/мин. Уровни и интервалы варьирования исследуемых факторов приведены в таблице 4.3.
Интервал варьирования 75 100 13,1 0,047 6,5 Для упрощения записи условий эксперимента и обработки полученных данных вместо натуральных вместо натуральных значений факторов использовались кодированные. Кодирование осуществлялось с помощью соотношения (3.15). В связи с большой трудоемкостью реализации полного факторного эксперимента был использован дробный факторный эксперимент типа 25"1, т.е. полуреплика от полного факторного плана 25, заданная генерирующим соотношением: = Х1Х2Х2ХЛ. При этом определяющий контраст имеет вид: Соотношения, задающие совместные оценки коэффициентов регрессии, находились умножением определяющего контраста последовательно на Х\, Xz 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 4.4. 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. После раскодирования и потенцирования была получена искомая функциональная зависимость удельного расхода алмаза от исследуемых факторов: 339; 5УИ 44
На рисунке 4.7 представлены графические зависимости удельного расхода от параметров алмазосодержащего слоя. Из графиков видно, что увели чение зернистости алмазного порошка, при прочих равных условиях, вызывает снижение удельного расхода. Это можно объяснить тем, что при увеличении размеров зерен повышается прочность их закрепления в связке круга.
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.
На рисунке 4.10 показано влияние типа связки на величину удельного расхода алмазов. Из диаграммы видно, что металлические связки на основе Си - Sn обеспечивают меньший удельный расход по сравнению со связками на основе Си — Al - Zn. Это объясняется тем, что бронзовая основа имеет более высокую механическую прочность и меньший коэффициент трения, что повышает износостойкость связки.
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.
Анализ показывает, что наибольшая величина удельного расхода имеет место при использовании алмазов марки АС 2. Причиной повышенного износа является недостаточная механическая прочность зерен. Повышенный износ инструментов из природных алмазов вызывается слабым адгезионным сцеплением гладких граней зерен со связкой и вырыванием их под действием нагрузок, возникающих при шлифовании. Алмазы промежуточных форм марок АС 4 и АС 6 обеспечивают меньшую величину удельного расхода алмазов.
