Содержание к диссертации
Введение
1. Проблемы технологии шлифования массивных, тонких и клиновидных пластин из труднообрабатываемых сталей
1.1. Материалы и вопросы технологии обработки массивных, тонких и кли новидных пластин
1.2. Обеспечение основных показателей качества поверхностного слоя пла
стин из труднообрабатываемых сталей и анализ существующих исследований в этой области
1.3. Технологические проблемы применения сверхтвердых материалов при шлифовании пластин из труднообрабатываемых сталей
Выводы 72
Постановка цели, задачи исследований 74
2. Системный анализ процесса торцового шлифования массивных, тонких и клиновидных пластин
2.1. Процесс шлифования пластин как техническая система 76
2.2. Основные принципы системного анализа технической системы процесса шлифования
Выводы 93
3. Тепловые процессы при шлифовании массивных, тонких и клиновидных пластин из труднообрабатываемых сталей
3.1. Теоретические исследования тепловых процессов при шлифовании торцом круга
3.2. Температурное поле в области клина при обработке пластин по кромке 101
3.3. Расчет температуры при шлифовании массивных и тонких пластин 113
3.4. Повышение эффективности обработки тонких пластин за счет интенсификации теплообмена в зоне шлифования
3.5. Гидродинамические исследования потока охлаждающей жидкости при шлифовании
Выводы 149
4. Технологические остаточные напряжения при торцовом алмазном шли фовании пластин
4.1. Кинетика формирования напряженного состояния шлифованной по 151
верхности
4.2. Теоретические и экспериментальные исследования напряженного состояния детали после шлифования с учетом её закрепления вакуумным приспособлением и на магнитной плите
4.3. Образование остаточных напряжений при торцовом шлифовании пластин из труднообрабатываемых сталей одновременно с нагревом и охлаждением
4.4. Определение остаточных напряжений в тонких пластинах 169
4.5. Исследование остаточных напряжений при торцовом шлифовании массивных пластин из труднообрабатываемых сталей
Выводы 193
5. Пути интенсификации плоского шлифования за счет снижения теплона пряженности процесса
5.1. Совершенствование составов и техники применения технологических СОЖ
5.2. Теоретические и экспериментальные исследования режущей поверхности шлифовального инструмента
5.3.Технологические методы снижения температуры при шлифовании 214
5.4. Влияние условий плоского торцового шлифования на основные параметры теплового процесса
5.5. Погрешности от температурных деформаций в пластинах
Выводы 256
6. Технологическая оснастка для эффективного шлифования массивных, тонких и клиновидных пластин из труднообрабатываемых сталей
6.1. Расчет и конструирование шлифовального инструмента с прерывистой рабочей поверхностью для обработки пластин
6.2. Расширение технологических возможностей процесса шлифования инструментами с прерывистой режущей поверхностью 276
6.3 Технологические основы шлифования массивных, тонких и клиновидных пластин из труднообрабатываемых сталей алмазным инструментом с прерывистой рабочей поверхностью и непосредственной подачей СОЖ в зону резания
6.4. Показатели качества поверхностного слоя обрабатываемой детали 284
6.5. Исследование формы обработанных пластин при торцовом алмазном шлифовании
6.6. Исследование точности обработанных пластин при шлифовании 297
6.7. Производительность процесса, износостойкость инструмента при торцовом алмазном шлифовании
6.8. Разработка модели технологического процесса шлифования пластин из труднообрабатываемых сталей инструментами с прерывистой режущей поверхностью
Выводы 316
7. Расчет и конструирование специальных приспособлений для крепления массивных, тонких и клиновидных пластин из труднообрабатываемых сталей при шлифовании
7.1. Расчет и конструирование вакуумных приспособлений для крепления тонких пластин
7.2. Расчет и конструирование магнитных приспособлений с внутренним охлаждением для крепления пластин при шлифовании Выводы 337
8. Методология проектирования технологического процесса торцового алмазного шлифования массивных, тонких и клиновидных пластин из труднообрабатываемых сталей
8.1. Принципы проектирования процесса торцового алмазного шлифования 338
8.2. Выбор оптимальных режимов торцового шлифования массивных, тонких и клиновидных пластин
8.3. Определение оптимальных условий процесса шлифования алмазными прерывистыми кругами с учетом возможных ограничений на параметры оптимизации
Выводы 358
Заключение 359
Список использованной литературы
- Технологические проблемы применения сверхтвердых материалов при шлифовании пластин из труднообрабатываемых сталей
- Основные принципы системного анализа технической системы процесса шлифования
- Повышение эффективности обработки тонких пластин за счет интенсификации теплообмена в зоне шлифования
- Теоретические и экспериментальные исследования напряженного состояния детали после шлифования с учетом её закрепления вакуумным приспособлением и на магнитной плите
Введение к работе
Актуальность темы исследования. В машиностроении получили широкое распространение детали из труднообрабатываемых материалов, которые обладают рядом преимуществ, главными из которых являются повышенная теплостойкость и износостойкость. При шлифовании данных материалов отмечается повышенная склонность к образованию прижогов и трещин со значительной толщиной дефектного слоя, а также низкая стойкость абразивных инструментов.
Проблемной является обработка плоских тонких деталей (пластины, ножи, резаки, прокладки, планки), к которым предъявляются высокие требования по геометрической точности поверхностей (отклонения от плоскостности, прямолинейности профиля, волнистость и шероховатость) и физико-механическому состоянию поверхностного слоя.
Известно, что при шлифовании тонких пластин теплоотвод с поверхности недостаточен, что приводит к нежелательным изменениям физико-механических свойств и структурного состояния поверхностного слоя.
По сравнению с абразивными методами шлифования большая точность и лучшее качество поверхностного слоя при более высокой производительности достигаются инструментами из сверхтвёрдых материалов.
К наиболее производительным методам шлифования относится плоское шлифование торцом чашечного алмазного круга. Эффективность данного метода обусловлена непрерывностью работы алмазных зерен круга в контакте с поверхностью детали и их высокой износостойкостью.
Применение алмазного шлифовального инструмента имеет следующие преимущества: высокий предел упругости алмазных зёрен, однородность и плотность их структуры, малый коэффициент теплового расширения, высокая теплопроводность и низкий коэффициент трения. Однако по сравнению с другими сверхтвёрдыми материалами, например кубическим нитридом бора, алмаз имеет меньшую термостойкость (до 800 оС). Поэтому эффективное применение алмазного инструмента при шлифовании труднообрабатываемых сталей возможно, если температура в зоне обработки не превышает 500 оС.
Анализ производственного опыта и научной информации позволил заключить, что широкое внедрение плоского шлифования торцом алмазного круга на промышленных предприятиях сдерживается из-за высокой теплонапряженности процесса. Достижения последних лет в области снижения теплонапряженности процессов шлифования не
решают в полной мере проблемы высокопроизводительного бездефектного торцового шлифования пластин из труднообрабатываемых сталей.
До настоящего времени отсутствовал системный анализ плоского шлифования торцом алмазного круга, описывающий взаимосвязи технологических факторов процесса с геометрическими характеристиками круга и состоянием поверхностного слоя пластин, что не позволяло создать единую методологию проектирования технологии торцового шлифования и оснастки для его реализации.
Таким образом, разработка теоретических основ плоского шлифования торцом алмазного круга массивных, тонких и клиновидных пластин из труднообрабатываемых сталей с учетом конструктивных параметров режущего инструмента, технологических факторов, температурно-силовых условий процесса, физико-механических свойств поверхностного слоя детали и разработка на этой основе технологии интенсивного бездефектного шлифования составляют актуальную комплексную научно-техническую проблему, имеющую важное промышленное и экономическое значение.
Материалы диссертации использовались при выполнении гранта НИР Минобразования России по фундаментальным исследованиям в области технических наук «Возможности абразивного инструмента в совершенствовании технологии производства» Т02-06.3-400 (2002– 2004 гг.), в рамках государственного заказа (рег. № 7.8525.2013) Министерства образования и науки РФ (2013–2015 гг.), по заказу Удмуртского регионального центра инженерных проблем, стабильности и конверсии Российской инженерной академии, в научных исследованиях Института механики УрО РАН.
Объект исследования – процесс алмазного торцового шлифования массивных, тонких и клиновидных пластин из труднообрабатываемых сталей.
Предмет исследования – установление функциональных взаимосвязей технологических факторов плоского шлифования торцом алмазного круга с показателями качества пластин из труднообрабатываемых сталей и закономерностей, влияющих на теплонапряжённое состояние рабочей зоны, и их использование для проектирования операционной технологии и оснастки.
Цель работы – разработка технологии и оснастки, позволяющих повысить эффективность и качество алмазного торцового шлифования массивных, тонких и клиновидных пластин из труднообрабатываемых
сталей на основе изменения температурно-силовых условий в зоне обработки.
Поставленная цель потребовала решения ряда взаимосвязанных задач:
-
Провести системный анализ процесса плоского шлифования торцом алмазного круга, классифицировать основные группы факторов, определяющих качество обрабатываемой поверхности, производительность обработки, стойкость инструмента, выдвинуть критерии оценки эффективности процесса.
-
Выявить и формализовать взаимосвязи между технологическими режимами шлифования торцом алмазного круга, температурным полем в зоне контакта и качеством обрабатываемых поверхностей из труднообрабатываемых сталей, на основе которых могут быть обеспечены требуемые геометрические и физико-механические параметры поверхностного слоя.
-
Разработать модель для определения температуры при шлифовании торцом круга, позволяющую найти распределение температуры на поверхности пластины и ребре клина с учетом изменения траектории движения инструмента и действия технологической жидкости.
-
Провести исследования процесса формирования группы показателей качества (шероховатость, отклонения от прямолинейности, плоскостности) и физико-механического состояния поверхностного слоя (микротвердость, остаточные напряжения, структура) массивных, тонких и клиновидных пластин из труднообрабатываемых сталей.
-
Разработать прогрессивные конструкции шлифовальных инструментов с прерывистой рабочей поверхностью и непосредственной подачей технологической жидкости в зону резания.
-
Разработать приспособления с внутренним охлаждением и увеличенной поверхностью крепления, обеспечивающие повышение производительности шлифования и снижение величины отклонения от плоскостности.
-
Разработать единую методику проектирования процесса плоского шлифования торцом алмазного круга массивных, тонких и клиновидных пластин из труднообрабатываемых сталей с оптимизацией технологических режимов и использованием комплексного управления параметрами круга и технологической оснастки, с применением которой обеспечиваются стабильные характеристики качества обрабатываемой поверхности, повышение стойкости круга и производительности.
Методы и средства исследований. Все разделы работы выполнены с единых методологических позиций системного анализа исследуемого процесса. Теоретические исследования проведены с использованием положений теории резания, технологии машиностроения, теории пластической деформации металлов, физики твердого тела, теплофизики процесса резания, технической гидродинамики, сопротивления материалов, теории подобия, математического анализа. Экспериментальные исследования проводились с использованием теории планирования эксперимента по общепринятым методикам измерения температуры и силовых параметров шлифования, испытаний инструментов на стойкость с использованием современного оборудования и средств измерительной техники в производственных и лабораторных условиях на конкретных плоских деталях из труднообрабатываемых материалов и тонких пластинах. Использованы известные лицензионные программные средства для компьютерного моделирования процесса обработки: ANSYS, Borland Pascal 7.0 with objects, Solid Works 12, Компас 12.
Достоверность и обоснованность результатов диссертационной работы, научных выводов и рекомендаций подтверждаются сопоставлением и сходимостью результатов теоретических исследований с соответствующими результатами экспериментальных исследований автора и других исследователей, корректным использованием известных положений фундаментальных и прикладных наук. Достоверность полученных результатов также подтверждена результатами внедрения разработанных методик и рекомендаций, промышленной эксплуатацией созданной оснастки, практической реализацией предлагаемой технологии в условиях производства.
Научная новизна работы: по специальности 05.02.08
– впервые проведён системный анализ, выявлены конструктор-ско-технологические факторы, температурно-силовые условия и критерии, определяющие эффективность технологии шлифования массивных, тонких и клиновидных пластин из труднообрабатываемых сталей торцом алмазного круга с прерывистой рабочей поверхностью;
– разработана математическая модель процесса плоского шлифования торцом круга, учитывающая температурно-силовые факторы, кинематические параметры, прерывистость рабочей поверхности круга, скорость истечения и траекторию потока технологической жидкости;
– разработана методология проектирования и обеспечения качества технологического процесса торцового алмазного шлифования
пластин из труднообрабатываемых сталей, позволяющая определить оптимальные технологические режимы и условия обработки.
по специальности 05.02.07
– решена проблема снижения теплонапряженности торцового шлифования пластин из труднообрабатываемых сталей и получения заданных параметров качества обработанных поверхностей на основе применения инструментов с прерывистой рабочей поверхностью, непосредственной подачи технологической жидкости в зону резания и специальных приспособлений, что обеспечивает необходимый температурно-силовой режим обработки;
– разработаны теоретические основы проектирования торцовых шлифовальных кругов с прерывистой рабочей поверхностью и непосредственной подачей технологической жидкости в зону резания, а также приспособлений с магнитным и вакуумным приводом для эффективной обработки стальных пластин.
Практическая ценность результатов работы:
– разработаны технологические рекомендации и научно обоснована возможность повышения эффективности процесса шлифования торцом круга массивных, тонких и клиновидных пластин из труднообрабатываемых сталей за счет управления температурными деформациями и погрешностями формы плоских деталей;
– предложены инструменты с прерывистой рабочей поверхностью и непосредственной подачей технологической жидкости в зону резания; магнитные приспособления с внутренним подводом охлаждения; вакуумные приспособления с увеличенной активной площадью крепления, позволяющие уменьшить геометрические и температурные погрешности пластин из труднообрабатываемых сталей, обеспечить необходимую точность установки, повысить производительность процесса;
– разработана научно обоснованная методика проектирования технологии плоского шлифования торцом чашечного круга пластин из труднообрабатываемых сталей инструментами с прерывистой режущей поверхностью и непосредственной подачей технологической жидкости в зону контакта, позволяющая оптимизировать технологические режимы и условия обработки.
На защиту выносятся: по специальности 05.02.08
– решение проблемы стабилизации качества массивных, тонких и клиновидных пластин из труднообрабатываемых сталей на основе технологического обеспечения заданных геометрических и физико-
механических параметров поверхностного слоя при плоском шлифовании торцом алмазного круга;
– функциональные связи между технологическими факторами, показателями качества поверхности, температурно-силовыми условиями плоского шлифования торцом алмазного круга;
– результаты исследования влияния условий торцового шлифования на напряженно деформированное состояние пластин из труднообрабатываемых сталей;
– методика проектирования технологического процесса плоского шлифования торцом алмазного круга массивных, тонких и клиновидных пластин из труднообрабатываемых сталей.
по специальности 05.02.07
– способ плоского шлифования торцом чашечного алмазного круга с прерывистой режущей поверхностью и закреплением пластин из труднообрабатываемых сталей с помощью специальных приспособлений с магнитным и вакуумным приводами, а также результаты его практической реализации;
– методология определения температур в зоне контакта шлифовального круга и обрабатываемой поверхности, гидродинамические исследования потока охлаждающей жидкости при торцовом шлифовании плоских поверхностей.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных, всероссийских, региональных конференциях и конгрессах: Mechanical engineering technologies (Sofia, 2001, Bulgaria); «Dynamic so machine aggregates» Slovak univer of technology Faculty of Material and Technology in Trnava Faculty of Mechanical in Bratislava (Slovak Republic, 2000, 2012, 2013); «Актуальные проблемы конструкторско-технологического обеспечения машиностроительного производства» (Волгоград, 2003); «Проблемы машиностроения и технологии материалов на рубеже веков» (Пенза, 2008); «Фундаментальные и прикладные проблемы технологии машиностроения» (Орел, 2003, 2004); «Машиностроение и техносфера ХХI века» (Донецк, 2004–2008); «Обеспечение и повышение качества машин на этапах их жизненного цикла» (Брянск, 2005); «Процессы абразивной обработки, абразивные инструменты и материалы» (Волжский, 2005–2007); «Аэрокосмическая техника и высокие технологии» (Пермь, 2000–2002, 2008, 2014); «Совершенствование процессов механической обработки материалов» (Ижевск, 1996–2013); «Научно-технические проблемы станкостроения, производства технологической оснастки и инструмента» (Одесса, 2006,
2013); «Проблемы повышения эффективности металлообработки на современном этапе» (Новосибирск, 2007).
Реализация и внедрение результатов
Результаты работы реализованы при внедрении технологии шлифования торцом алмазного круга с прерывистой рабочей поверхностью и непосредственной подачей СОЖ в зону контакта, магнитных и вакуумных приспособлений на предприятиях машиностроительного комплекса ДОАО «Ижевский инструментальный завод» концерна «Ижмаш», ФГУП «Воткинский завод», в механических цехах ОАО «Удмуртторф», ОАО «Буммаш», ООО «ИжРТИ», в частности, при обработке штык-ножей, ножей, пластин аэродинамических рулей, торцовых фрез. Экономический эффект от внедрения составил 2800 тыс. рублей (по ценам 2009–2013 гг.).
Разработанные методики проектирования технологии шлифования торцом круга труднообрабатываемых сталей, технологической оснастки и инструмента используются в учебном процессе Чайковского филиала Пермского национального исследовательского политехнического университета, ГОУ ВПО «Удмуртский государственный университет», ГОУ ВПО «Ижевский государственный технический университет им. М. Т. Калашникова».
Полезность и новизна конструкторско-технологических разработок подтверждаются актами внедрения разработок на промышленных предприятиях, 9 патентами РФ на изобретения.
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 26 печатных работах, опубликованных в изданиях, включенных в перечень ВАК, 2 монографиях, 9 патентах. Всего по материалам диссертации опубликовано 174 работы, из них 30 учебно-методических пособий.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 8 глав, заключения, списка литературы из 279 наименований, приложений. Общий объем работы – 418 страниц, включая 277 страницы основного текста,150 рисунков, 32 таблицы.
Технологические проблемы применения сверхтвердых материалов при шлифовании пластин из труднообрабатываемых сталей
Сверхтвердые синтетические алмазы и эльбор (кубический нитрид бора) открыли широкие перспективы в области шлифования труднообрабатываемых материалов и термообработанных сталей высокой твердости и прочности, расширили область применения плоского шлифования торцом круга в широких масштабах. Причина быстрого и широкого распространения алмаза и эльбора заключается в уникальности их свойств, обеспечивающих повышение стойкости шлифовального инструмента до 50 раз по сравнению с инструментом из традиционных абразивных материалов (электрокорунда, карбида кремния).
Проведенные исследования, связанные с эффективным применением инструмента, как из синтетического алмаза [6, 34, 35, 37, 50, 151, 233, 245, 246 и др.], так и из эльбора [35, 40, 134, 189, 239, 242, 246 и др.], позволили раскрыть принципиальные особенности механизма резания, теплонапряженность процесса, основные закономерности износа и режущей способности кругов, качество обработки и выработать практические рекомендации по выбору характеристик инструмента и режимов шлифования. Результаты данных исследований и опыт промышленных предприятий позволяют утверждать, что алмаз, как абразивный материал, в наибольшей степени отвечает условиям эффективного резания при шлифовании, прежде всего, высокотвердых труднообрабатываемых материалов. Успешным оказалось применение инструмента из эльбора при чистовом и окончательном шлифовании прецизионных деталей из жаропрочных, нержавеющих, быстрорежущих и высоколегированных конструкционных сталей. Практика использования алмазных кругов при шлифовании высокопрочных сталей свидетельствует о том, что область их применения ограничена узким диапазоном режимов резания и характеристик кругов. При этом оптимальные режимы шлифования – доводочные. По этой причине синтетический алмаз не получил широкого применения при шлифовании высоколегированных закаленных конструкционных сталей.
Изучение адгезионных и контактных свойств алмаза и кубического нитрида бора по отношению к металлам необходимо при решении следующих технологических проблем:
- технология получения, характеристики алмазных и кубонитовых материалов, закрепление режущего зерна в матрице инструмента. При решении этой проблемы благоприятным фактором является высокая адгезия алмаза и кубического нитрида бора к металлам;
- шлифование металлических деталей алмазным и эльборовым инструментами, в процессе которого проявляются адгезионные свойства алмаза и кубического нитрида бора по отношении к металлу, влияющие на качество обрабатываемой поверхности, стойкость инструмента. При этом предпочтительна низкая адгезия алмаза и кубического нитрида бора к металлам;
- получение, синтез алмаза и кубического нитрида бора из гексагональных модификаций этих веществ (графит и гексагональный BN) в присутствии катализаторов или растворителей тем или иным методом (с применением давления, эпитаксиальным наращиванием и др.). Предпочтительнее низкая межфазная энергия на границе алмаза и кубического нитрида бора с металлами.
По данным [35, 194, 246] на основе алмаза и кубического нитрида бора синтезом или спеканием можно получить композиционные материалы, существенно отличающиеся по своим свойствам (таблицы 1.5, 1.6).
Сопоставление геометрических параметров зерен эльбора с различными абразивными материалами и алмазами показывает [134, 151, 246], что радиусы округления эльборовых зерен в зависимости от величины зерна на 3 8 мкм больше алмазных и на 2 17 мкм меньше абразивных, угол заострения зерен на 10 15 больше алмазных и 10 12 меньше абразивных. Большие радиусы округления в сочетании с менее острыми углами затрудняют в процессе работы внедрение зерна в обрабатываемый материал. У зерен малых размеров эльбора микрорельеф имеет больше прямолинейных граней и небольшое количество мелких выступов и впадин. С увеличением размера зерна эльбора количество прямолинейных участков уменьшается, увеличивается развитость профиля за счет появления множества мелких выступов и впадин. Это значит, что процесс внедрения зерен эльбора в обрабатываемый материал затруднен по сравнению с внедрением алмаза и требуется больше мощности на процесс шлифования. Радиус округления режущих кромок алмаза не имеет зазубрин и выкрашиваний, а лучшая острота кромок позволяет снимать стружки значительно меньшей толщины.
Основные принципы системного анализа технической системы процесса шлифования
Из выражения (3.40) видно, что при /}— о; т.е. при увеличении толщины пластины, для всех множитель М - 1. При малых значениях в непосредственной близости от источника М іпри любой толщине пластины. Влияние ограниченности теплопроводящего тела на температуру поверхности вблизи источника незначительно. По мере удаления от источника влияние ограниченности изделия на температурное поле увеличивается, и при - о множитель М— о. Так как сама температура в удаленных точках стремится к нулю, то в целом значительного повышения температуры вдали от источника не происходит.
При X=D, т.е. на плоскости, противоположной той, по которой движется источник, характер изменения множителя М при изменении толщины пластины в целом такой же, как и приХ = 0, но при /}- о множитель М стремится не к единице, а к двум. Это значит, что температура на противоположной поверхности тонкой пластины будет в два раза выше, чем температура массивной пластины, на глубине, равной ее толщине. При относительной толщине D = 1 влияние ограниченности детали на температурное поле вблизи линейного источника не очень велико. При D = 2 этим влиянием вообще можно пренебречь. В этом случае ограниченность массивной пластины скажется лишь в удаленных точках, где это влияние окажется не существенным, так как сама температура мала. При движении по поверхности пластины полосового источника влияние ее ограниченности резко увеличивается даже при сравнительно большой относительной толщине. Чем больше ширина источника, тем более существенно это влияние. Так, если для линейного источника относительная толщина D = 1 почти не влияет на температуру вблизи источника, то эта же толщина в случае полосового источника Н = 1 приводит к повышению температуры непосредственно под источником приблизительно в два раза.
В качестве примера рассчитаем температуру на поверхности пластины толщиной 0,3 см из материала 12Х2Н4А с параметрами а = 0,067 см2/с; X = 33,52 Вт/м град, со следующими режимами шлифования Snp= 0,6 м/мин; vKp = 20 м/с, ширина зоны контакта вдоль направления движения 2h = 10 см, скорость подачи охлаждающей жидкости в зону резания иж = 2 м/с. Для этого случая относительная толщина пластины будет D = 2,24. Такая толщина уже существенно влияет на температуру.
На рисунке 3.7 (а, б) кривые распределения температуры и изотермы, рассчитанные для случая Травного 0; 0,5d; d.
Под источником характер распределения температуры в целом сохраняется таким же, как и в случае шлифования массивной пластины (пунктирные линии), и происходит общий подъем температуры на противоположной грани пластины. За источником температура быстро выравнивается по всему сечению детали. При удалении от источника изотермические поверхности стремятся занять положение плоскостей, нормальных плоскости X = 0.
Чтобы при оценке максимальной температуры не прибегать к сложным расчетам по выражению (3.39) возможно, с достаточной для практики точностью, использование приближенного метода. Сущность приближенного метода состоит в том, что вместо того, чтобы умножать каждое значение подынтегральной функции на соответствующее значение множителя и вычислять интеграл, можно взять некоторое среднее значение множителя М и вывести его за знак интеграла. Это среднее значение множителя обозначим N(D, Н). В этом случае расчетная формула будет иметь вид:
Пользуясь приближенным выражением (3.41) можно построить температурную кривую для поверхности пластины (рисунок 3.8), на котором нанесены также и экспериментальные точки. В области максимума экспериментальный и расчетный результаты совпадают с большей степенью точности. В точках поверхности впереди максимума расчетные значения температур лежат выше экспериментальных, а в области за источником – ниже. Это обстоятельство ограничивает область применения приближенного выражения (3.41). Поэтому выражение (3.41) рекомендуем применять только для оценки максимальных температур. Однако при больших Н (больших скоростях источника), характерных для шлифования, ошибка при расчетах по приближенному выражению (3.41) значительно меньше и расчет по ней можно производить с достаточной для практики точностью.
На характер температурного поля влияет не только толщина пластины, но и режим шлифования, и теплофизические свойства материала. Подбирая соответствующий режим обработки, можно в некоторых пределах существенно изменить относительную толщину пластины. Так, пользуясь номограммой (рисунок 3.9) можно, заранее задавая предельную для данного случая температуру, подобрать режим шлифования так, чтобы увеличение температуры за счет ограниченности изделия не происходило. Предположим, что нужно подобрать такой режим, чтобы повышение максимальной температуры за счет ограниченности изделия не превышало 5%. Этому режиму будет соответствовать вся область на номограмме правее кривой, отмеченной индексом, 5% . Соответствующий режим может быть обеспечен вариацией скорости продольной подачи и глубины шлифования. Например, если абсолютная толщина пластины из стали (а = 0,1 см2/с) равна 1 мм, то при = 10 см/с D = 5. Из номограммы (рисунок 3.9) видно, что для этой пластины все значения Н, не превышающие 10, обеспечат такую же максимальную температуру, как и при обработке массивного тела. При шлифовании кругом диаметром 200 мм получим, что условие позволяющее ограничить увеличении максимальной температуры 5%, будет выполняться, если глубина шлифования не пре 119 коэффициента Когр. Введение этого множителя позволяет во всех случаях рассчитать температуру по формулам для источника по всей ширине обработанной детали и умножить полученные результаты на коэффициент Когр. Таким образом, в результате выполненных исследований:
- Получено решение задачи о температурном поле в тонких пластинах с теплообменом на свободной поверхности.
- Исследовано распределение температурного поля по глубине пластин при плоском шлифовании. Установлено влияние изменения режимов резания и геометрических размеров пластин на температуру по глубине детали.
- Разработана методика расчета температуры на обрабатываемой поверхности пластин. Использование данной методики позволит прогнозировать температуру в массивных и тонких пластинах с учетом их геометрических размеров, режимов шлифования и физико-механических свойств обрабатываемой поверхности.
Повышение эффективности обработки тонких пластин за счет интенсификации теплообмена в зоне шлифования
Анализ полученной графической зависимости (рисунок 4.32) позволяет установить, что максимальная величина напряжений в поверхностном слое зависит от метода подачи СОЖ в зону резания и режимов шлифования. С интенсификацией режимов шлифования величина сжимающих напряжений уменьшается. С увеличением скорости детали и глубины резания, при погружении пластины в ванну с СОЖ всегда возникают напряжения сжатия, и глубина их распространения уменьшается. При этом с уменьшением скорости детали начинает превалировать силовое воздействие, приводящее к образованию сжимающих напряжений в поверхностном слое.
В результате выполненных исследований остаточных напряжений в круглых пластинах (дисках) получены графические и аналитические зависимости относительной деформации, остаточных напряжений от площади сечения стравленного слоя.
Решение задач (4.27 – 4.29, 4.43, 4.44, 4.48, 4.49, 4.52 – 4.56) определяют параметры процесса шлифования, при которых не происходит структурных превращений поверхностном слое, что подтверждает критерий оптимальной температуры.
Анализируя приведенные исследования остаточных напряжений при торцовом шлифовании массивных, тонких и клиновидных пластин, можно отметить следующее.
1. Формирование остаточных напряжений объясняется следующими основными причинами: - пластической деформацией поверхностного слоя, увеличение объема деформированного слоя, появление в нем остаточных сжимающих напряжений; - вытягиванием верхних волокон металла и развития в них остаточных напряжений сжатия; - локализированным нагревом тонких слоев с возникновением в них остаточных напряжений сжатия - растяжения; - фазовыми превращениями слоев металла, приводящие к образованию в них различных структур, обладающих разным удельным объемом и создающих в этих слоях остаточные напряжения разного знака.
2. Величина и глубина распространения остаточных напряжений прямопропор-циональна интенсивности теплового источника q, коэффициенту линейного расширения материала р, модулю упругости Eи обратно пропорциональна объемной теплоемкости с и пределу текучестиТматериала. Подбирая соответствующие режимы шлифования можно воздействовать только на величину интенсивности теплового источника q.
3. Остаточные напряжения снижаются при шлифовании с высокими скоростями детали д, меньшими глубинами резания t, при применении СОЖ, обладающих лучшими смазывающими свойствами, что дает возможность увеличить тепло-отвод .
4. В результате изучения схем закрепления пластин при шлифовании получены данные, что схемы закрепления детали оказывают существенное влияние на распределение остаточных напряжений.
Установлено, что закрепление пластины на магнитной плите позволяет получить более благоприятное распределение остаточных напряжений, чем при закреплении по опорным точкам и по краям.
Проектируя приспособления для установки обрабатываемых деталей при шлифовании, необходимо стремиться к тому, чтобы они позволили деталям расширяться в главных направлениях.
5. Получены зависимости по расчету остаточных напряжений в круглой пластине при заданных первоначальных деформациях. Установлено неравенство между интенсивностью остаточных напряжений и пределом текучести обрабатываемого материала, позволяющее определить первоначальные и вторичные пластические деформации.
6. Исследования остаточных напряжений и деформаций в тонких фрезах постоянной и переменной толщин с центральным отверстием и без отверстия в центре позволили разработать методику расчета остаточных напряжений и управлять их распределением.
7. Проведенные экспериментальные исследования по определению остаточных напряжений, возникающих при шлифовании труднообрабатываемых сталей, выявили: - закономерности формирования температурных остаточных напряжений; - рекомендации при шлифовании труднообрабатываемых легированных конструкционных сталей 40ХН2МА, ХВГ и 12ХН3А, жаропрочной, коррозионно-стойкой и жаростойкой стали аустенитного класса 12Х18Н9, инструментальной легированной стали 8ХФ с учетом особенностей различных технологических ситуаций, характерных для конкретного шлифовального инструмента, марки инструментального материала, условий шлифования и режимов резания.
Теоретические и экспериментальные исследования напряженного состояния детали после шлифования с учетом её закрепления вакуумным приспособлением и на магнитной плите
В области абразивной обработки, создание и совершенствование инструмента является одним из направлений в расширении технологических возможностей процесса шлифования. Это требует назначение таких параметров обработки, при которых качество обрабатываемой поверхности будет соответствовать техническим условиям и при этом обеспечивается высокая производительность процесса при минимальной ее себестоимости. В этой связи расширение технологических возможностей процесса торцового шлифования инструментами с прерывистой режущей поверхностью является актуальной проблемой.
Результатом выполненных исследований стало создание алмазных инструментов с режущей перфорированной поверхностью и с внутренним подводом смазочно-охлаждающего технологической жидкости непосредственно в зону резания (рисунок 6.5). Такой подвод обеспечивает теплоотвод от режущих элементов и создаёт эффект смазки в зоне контакта [259].
Отличительные особенности предложенной конструкции абразивного инструмента, а именно наличие конусообразных отверстий, выполненных в промежуточном кольце, и сообщающихся с ними винтовыми отверстиями в абразивном слое, позволяют увеличить скорость истечения СОЖ в зоне резания, тем самым повысить давление в зоне обработки, что приводит к созданию гидродинамического эффекта. Гидродинамический эффект между зернами и связкой, и внутренний подвод СОЖ в зону резания позволяют экранировать обрабатываемую поверхность детали от связки круга, тем самым уменьшают силы резания, а, следовательно, снижают теплонаряженность процесса, в результате качество поверхности улучшается. За счет наклона на 7 – 10 винтовых отверстий к оси вращения инструмента увеличивается высота отверстий для стабилизации вихревых потоков СОЖ, в результате чего создается повышенное давление, позволяющее лучше проникнуть СОЖ в межзеренное пространство, а их расположение по архимедо 273
вой спирали позволяет соблюдать постоянство площади контакта режущей поверхности инструмента и обрабатываемой детали в процессе обработки без ударной нагрузки. При диаметре 2 – 2,5 мм винтовых отверстий отжим инструмента, с находящемся в нем СОЖ, от обрабатываемой поверхности не происходит. Сма-зочно-охлаждающее технологическое средство центробежной силой отбрасывается в кольцевую канавку внутренней полости круга для накопления и равномерного распределения в конусообразные отверстия. Пластина предохраняет СОЖ от вытекания из внутренней полости инструмента, что приводит к уменьшению его расхода.
При вращении круга под действием центробежных сил СОЖ под давлением через отверстия выбрасывается из внутренней полости инструмента в зону резания. Для повышения давления охлаждающей жидкости при входе в зону резания во внутренней полости инструмента располагаются лопасти. Экспериментально было установлено, что наличие лопастей увеличивает давление жидкости на 30 50% и позволяет уменьшить диаметр отверстий, не изменяя расход средства, что, соответственно, повышает режущую способность инструмента.
Условием работоспособности инструментов с непосредственной внутренней подачей СОЖ в зону резания является присутствие смазочно-охлаждающего технологической жидкости в зоне контакта в таком количестве, при котором гарантировано экранирование связки круга от обрабатываемой поверхности, и не происходит отжим инструмента от детали.
Изучение взаимосвязи тепловых явлений, происходящих в зоне шлифования, и закономерностей формирования эксплуатационных свойств обрабатываемых поверхностей позволили управлять величиной контактной температуры от времени действия источника. Шлифование перфорированной поверхностью за счет промежутков между резанием обеспечивает снижение температуры в зоне резания на 30 40%, уменьшает силы резания 1,5 2 раза, по сравнению с обычными стандартными кругами. Использование предлагаемого абразивного инструмента позволяет создать гидродинамический эффект с избыточным давлением, способствующий уменьшению тепловыделения и лучшему охлаждению инструмента и обрабатываемой детали, а следовательно, снижению теплонапряженности процесса резания.
На рисунке 6.6 приведена, конструкция алмазного прерывистого инструмента с подачей СОЖ в зону резания. Так при обработке торцовых поверхностей тонких дисковых фрез (2 мм) диаметром 150 мм, предназначенных для прорезки пазов на обрезиненных валах бумагоделательных машин, с помощью такого инструмента удалось полностью избежать термических трещин на обрабатываемой поверхности и повысить производительность труда в 4 раза по сравнению с ранее применяемым чашечным алмазным кругом со сплошной режущей поверхностью.
Другой конструктивной разновидностью комбинированного шлифовального инструмента для торцового шлифования и полирования является планетарное устройство, представленное на рисунке 6.7 [257]. При конструиро Рисунок 6.6 - Общий вид инструмен- вании планетарного торцового устройства учи-та с прерывистой рабочей поверхно стью для обработки тонких дисковых тывалась прерывистость контакта инструмен-фрез на станке мод. «МАКINО» тов с обрабатываемой поверхностью в зоне резания. При этом длина срезаемой стружки уменьшается вследствие пересекаемости траекторий, оставляемых режущими кромками абразивных зерен кругов и чередования, ранее прорезанных рисок с выступами оставшегося обрабатываемого материала. Сетка траекторий обеспечивает прерывистость резания и уменьшение температуры нагрева абразивных зерен. Чем меньше шаг траекторий, тем меньше температура нагрева, что, в конечном итоге, положительно влияет на стойкость инструмента. Вращение наружного и внутренних шлифовальных инструментов в противоположных направлениях и с различной частотой вращения обеспечивает последовательное внедрение режущих кромок абразивных зерен в обрабатываемую поверхность, возрастает траектория их пересечения. Это способствует более полному использованию режущей способности алмазных зерен, в результате улучшается качество поверхности и повышается производительность труда.
