Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Современное состояние вопроса. постановка целей и задач исследования 11
1.1. Анализ существующих подходов к повышению эффективности процесса шлифования 11
1.1.1. Усовершенствование технологической конструкции станка и технологической оснастки 15
1.1.2. Усовершенствование технологии изготовления и применения инструмента
1.1.3. Влияние технологии обработки на выходные параметры процесса шлифования 20
1.1.4. Изменение режимов резания и технологии обработки 22
1.1.5. Технология уменьшения засаливания шлифовальных кругов
1.2. Установление причинно-следственных связей влияния различных факторов на объём снятого металла при микрорезании 31
1.3. Анализ геометрических моделей единичных абразивных зёрен 39
1.4. Исследование зависимости эффективности процесса шлифования от коэффициента трения 42
1.5. Исследование зависимости интенсивности съёма металла от зернистости шлифовального круга 45
1.6. Выводы по главе
1. Постановка целей и задач исследования 48
ГЛАВА 2. Теоретическое и экспериментальное исследование технологии микрорезания абразивными зёрнами 50
2.1. Исследование геометрии режущей части абразивного зерна 50
2.1.1. Разработка критерия рационального применения геометрических фигур в качестве моделей абразивного зерна 50
2.1.2. Сравнительный анализ основных геометрических фигур по принятому критерию 55
2.2. Уточнение роли трения в технологии микрорезания 81
2.3. Геометрическая и технологическая модель взаимодействия абразивного зерна с заготовкой 94
2.4. Определение объёма металла, снимаемого абразивными зёрнами при плоском шлифовании периферией круга 96
2.5. Выводы по главе 2 107
ГЛАВА 3. Оптимизация процесса шлифования на основе экспериментальных исследований 109
3.1. Условия и техника эксперимента 110
3.1.1. Контролируемые параметры и средства измерения 110
3.1.2. Условия проведения эксперимента 111
3.2. Математическое планирование экспериментов и обработка результатов 114
3.2.1. Расчёт числа параллельных опытов 114
3.2.2. Обработка результатов экспериментов и их анализ 116
3.3. Методика проведения экспериментов и полученные результаты 118
3.3.1. Определение зависимости коэффициента трения от технологических параметров и физико-механических свойств обрабатываемого металла 118
3.3.2. Уточнение предложенной модели определения объёма снятого металла и многокритериальная оптимизация шлифования на основе метода совмещения контурных кривых 128
3.3.3. Оптимизация продольной подачи при плоском шлифовании конструкционной углеродистой стали 138
3.3.4. Расчёт экономической эффективности предложенных разработок 145
3.4. Выводы по главе 3 147
ГЛАВА 4. Технология эффективного шлифования с непрерывно изменяющейся скоростью резания 149
4.1. Теоретическое обоснование эффективности технологии шлифования с непрерывно изменяющейся скоростью резания 149
4.2. Реализация предложенной технологии 153
4.2.1. Конструкторско-технологические разработки для реализации при шлифовании периферией и торцом круга 153
4.2.2. Кинематический анализ механизма непрерывного изменения скорости резания 161
4.2.3. Разработка эффективного способа абразивной обработки плоских поверхностей с непрерывно изменяющейся скоростью резания 165
4.3. Выводы по главе 4 170
Заключение 171
Список использованной литературы
- Усовершенствование технологической конструкции станка и технологической оснастки
- Разработка критерия рационального применения геометрических фигур в качестве моделей абразивного зерна
- Математическое планирование экспериментов и обработка результатов
- Конструкторско-технологические разработки для реализации при шлифовании периферией и торцом круга
Введение к работе
Актуальность темы диссертации.
В условиях рыночной экономики отношения в сфере производства выдвинули на первый план проблемы, связанные с выпуском конкурентоспособной продукции машиностроения, что поставило перед исследователями ряд задач, решение которых неразрывно связано с разработкой и внедрением новых эффективных технологий, современного оборудования и оснащения, обеспечивающих высокое качество и производительность.
В первую очередь это относится к чистовым и отделочным методам обработки, например шлифованию, в процессе которых окончательно формируется поверхностный слой деталей, определяющий их эксплуатационные и потребительские свойства.
Однако шлифованию присущи некоторые особенности, обусловленные спецификой контактного взаимодействия режущих кромок абразивных зёрен, хаотично расположенных на рабочей поверхности шлифовального круга, характеризующихся различными геометрическими параметрами и, как следствие, неодинаковой режущей способностью. Это приводит к трудностям при выборе абразивного инструмента для обработки разнообразных материалов, снижению производительности, уменьшению стойкости инструмента и в конечном итоге – к повышению себестоимости изготовления продукции.
Существующие способы выбора абразивного инструмента, необходимого оборудования, а так же назначение режимов обработки, как правило, основаны на принципах наибольшей стойкости инструмента. Однако при этом довольно часто производительность и качество не отличаются высокими показателями. Особенно это актуально при обработке пластичных, слож-нолегированных, композитных и иных кристаллических материалов, которые всё чаще находят применение в промышленности и быту.
Явления, происходящие при снятии стружек, изучены недостаточно и по настоящее время, ввиду одновременного действия физических, химических, термических и иных процессов. В связи с этим, выявление научно обоснованных резервов интенсификации процесса шлифования, базирующихся на особенностях контактного взаимодействия единичных абразивных зёрен с поверхностью заготовки, является актуальным, особенно в условиях импортозамещения.
Цель работы: повышение эффективности шлифования периферией и торцом круга на основе анализа и учёта особенностей контактного взаимодействия абразивных зёрен с обрабатываемой поверхностью. Под эффективностью понимается получение требуемых параметров размерной точности и шероховатости поверхности при высокой производительности и стойкости инструмента.
Для достижения поставленных целей требуется решение следующих задач:
-
определение области рационального использования элементарных геометрических фигур в качестве моделей абразивных зёрен;
-
уточнение роли трения между абразивным зерном и обрабатываемой заготовкой;
-
разработка математической модели определения объёма материала, снимаемого с поверхности заготовки, в процессе плоского шлифования периферией круга;
-
разработка алгоритма выбора оптимальной зернистости шлифовального круга и режимов обработки, обеспечивающих высокую режущую способность и стойкость инструмента при минимальной шероховатости;
-
разработка технологии уменьшения засаливания шлифовальных кругов на основе анализа причинно-следственных связей в зоне фрикционного взаимодействия отдельных абразивных зёрен с поверхностью заготовки;
-
разработка рекомендаций по модернизации шлифовального оборудования на основе проведённых исследований.
Объектом исследования является процесс шлифования периферией и торцом круга. Предмет исследования: анализ и управление контактным взаимодействием в зоне резание и на основе этого выявление резервов повышения эффективности.
Степень проработанности научной проблемы.
Исследуемая проблема относится к числу оптимизационных задач. Для анализа современного состояния проблемы повышения эффективности операций плоского и торцевого шлифования были использованы работы А.В. Авилова, И.Г. Башкатова, С.Г. Бишутина, Е.В. Васильева, А.Д. Евстигнеева, В.В. Захарова, Ю.М. Зубарева, А.В. Кадильникова, С.А. Крюкова, Д.С. Люпы, А.И. Мироседи, А.В. Якимова и др. При определении области рационального использования элементарных геометрических фигур в качестве моделей абразивных зёрен использовались теоретические и экспериментальные исследования А.В. Балыкова, В.К. Старкова, А.С. Сысоева, M.A. Elbestawi, F. Klocke (Канада), P. Koshy (Германия) и др. Современные способы и тенденции уменьшения и устранения засаливания изложены в работах М.С. Нерубай, С.А. Попова, Ю.Н. Полянчикова, А.Н. Резникова, Ф.Ю. Свитковского Л.В. Худобина, J. Hukuzo, А. Kozo (Япония). Проработка вопросов моделирования объёма срезаемого материала, влияния режимов резания, свойств обрабатываемого материала и других факторов на процесс резания единичным абразивным зерном и шлифовальным кругом в целом основывалась на работах, выполненных А.К. Байкаловым, Д.Б. Ваксером, А.А. Дьяконовым, В.Н. Кащеев, А.В. Королёвым, С.Н. Корчаком, З.И. Кремнем, Г.Б. Лурье, Е.Н. Масловым, И.П. Никифоровым, В.М. Оробин-ским, С.Г. Редько, А.Н. Уняниным, Л.Н. Филимоновым и других учёных.
Научная новизна исследования заключается в разработке:
-
гипотезы влияния режимов обработки, физико-механических свойств обрабатываемого материала и геометрических параметров абразивного зерна на процессы контактного взаимодействия в зоне резания через соответствующее изменение коэффициента внешнего трения в окрестности линии режущей кромки;
-
математической модели съёма стружки абразивным инструментом при плоском шлифовании периферией круга с учетом трения, процессов пластической деформации, геометрических параметров абразивных зёрен, режимов резания;
-
методики выбора оптимальной зернистости шлифовального круга, с учётом режимов обработки, материалов круга и заготовки;
-
технологии эффективного шлифования периферией и торцом круга с непрерывно изменяющейся скоростью резания.
Результаты исследований представлены не только в виде математических зависимостей, в табличной и графической формах, но и в виде прикладных программ для ЭВМ, позволяющих наглядно обосновать оптимальное решение и представляющих возможность другим исследователям и инженерам расширять сферу исследований.
Практическая значимость работы:
-
уточнены понятия, определяемые ГОСТ 25762-83: «передняя поверхность», «задняя поверхность», «режущая кромка» абразивного зерна, которые в настоящее время используются при проведении занятий по дисциплинам «Процессы и операции формообразования», «Режущие инструменты»;
-
разработаны номограммы и алгоритм для выбора оптимальной зернистости шлифовального круга и режимов обработки, обеспечивающих наибольшую производительность процесса при сохранении стойкости;
-
разработан способ определения относительного изменения коэффициента внешнего трения по изменению времени остановки шлифовального круга, находящегося в контакте с заготовкой;
-
разработаны конструкции шлифовальных головок и способ абразивной обработки, обеспечивающие повышение стойкости шлифовальных кругов за счёт непрерывного изменения скорости резания: а) патент на изобретение №2532598 «Устройство для абразивной обработки плоских поверхностей с переменной скоростью резания и использованием шарнирно-рычажного механизма» (дата приоритета: 13.10.2011); б) патент на полезную модель №129444 «Устройство для абразивной обработки с переменной скоростью резания» (дата приоритета: 29.10.2012); в) заявка на патент №2014151672 «Способ абразивной обработки плоских поверхностей с переменной скоростью резания» (дата приоритета: 19.12.2014).
Методы исследований.
Теоретические исследования проводились на научных основах технологии машиностроения, теории шлифования, теории фрикционного контакта, теории параметрической оптимизации, теории математического моделирования с широким использованием методов математического анализа.
Экспериментальные исследования проводились на основе разработанных автором и стандартных методик в лабораторных условиях на современном оборудовании, с применением методов дисперсионного и регрессионного анализа, теории планирования эксперимента и обработки экспериментальных данных, с использованием современной контрольно-измерительной аппаратуры: атомно-эмиссионный спектрометр ДФС-500 (Россия), микроскоп для металлографических исследований мод. Axiovert 40 MAT (Германия), прибор для измерения твёрдости ТР5006М (Россия), профилограф-профилометр мод. 250 (Россия), аналитические весы мод. AXIS 200 (Польша). При аналитических исследованиях, обработке экспериментальных данных, проектировании и моделировании процессов использовался персональный компьютер с программными средствами Matlab R2010b, Matcad 14, Компас-ЗБ V13, Маріеіб.01, ШМ SPSS Statistics 20, Vestra VI.4, Helicon FocusPro 5.3 и другими.
Информационная база исследования.
В процессе подготовки диссертации использовалось значительное разнообразие источников информации, которые можно условно разделить по следующим направлениям:
научные труды и периодические издания, специализирующиеся на исследованиях и описании современных методы обработки металлов и композиционных материалов на разных этапах создания машиностроительной продукции;
учебные пособия, посвящённые технологическим характеристикам и теоретическим основам прогрессивных методов шлифования, предназначенные для магистрантов, инженерно-технических и научных работников и специалистов промышленности в области шлифования и абразивной обработки;
исследования отечественных и зарубежных авторов, посвящённые проблемам повышения эффективности шлифовальных операций;
работы по теории трения;
сборники докладов на различных конференциях, научных семинарах и т.д.
Научные положения, выносимые на защиту:
-
методика определения области рационального использования элементарных геометрических фигур в качестве моделей абразивных зёрен;
-
уточнение роли трения между абразивным зерном и обрабатываемой заготовкой;
-
математическая модель определения объёма материала, снимаемого с поверхности заготовки, в процессе плоского шлифования периферией круга;
-
алгоритм выбора оптимальной зернистости шлифовального круга и режимов обработки, обеспечивающих высокую режущую способность и стойкость инструмента при минимальной шероховатости;
-
технология уменьшения засаливания шлифовальных кругов на основе анализа причинно-следственных связей в зоне фрикционного взаимодействия отдельных абразивных зёрен с поверхностью заготовки;
-
рекомендации по модернизации шлифовального оборудования на основе проведённых исследований.
Апробация и внедрение результатов работы.
Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на конференциях и семинарах: международная научно-методическая конференция «Высокие интеллектуальные технологии и инновации в образовании и науке» (Санкт-Петербург - 2010, 2012 гг.), всероссийская конференция «Фундаментальные исследования и инновации в национальных исследовательских университетах» (Санкт-Петербург - 2010 г.), областные научно-практические конференции молодых учёных «Молодёжная мысль в науке - инновационный потенциал будущего» (Псков - 2010 г.), «Энергия и талант молодёжи - залог развития инновационных и наукоёмких производств» (Псков - 2011, 2012 гг.), международная молодёжная научная школа-семинар «Физические основы высокоскоростной обработки и технологическое обеспечение
компьютерных технологий в машиностроении» (Ульяновск, 2011 г.), международная научно-практическая конференция «Environment. Technology. Resources» (Резекне, Латвия, 2013, 2015 гг.). Кроме того отдельные материалы диссертации в 2013 г. были представлены на мероприятии «УМНИК» Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере, по результатам которой автор был признан победителем.
В полном объеме диссертация заслушана и одобрена на заседании кафедры «Технология машиностроения» Псковского государственного университета в 2016 г.
Разработанные на основе проведенных исследований рекомендации по выбору оптимальной зернистости шлифовальных кругов приняты к внедрению в производственных условиях ОАО «ПЗ АТС-Т» и ООО НИП «Дельта-Т» (г. Псков). Предложенные методики обеспечили снижение себестоимости продукции за счёт уменьшения расхода абразивного инструмента.
Отдельные научные положения работы: уточненные понятия теории резания, условия стружкообразования при микрорезании единичным абразивным зерном, схема причинно-следственных связей в зоне резания при шлифовании и др. приняты к внедрению в учебный процесс подготовки бакалавров по направлению «Технология, оборудование и автоматизация машиностроительных производств» ФГБОУ ВПО «Псковский государственный университет».
Публикации.
По материалам диссертационной работы опубликовано 23 печатных работы, в том числе 3 статьи в изданиях из списка ВАК (одна без соавторов), 2 статьи в иностранных изданиях (одна без соавторов), 2 патента РФ, а 1 заявка на патент на стадии экспертизы по существу.
Структура работы.
Работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка использованных источников и приложений. Общий объем работы 211 страниц, в том числе 65 рисунков, 30 таблиц, 135 наименований литературы.
Усовершенствование технологической конструкции станка и технологической оснастки
Выявлено, что при шлифовании плоской поверхности твердосплавных пластин алмазными кругами на бакелитовой связке для повышения стойкости алмазных кругов необходимо выбирать зернистость круга и условия, чтобы средний статистический размер алмазных зерен был в 10…15 раз больше глубины шлифования. Установлена зависимость температуры от размера зерна в зоне контакта алмазного зерна и твердосплавной пластины. Для осуществления обработки по приведённым схемам, автором разработано устройство, устанавливаемое на стол шлифовального станка, а так же конструкция такого станка [14]. Предложенная разработка предполагает значительные капитальные вложения, что подходит для крупных предприятий.
В работе [9] рассматривается упругодинамическое крепление шлифовального круга на планшайбе с адаптивным изменением её крутильной жёсткости при обработке плоскости периферией круга. Автором, на основании комплексного экспериментального исследования технологических возможностей процесса плоского шлифования, установлено, что по сравнению с традиционным жестким креплением, упругодинамическое крепление шлифовального круга обеспечивает: – повышение стойкости круга до появления прижогов на шлифуемой поверхности в 1,5…1,7 раза; – уменьшение абсолютного и удельного износа круга в 1,3…2 раза, снижение динамики изменения макрогеометрии рабочей поверхности круга со временем обработки. Однако при шлифовании легкообрабатываемых сталей наблюдается увеличение шероховатости на 15…20 %. Для осуществления предлагаемого варианта обработки разработана конструкция планшайбы, устанавливаемой на шпиндель плоскошлифовального станка. Капитальные вложения для внедрения результатов этой работы невысоки.
В работе [10], для достижения повышенной производительности, автор предлагает заменить процесс выхаживания шлифовальным кругом на обработку абразивными брусками, что значительно сократит время, необходимое для уменьшения волнистости поверхности в 2,5 раза. Предложенные разработки сокращают себестоимость обработки ответственных деталей при значительных капитальных вложениях и рациональны при обработке поверхностей с жёсткими требованиями к состоянию поверхностей.
В исследованиях [111] уделено внимание плоскому торцевому планетарному шлифованию, его влиянию на теплонапряжённость и производительность процесса обработки, а так же на качество получаемой поверхности. Разработанные конструкции шлифовальных головок обеспечивают снижение температуры в зоне резания в 2,5…4 раза, предложенный способ правки шлифовальных кругов, установленных на планетарных головках, позволяет понизить указанную температуру в 1,3 раза, за счёт расположения рабочих поверхностей шлифовальных кругов, отличающихся по характеристикам, в различных параллельных плоскостях, производительность процесса повышается в 1,2…1,3 раза. Стойкость инструментов, обработанных при помощи предлагаемых автором устройств, повышается в 1,8…1,9 раза. При значительных капитальных вложениях происходит сопоставимое повышение качества обработки, что влечёт уменьшение её относительной себестоимости, особенно в условиях крупносерийного и массового производства.
По данным исследований [45] наблюдается повышение эффективности процесса шлифования за счёт использования планетарного устройства для плоского торцевого шлифования, представленного на рис. 1.2. Результаты теоретических и экспериментальных исследований показывают, что время на обработку заготовок сократилось в 3,5 раза, а себестоимость операции – в 2 раза. Капитальные вложения, необходимые при внедрении предложенной разработки, достаточно высоки, что накладывает определённые ограничения для её широкого использования, несмотря на положительные результаты.
К недостаткам изложенных выше методов можно отнести высокие капитальные вложения, необходимые для внедрения каждого из них, связанные с необходимостью модернизации станков в соответствии с предложенными схемами. Перечисленные методы подходят для крупных производств, осуществляющих крупносерийный и массовый выпуск изделий.
Существует ряд работ [21, 24, 86, 110, 118 и др.], в которых авторами исследуется процесс обработки высокопористыми кругами (с номерами структуры до 16…24). В работах сделаны выводы о том, что применение высокопористых кругов позволяет увеличить глубину шлифования и величину поперечной подачи без ухудшения качества получаемой поверхности. Кроме того, применение таких кругов позволяет уменьшить количество правок за цикл обработки.
Проведенные исследования процесса обработки высокопористыми кругами [21] показали, что применение вышеуказанных кругов позволяет понизить шероховатость обработанной поверхности на 1…2 разряда, и увеличить микротвёрдость в 1,4 раза. А значит, использование кругов по предложенным рецептурам позволит уменьшить машинное время обработки и, следовательно, понизить себестоимость при незначительных капитальных вложениях.
В работе [30] исследуется повышение эффективности процесса высокоскоростного шлифования путём применения абразивного зерна рациональной формы и его ориентации в связке инструмента. Способ ориентирования зёрен приведён на рис. 1.3.
Разработка критерия рационального применения геометрических фигур в качестве моделей абразивного зерна
В пользу гиперболоида говорит тот факт, что данная фигура хорошо «привязывается» к геометрии абразивного зерна: телесный угол асимптотического конуса рационально принять равным углу при вершине зерна, а радиус вершины гиперболоида – радиусу вершины зерна. Проведенные исследования позволили выявить и иные преимущества использования гиперболоида [67]. Они касаются полученных условий стружкообразования и объёма снимаемой стружки единичным абразивным зерном, с учетом процессов упругопластической деформации [74].
Для гиперболоидной формы рассмотрим более подробно сравнение площадей, образованных ею при разных глубинах внедрения, с соответствующими площадями, вычисляемыми по формуле (2.2). Полученные результаты приведены в табл. 2.9.
По результатам вычислений стоит отметить, что при моделировании абразивного зерна из электрокорунда белого гиперболоидом вращения для средних зернистостей погрешность не превышает 11%, а при малой глубине резания (в основном применяемых на производстве), погрешность не превышает 5…9%.
Процесс микрорезания абразивным зерном – сложное трибологическое явление. Отделение материала в виде стружки от поверхности заготовки сопровож 82 дается упругим и пластическим деформированием поверхностей, выделением тепла и диспергированием [66]. Отличительной особенностью шлифования и других видов абразивной обработки является то, что в данном случае съём стружки преимущественно происходит при отрицательных передних углах. Согласно [81] средние расчётные значения переднего угла находятся в пределах –(46,6…56,9).
К геометрическим параметрам снимаемого слоя, характеризующим процесс резания, можно отнести: толщину и ширину среза, а также усадку стружки. В ряде современных научных работ и в учебниках по резанию материалов можно встретить замечания, что на процесс деформации при резании, которая характеризуется коэффициентом усадки стружки, оказывают влияние физико-механические характеристики обрабатываемого материала, величина подачи, глубина резания и другие параметры.
Еще в середине прошлого века Розенберг А.М. и Нассонов К.А. [101] отмечали, что при анализе механики резания имеет место ошибочное физическое толкование явлений и некорректное определение первостепенности влияющих факторов. Авторы предположили, что важнейшая и однозначная роль в степени пластической деформации принадлежит коэффициенту трения. Влияние режимов резания и физико-механических свойств обрабатываемых материалов на степень пластической деформации срезаемого слоя, определяемой усадкой стружки, может проявиться лишь через соответствующее их влияние на изменение коэффициента трения стружки по передней поверхности режущего инструмента.
Проведённые исследования [76] подтверждают вышесказанное. В развитие этих положений следует заметить, что локальное значение коэффициента трения в пределах зоны контакта «инструмент–стружка» не является постоянным. И в зависимости от поставленных целей исследований можно рассматривать лишь незначительные, наиболее важные, зоны контакта абразивного зерна со стружкой. Так, если речь идет об образовании стружки, то первостепенная роль принадлежит линии раздела передней и задней поверхностей зерна – режущей кромке.
Известно, что вдоль линии режущей кромки нормальные напряжения достигают максимальных значений, а касательные напряжения равны нуль (т.е. силы трения отсутствуют) [12]. Поэтому при анализе фрикционного взаимодействия и оценке роли трения в зоне образования ювенильных поверхностей необходимо рассматривать локальную зону, расположенную в окрестности линии режущей кромки в направлении передней поверхности абразивного зерна, что также замечено в работе [39] Крагельского И.В.
В статье [79] установлены критерии, при которых упругая деформация может переходить в деформацию сдвига - происходит образование и отделение стружки. Для протекания деформации сдвига обобщенный коэффициент трения, характеризующийся коэффициентом внешнего трения (между материалом абразива и заготовки) и коэффициентом внутреннего трения (между частицами заго Ll + Ll2 товки), JLX = L1- не должен превышать некоторого значения, определяемого из где ]i1 - коэффициент внешнего трения между стружкой и передней поверхностью абразивного зерна в окрестности линии режущей кромки; LI2 - коэффициент внутреннего трения; г\ - коэффициент усадки стружки; у - отрицательный передний угол на поверхности абразивного зерна в главной секущей плоскости на уровне плоскости заготовки. После преобразования выражение (2.13) будет иметь вид: Ll + LU Л cosy 1—2 1! —. (2.14) 1 - М-1 М-2 -Лsinу Ранее в п. 2.1.2 показано, что гиперболоид вращения является наиболее удачной фигурой при моделировании геометрии абразивных зёрен. Это также отражено в работе автора [65]. Тогда величина переднего угла у на поверхности абразивного зерна в главной секущей плоскости на уровне плоскости заготовки может быть определена из следующего выражения [71]: 2 где р - радиус округления режущей кромки (радиус вершины гиперболы); az -глубина резания единичным зерном; у 3- передний угол абразивного зерна, опре деляемый положением асимптот гиперболы - модели сечения зерна (у3 = є s угол между асимптотами).
Математическое планирование экспериментов и обработка результатов
В качестве критериев оценки технологической эффективности шлифовальных кругов и их работоспособности использовали следующие: – производительность процесса обработки, Q, см3/мин; – шероховатость обработанной поверхности, оцениваемая по среднему арифметическому отклонению профиля Ra, мкм; – период стойкости шлифовального круга Т, мин.
Для оценки эффективности обработки заготовок шлифовальными кругами контролировались следующие параметры: – глубину резания t, мкм; – продольную подачу заготовки S, м/мин; – массу снятого с заготовки металла m, г; – диаметр пятна контакта, мм; – время останова шпинделя, с; – массу оплавленного металла, г.
Контроль продольной подачи заготовки S и глубину резания t производился по лимбу станка, предварительно выверив их с помощью секундомера, масштаб 111 ной линейки и индикаторной головки 1-МИГ (цена деления 0,001 мм, погрешность измерения 0,0005 мм).
Массу снятого с заготовки металла m определяли посредством измерения массы заготовки с помощью весов AXIS 200 (Польша) (цена деления 0,0001 г, погрешность измерения 0,00005 г), и вычисляли как разность показаний весов до и после обработки. Ввиду высокой точности весов и требований к их работе, они были установлены в другом помещении для исключения посторонних влияний на точность взвешивания.
Продолжительность шлифования заготовок до появления прижога на поверхности заготовки (период стойкости круга) Т и время останова шпинделя фиксировали секундомером «Интеграл С-01» (цена деления 0,01 с, погрешность измерения 0,005 с). Наличие прижогов на шлифованной поверхности определяли посредством холодного травления [124]. Стоит отметить, что период стойкости определялся как время непосредственного контакта круга с заготовкой без времени врезания и перебега.
Параметр шероховатости Ra измеряли по ГОСТ 19300-86 на профилографе-профилометре модели 250.
Массу оплавленного металла определяли следующим образом: равное количество шлама, отмеренное специальной меркой (3,14 мм3), собранного после шлифования заготовок, распределялось равномерным слоем в капле спирта на предметном стекле и рассматривалось под микроскопом мод. Axiovert 40 MAT, предназначенным для проведения металлографических исследований. Для облегчения подсчёта под стеклом находилась миллиметровая бумага. Подсчитывалось количество шариков оплавленного металла, и определялся их диаметр, после чего вычислялась суммарная масса оплавленного металла.
Эксперименты проводились на плоскошлифовальном станке 3Г71. Частота вращения шпинделя 2740 об/мин, что при диаметре круга 250 мм соответствует скорости 35,86 м/с. Однако после правки круги уменьшались, что влекло и уменьшение скорости резания, поэтому средняя скорость была принята равной 35,5 м/с. Лабораторные и испытательные исследования технологической эффективности шлифовальных кругов на всех этапах, кроме измерения стойкости были проведены при шлифовании образцов заготовок в виде шестигранников с прямоугольным выступом на одном торце, представленном на рис. 3.1. Материал всех образцов – сталь 35 ГОСТ 1050-88, химический состав которой подтвержден фотоэлектрическим спектральным методом по ГОСТ 18895-97 на атомно-эмиссионном спектрометре ДФС-500 (Россия) и представлен в табл. 3.1. Плотность материала образцов 7,826 г/см3.
Перед началом испытаний образцы (5 шт.) подвергались различным видам термической обработки, кроме одного из них (№1), который являлся эталонным, – специальная термообработка не применялась (нормализованный прокат с завода-изготовителя). Шлифуемая вдоль большей стороны прямоугольная поверхность имела номинальные размеры 1540 мм (площадь 600 мм2) и была по ширине меньше высоты круга (15 20). Более подробная характеристика исходных образцов представлена в табл. 3.2. 113 Таблица 3.2 Физико-химические свойства и режимы термообработки образцов Параметры Ед. изм № образца 3 1 2 4 5 Площадь поверхности 2 мм 592,0 624,1 600,5 594,0 611,5 Вид термообработки, охлаждающая среда – норма-лиза-ция закалка 850С, отпуск 600С, вода закалка 850С, отпуск 400С, вода закалка 850С, отпуск 200С, вода диффузионный отжиг 1100С, печь Твердость HB 151 226 271 (29 HRCЭ) 432 (46 HRCЭ) 110 При проведении экспериментальных исследований использовали стандартные шлифовальные круги ГОСТ 2424-83 из белого электрокорунда на керамической связке среднемягкие со средней структурой 1 250х20х76 25А L6V 50 2 различных зернистостей – F60, F40, F30, получившие наибольшее распространение при шлифовании конструкционных сталей.
Требования к шлифовальным кругам при лабораторных исследованиях не отличались от общих требований к шлифовальным кругам, используемых на операциях шлифования.
Перед проведением исследований шлифовальные круги проверяли на соответствие основных геометрических параметров требованиям ГОСТ 2424-83. Твёрдость и механическая прочность кругов соответствовала требованиям ГОСТ 12.3.028-82. Величина допускаемого дисбаланса не превышала значений, определяемых ГОСТ 3060-86 для 2 класса неуравновешенности (до 10 г.). Перед установкой на станок все круги проверялись на наличие сколов и трещин, и в сборе с фланцем проходили статическую балансировку на стенде.
Режимы шлифования устанавливались экспериментально, максимально приближаясь к условиям действующей технологии на ЗАО «АТС-Т» (г. Псков). Для сравнения показателей качества обработанных поверхностей, шлифование проводилось без выхаживания, за исключением эксперимента с определением объёма снятого металла при шлифовании с выхаживанием.
Режимы шлифования варьировали в следующих пределах: глубина резания t – 5, 15, 25 мкм; число ходов i – 1, 8, 16; скорость продольной подачи образца S – 12, 15,75, 19,5 м/мин.
Шлифовальные круги правили методом обтачивания, используя, согласно рекомендациям [100] в качестве правящего инструмента алмазный карандаш 3908-0087 по ГОСТ 607-80. Режимы правки устанавливали с учётом рекомендаций [93], с четырьмя ходами выхаживания и продольной подачей правящего алмазного карандаша приближённо равной 0,3 м/мин.
Для получения достоверных результатов эксперимента по оценке качества обработанной поверхности на операции плоского шлифования [69] требовалось определить число параллельных опытов по результатам предварительного эксперимента для среднего арифметического отклонения профиля шлифованной поверхности Ra, как параметра, имеющего наибольший разброс значений.
Эксперимент проводили на образце №2, кругом с зернистостью F30 при продольной подаче 15 м/мин, 10 двойными ходами, глубиной резания на каждый двойной ход 10 мкм и последующими 10 двойными ходами выхаживания.
Конструкторско-технологические разработки для реализации при шлифовании периферией и торцом круга
В работе [121] проанализирована кинетика состояния рабочих поверхностей кругов из традиционных абразивных материалов (электрокорунда и карбида кремния) при шлифовании заготовок из коррозионно-стойких сталей и выделены три периода работы кругов: 1) скалывание вершин абразивных зёрен, разрушение зерен с образованием мелких осколков и вырывание непрочно закрепленных зерен из связки в начальный период шлифования после правки круга (образование площадок вместо острых режущих кромок вызвано понижением прочности и твердости абразивных зерен при температурах 1000 – 1600С, возникающих в зоне контакта круга и заготовки); 2) затупление зерен с последующим налипанием на их вершины частиц металла заготовки (нароста), разрушение зерен с образованием осколков и вырывание затупившихся и засаленных зерен из связки под действием силы резания; при этом поры круга частично заполняются шламом; 3) дальнейшее засаливание рабочей поверхности, заключающееся в заполнении шламом пространства между зернами, что приводит к полной потере кругом режущей способности.
Возникновение нароста изменяет условия работы инструмента. Ввиду того, что нарост выполняет функцию режущей кромки [12], зерно работает с передним углом, отличающимся от его собственного угла. В зоне скоростей резания, соответствующих максимальной высоте нароста, наблюдается резкое увеличение шероховатости, появление прижогов и иных дефектов на поверхности [59].
Установлено, что размеры нароста в значительной степени зависят от скорости резания. При малых скоростях резания нароста на режущем зерне не наблюдается. Это происходит из-за недостаточной величины нормальной составляющей силы резания, действующей по передней поверхности, которая прижимает срезаемый материал заготовки в области линии режущей кромки. Забившаяся в поры круга стружка достаточно легко удаляется под действием центробежных сил, сил инерции и динамических свойств СОТС (при их использовании). При повышении скорости резания, нормальная составляющая силы резания растёт, обеспечивается более плотный прижим срезаемого материала к поверхности зерна, повышается температура в зоне резания, то есть создаются все условия для адгезионного схватывания материалов стружки и абразива. Твёрдость полученного нароста в 2 – 4 раза превышает твёрдость обрабатываемого материала, но не абразивного зерна. На рис. 4.1 показаны эпюры контактных напряжений на передней и задней поверхностях зерна при постоянной скорости резания, построенные на основании метода, изложенного в работе [12]. На данном рисунке видны нормальные N и касательные F и F контактные напряжения. В точке O, расположенной на линии режущей кромки, N имеет наибольшее значение, а F и F, соответственно равны нулю. Точки А и В соответствуют крайним точкам контакта зерна с обрабатываемым материалом.
Согласно ГОСТ 25762-83 «Обработка резанием. Термины, определения и обозначения общих понятий» режущая кромка – кромка лезвия инструмента, образуемая пересечением передней и задней поверхности лезвия. На практике разделить переднюю и заднюю поверхность инструмента, учитывая наличие радиуса округления вершины зерна, представляется довольно непростой задачей.
По результатам проведённых исследований, режущая кромка – это линия на поверхности режущего инструмента, для каждой точки которой касательные плоскости к поверхности лезвия образуют с основной плоскостью резания угол, по величине равный модулю критического переднего угла. Значение критического переднего угла зависит от коэффициента усадки стружки обрабатываемого материала и коэффициента внешнего трения между передней поверхностью и стружкой можно определить по формуле (2.29).
Известно, что скорость резания влияет на значение коэффициента внешнего трения. В диапазоне скоростей типичных для шлифования график зависимости коэффициента внешнего трения от скорости резания монотонно убывает. Повышение скорости резания приводит к увеличению площади передней поверхности абразивных зёрен [74]. В результате уменьшается величина остаточных напряжений, поскольку в этом случае линия режущей кромки приближается к контуру проекции вершины абразивного зерна на основную плоскость, и, следовательно, площадь задней поверхности, участвующей в упругопластическом деформировании обрабатываемой поверхности, уменьшается.
С учётом того, что положение линии режущей кромки, определяющей объём снимаемой стружки, зависит от коэффициента внешнего трения, то одним из эффективных путей, способствующих повышению режущей способности инструмента и устранению (либо уменьшению, в зависимости от условий обработки) засаливания кругов, может быть шлифование с переменной скоростью резания [73].
Механизм здесь будет следующим. Переменная скорость резания вызовет изменение сил фрикционного взаимодействия в зоне резания. Коэффициент трения, зависящий от скорости взаимного перемещения контактирующих тел, будет также изменяться. В этом случае линия режущей кромки из «статической» превращается в «динамическую» (меняется её расположение, по отношению к поверхности абразивного зерна). Геометрическое расположение зон нулевых касательных напряжений и зон максимальных локальных температур будет постоянно изменяться (рис. 4.2). Частота и амплитуда изменения скорости резания по времени будет влиять на эффективность ликвидации застойных зон. Касательные напряжения, возникающие в подобных зонах, не дают образовывать стабильные связи ковалентного и ионного типа, с которых, скорее всего, и начинается процесс засаливания инструмента.
Амплитуда и частота колебания застойной зоны (области точек О1 и О2), где касательные напряжения минимальны, а нормальные максимальны, должны быть подобраны так, чтобы обеспечивать полное разрушение нароста на поверхности зерна и устранять причины для его возможного появления. По проведённым расчётам для кругов из кубического нитрида бора наибольший эффект, при ликвидации застойных зон, будет наблюдаться в случае использования относительно небольших скоростей резания 17 – 25 м/с [53]. Такие скорости резания, как правило, используются при шлифовании торцом круга.
Если линия режущей кромки единичного абразивного зерна, участвующего в съёме стружки, не претерпевает существенных изменений, то происходят процессы, приводящие к потере режущей способности шлифовального круга, например, засаливание. Касательные напряжения вдоль линии режущей кромки равны нулю, а нормальные, наоборот, – достигают максимальных значений. Это усиливает адгезионные связи между молекулами материала абразивного зерна и молекулами вновь образовавшихся ювенильных поверхностей, свободных от окислов и загрязнений. Стружка с трудом удаляется из зоны резания, забиваясь в пространства между абразивными зернами и в поры.