Содержание к диссертации
Введение
Глава 1- Влияние конструктивных особенностей абразивного инструмента на формирование эксплуатационных характеристик цилиндрических деталей
1.1 Технические требования, предъявляемые к цилиндрическим деталям 13
1,1.1- Анализ условий эксплуатации и технических требований, предъявляемых к валкам листопрокатных станов 14
1.1.2 Анализ влияния параметров качества и точности валков листопрокатных станов на их эксплуатационные показатели 21
1.2 Особенности формирования эксплуатационных показателей при обработке абразивным инструментом различных конструкций
1.2.1. Обработка периферией шлифовального круга со сплошной рабочей поверхностью 30
1.2.2. Шлифование кругами с прерывистой режущей поверхностью 40
1.2.3. Возможности повышения качества и точности обработки абразивом на эластичной основе , 47
1.2.4. Особенности абразивной обработки брусками 50
1.2.5. Круглое наружное шлифование торцом круга 55
1-2.6. Влияние на качество обработки импрегнирования абразивного инструмента 57
1.3. Возможности абразивных инструментов по формированию топологии шлифованной поверхности 59
1-4. Моделирование рабочей поверхности абразивного инструмента 62
1.5- Выводы. Цель и задачи исследования 65
Глава 2 Влияние конструкции инструмента кинематической схемы круглого наружного шлифования на шероховатость поверхности и производительность процесса
2.1 Системное представление процессов формирования топологий деталей с повышенными эксплуатационными свойствами
2.2.1. Анализ формирования требований к качеству поверхности прокатных валков 69
2.2.2. Кинематический анализ и синтез методов получения заданной топологии поверхности валков 79
2.3. Анизотропия шероховатости поверхности и методы ее определения S8
2.4. Аналитическое исследование вида распределения параметров шероховатости по поверхности 96
2.5. Исследование влияния положения линии реза торцового абразивного круга на формирование топологии обрабатываемой поверхности 109
2.6. Аналитическое определение длины контакта абразивного зерна с обрабатываемой поверхностью 116
2.7. Номинальные объемы срезаемого слоя при круглом шлифовании периферией и торцом абразивного круга 126
2.8. Выводы 134
Глава 3. Обеспечение повышения точности формы поперечного сечения цилиндрических деталей при шлифовании
3.1. Динамическая модель влияния на точность формообразования положения оси инструмента при круглом шлифовании 136
3.1.1. Исследование крутильных колебаний методом Крылова - Боголюбова 150
3.2. Аналитическое исследование возможностей повышения точности формообразования крупногабаритных цилиндрических изделий
3.2.1. Особенности обеспечения точности формы крупногабаритных цилиндрических изделий 158
3.2.2. Моделирование процесса формообразования при обработке крупногабаритных цилиндрических изделий 161
3.3. Выводы 172
Глава 4. Моделирование поверхности абразивного инструмента и ее взаимодействия с обрабатываемым изделием
4.1. Моделирование взаимодействия единичного абразивного зерна с обрабатываемой поверхностью 174
4.2. Моделирование рабочей поверхности абразивного инструмента 193
4.3. Моделирование шероховатости обработанной поверхности 211
4.4. Моделирование маслоемкости поверхности обработанной шлифованием 220
4.5. Выводы 230
Глава 5. Теоретические основы проектирования сборного торцового абразивного инструмента с некруговым контуром рабочей поверхности
5.1. Влияние конструкции сборного торцового абразивного инструмента на точность формы поперечного сечения цилиндрической детали 232
5.1.1. Определение коэффициента локальной полноты контакта 237
5.1.2, Влияние конструкции инструмента и условий обработки на коэффициент локальной полноты контакта 238
5.1.3- Аналитические исследование формообразования при обработке сборным торцовым абразивным инструментом 241
5.2. Влияние конструкции торцового абразивного инструмента на формирование микрорельефа поверхности 248
5.3. Исследование влияния условий обработки на длину и площадь контакта 253
5.4. Прочностные характеристики сборного торцового абразивного инструмента 260
5.5. Выводы 265
Глава 6 Управление параметрами качеств а поверхности при круглом торцовом шлифовании
6.1. Влияние конструкции абразивного инструмента на состояние поверхностного слоя изделия 266
6.2. Опытно-промышленные испытания конструкций абразивного инструмента
6.2.1. Обеспечение повышенных эксплуатационных свойств прокатных валков 291
6.2.2. Обработка сборным торцовым абразивным инструментом направляющих цапф 3 03
6.3. Выводы 306
Основные выводы 308
Библиографический список 311
Приложения 356
- Анализ влияния параметров качества и точности валков листопрокатных станов на их эксплуатационные показатели
- Кинематический анализ и синтез методов получения заданной топологии поверхности валков
- Аналитическое исследование возможностей повышения точности формообразования крупногабаритных цилиндрических изделий
- Моделирование рабочей поверхности абразивного инструмента
Введение к работе
Современное машиностроение выдвигает задачу по обеспечению все более высокого качества при изготовлении деталей машин различного назначения- Необходимость решения такой задачи обуславливается применением в промышленности новых труднообрабатываемых материалов и возрастающими конструктивными и технологическими требованиями как к изделиям в целом, так и к отдельным деталям. Точность формы и качество поверхности, определяющие многие эксплуатационные показатели машин и механизмов, окончательно формируются на финишных операциях» большинство из которых составляют операции абразивной обработки. До настоящего времени абразивная обработка является одной из самых точных и производительных среди других методов окончательной механической обработки. Дополнительные трудности по обеспечению повышенных эксплуатационных характеристик возникают при обработке крупногабаритных изделий, например, валков прокатных станов. Рабочие ватки сами являются инструментом, во многом определяющим качество проката. Наиболее высокие требования предъявляются к валкам листовых станов холодной прокатки.
Повышение производительности механической обработки достигается, как правило, интенсификацией процесса резания за счет увеличения режимов обработки или введения в зону резания дополнительной энергии. Для шлифования сдерживающим фактором повышения производительности является значительная тепловая напряженность процесса.
Повышение качества и точности абразивной обработки связано с введением в технологический процесс обработки изделия дополнительных операций, или снижением режимов резания. В этой связи перспективным направлением является использование абразивных инструментов новых конструкций, позволяющих, при заданной производительности, обеспечивать не обходимое качество и точность обработки. Одним из важнейших показателей & качества обработанного изделия является шероховатость поверхности.
Отсутствие в научно-технической литературе данных, посвященных изучению влияния конструкции абразивного инструмента и кинематической схемы резания па формирование топологии шероховатости обработанной поверхности и ее влиянии на эксплуатационные параметры обработанной поверхности, обуславливают необходимость проведения исследований в этом направлении.
Целью работы является разработка шлифовальных инструментов с некруговой рабочей поверхностью и технологии торцового шлифования, обеспечивающих повышение эксплуатационных характеристик прокатных валков,
В основу исследований положены процессы взаимодействия единичного абразивного зерна и всей совокупности зерен, образующих рабочую поверхность инструмента, с обрабатываемой поверхностью, кинематические особенности процесса шлифования различными инструментами.
Научная новизна диссертационной работы заключается в:
- выявленном влиянии рабочей поверхности абразивного зерна на формирование шероховатости поверхности валков с различным типом направлений неровностей;
- выявленных особенностях обработки валков торцовым абразивным ин струментом с некруговой рабочей поверхностью на основе моделирования процесса шлифования;
- выявленных погрешностях формы поперечного сечения валка в зависимости от относительных нелинейных крутильных колебаний инструмента и изделия при шлифовании;
- сниженной технологической наследственности поверхности валков при Лч шлифовании инструментом с нскруговым контуром рабочей поверхности в зависимости от схемы обработки, характеристик инструмента, па раметров оборудования, режимов обработки» эксплуатационных требований к обработанной поверхности. Практическая значимость работы заключается в:
- повышении эксплуатационных свойств рабочей поверхности валков и увеличении производительности шлифования в 1,2 -..1,3 раза при применении абразивных инструментов с некруговой рабочей поверхностью;
- практических рекомендациях по выбору параметров и правил эксплуатации сборных торцовых абразивных инструментов с некруговым контуром рабочей поверхности.
Реализация работы. Результаты диссертационной работы нашли практическое применение при выполнении программ научно-исследовательских работ в области подготовки листопрокатного производства (ОАО «Новолипецкий металлургический комбинат») и позволяют существенно расширить область применения абразивных инструментов при обработке крупногабаритных изделий типа тел вращения, а также в сельхозмашиностроении (АО «Завод пусковых двигателей», г. Липецк), ремонтном производстве (управление горэлектротранспорта, г. Липецк) и др.
Результаты исследований представлены в виде опытно-промышленных установок, материалов методического, информационно-программного обеспечения, практических рекомендаций по рациональному выбору инструмента и средств технологического оснащения, расчету режимов обработки и параметров настройки оборудования.
Изданное учебное пособие и монография используются в учебном процессе кафедры технологии машиностроения ГОУ ВПО Липецкий государственный технический университет при подготовке инженеров по направлению 151000.65 (657800) "Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств" при чтении лекций, проведении ла бораторных работ, выполнении курсовых и дипломных проектов, при подго товке аспирантов.
Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:
Всесоюзной школе молодых ученых и специалистов «Проблемы оптимизации в машиностроении», Харьков, 1983 г., Всесоюзной научно-технической конференции «Современные проблемы технологии машиностроения», Москва, 1986 г., Всесоюзной конференции «Интенсификация технологических процессов механической обработки» Ленинград, 1986 г., Рее rj\. публиканской научно-технической конференции «Прогрессивные процессы механической обработки труднообрабатываемых материалов», Мариуполь, 1989 г., Международной научно-технической конференции «Точность технологических и транспортных систем», Пенза, 1998, международной научно-технической конференции «Процессы абразивной обработки, абразивные инструменты и материалы», г. Волжский, 1998, 2000, 2001, 2003 гг., Международной научно-технической конференции «Машиностроение и техносфера на рубеже XXI века», Севастополь, 1998 г., научно-практических конференциях «Современные технологии в машиностроении», Пенза, 1999 г. 2000 г, Третьем конгрессе прокатчиков, Липецк, 1999 г., Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы машиностроения», Вла-димир, 2001 г,, Всероссийской научно-технической конференции «Материалы и технологии XXI века, Пенза, 2001 г,, Всероссийской научно-технической конференции «Инновации в машиностроении -2001», Пенза, 2001 гм Всероссийской научно-технической конференции «Прогрессивные технологии и оборудование в машиностроении и металлургии», Липецк, г., международной научно-технической конференции «Технологические системы в машиностроении», Тула, 2002 г., Всероссийской научно f4ty технической конференции «Теория и практика прокатного производства», Липецк, 2003 г., IV международной научно-технической конференции «Фун даментальные и прикладные проблемы технологии машиностроения - Технология -2003», Орел, 2003 г., международной научно-технической конференции «Инструментальные системы - прошлое, настоящее, будущее», Тула, 2003 г,, IX Международной научно-технической конференции «Современные тенденции развития транспортного машиностроения и материалов», Пенза, , 2004 г.
Исследования проводились в соответствии с планом работ ГОУ ВПО МГТУ «Станкин», ГОУ ВПО «Липецкий государственный технический университет», хоздоговорных работ с промышленными предприятиями и в рамках гранта {Т02-6.06-208 «Компьютерное моделирование процесса обработки для синтеза абразивного инструмента) Министерства образования и науки Российской Федерации.
В полном объеме диссертация заслушана и одобрена на заседании кафедры «Инструментальная техника и технология формообразования» ГОУ ВПО Московский государственный технологический университет «Станкин», а также на заседании кафедры «Технология машиностроения, станки и инструменты» ГОУ ВПО Орел ГТУ.
По результатам исследований опубликовано 59 работ.
На защиту выносятся следующие основные положения работы, определяющие решение задачи повышения эксплуатационных характеристик прокатных валков при шлифовании инструментом с некруговой рабочей поверхностью:
1. Теоретические положения и математический аппарат численных расчетов процесса формирования шлифованной поверхности с заданным типом направлений неровностей и повышения точности формообразования цилиндрической поверхности прокатных валков при использовании инструмента с некруговым контуром рабочей поверхности.
2. Математическая модель процесса стружкообразования и формирования штрихов обработки, учитывающая случайную пространственную ориентацию абразивного зерна в матрице инструмента.
3- Кинематическая модель механизма взаимодействия абразивных зерен инструмента с обрабатываемой поверхностью, учитывающая их пространственную ориентацгао в матрице, что позволяет дифференцированно определять количество режуще-деформирующих и деформирующих зерен.
4. Динамическая модель возникновения нелинейных крутильных колебаний в процессе шлифования валков периферией и торцом абразивного инструмента и их влияние на точность поперечного сечения изделия.
5. Математические модели распределения шероховатости по поверхности прокатного валка, позволяющие прогнозировать топологию поверхности, параметры шероховатости в произвольном направлении.
6. Комплекс программ на ЭВМ для выбора и расчета рациональных характеристик сборного торцового абразивного инструмента, параметров настройки оборудования и режимов обработки, использование которого дает возможность графической трехмерной интерпретации основных результатов по прогнозированию точности, шероховатости, маслоемкости обработанной поверхности.
7. Конструкции сборных торцовых абразивных инструментов с некруговой рабочей поверхностью для обработки деталей типа тел вращения, реализующие различную степень локальной полноты контакта инструмента и изделия.
9. Результаты экспериментальных исследований, производственных испытаний и внедрения разработанных инструментов, оборудования и технологии по обработке цилиндрических изделий инструментом с некруговой рабочей поверхностью.
Анализ влияния параметров качества и точности валков листопрокатных станов на их эксплуатационные показатели
Показатели точности и качества рабочей поверхности бочки валков листопрокатных станов формируются на протяжении всего технологического процесса получения заготовок и обработки валков. Проблема повышения точности и качества валков носит комплексный характер [291] и затрагивает все этапы жизненного цикла валка - от создания конструкции до условий эксплуатации. Назначаемые технические условия, нормы точности и качества валков являются прямым следствием их функционального назначения. Разработка оптимальных технических требований, норм точности и качества на конструктивные элементы валков является задачей достаточно сложной.
Точность формы и качество поверхности, определяющие многие эксплуатационные показатели машин и механизмов, окончательно формируются на финишных операциях, большинство из которых составляют операции абразивной обработки. До настоящего времени абразивная обработка является одной из самых точных и производительных среди других методов окончательной механической обработки.
Совершенствование процессов абразивной обработки идет по различным направлениям, которые неразрывно связаны между собой. Одно из направлений главной задачей ставит повышение производительности, другое -обеспечение повышенных эксплуатационных параметров обработанной поверхности, третье - повышение стойкости абразивного инструмента и совершенствование его конструкции.
Исследованию процесса шлифования посвящено множество работ, в которых рассматриваются теоретические проблемы процесса шлифования [24, 70, 165, 201, 210, 226], направленные как на изучение определенных способов шлифования, классов обрабатываемых поверхностей, применяемого оборудования, математического аппарата, так и на создание новых абразивных инструментов [219, 225], способов и технологий [25, 140].
Существенный вклад в развитие проектирования инструментов и операций абразивной обработки внесли: А.К. Байкалов, В.Н, Бакуль, Д.Б. Ваксер, А.И. Грабченко, И.П. Захарснко, КХМ. Зубарев, Г.М. Ипполитов, ЕЛ. Калинин, Ю.М. Ковальчук, А.В. Королев, С.Н. Корчак, Б.А. Кравченко, З.И. Кремень, А.Н. Мартынов, Ё.Н. Маслов, Л.Л. Мишпаевский, М.С Насрман, Ю.К.Новоселов, Н.В, Носов, В.И. Островский, В.М. Оробинский, М.А. Пе-рерозин, С.А- Попов, В.А. Прилуцкий, А.Н. Резников, Э.В, Рыжов, А.А. Са-гарда, С.С. Силин, М.Ф. Семко, В.К. Старков, В.Н. Старов, Ю.С, Степанов, О-В, Таратынов, JLH. Филимонов, И.Х. Чеповецкий, В.А. Шальнов, А.В. Якимов, П.И. Ящерицын, Кумагаи, Мацуи, Сато, Тапака и другие отечественные и зарубежные исследователи.
Вместе с тем сложность процесса, многообразие конструкций и характеристик абразивных инструментов вызывают необходимость проведения дальнейших исследований.
В процессе работы валки интенсивно изнашиваются и, вследствие больших давлений в клети, деформируются. Восстановление точности формы и качества поверхности валков производится шлифованием, причем этот процесс носит характер массового производства. Большие габаритные размеры валков, необходимость практически непрерывного восстановления точности формы и удаления дефектного слоя с поверхности, приводит к использованию абразивных кругов значительных размеров и массы. Шлифование валков осуществляется абразивными шлифовальными кругами диаметром 600 ... 900 мм» В отечественной промышленности наибольшее применение получили круги из карбида кремния различной твердости и зернистости. Эти круги применяются как для черновой, так и для чистовой обработки валков.
На практике, с целью повьіпіения производительности обработки, производят комбинированное шлифование, когда на одном станке, с одной установки ведут сначала черное, а затем и чистовое шлифование (табл. L1).
Эксплуатация таких кругов сопровождается вибрациями и связанными с ней тепловыми ударами, вызывая дополнительные затраты на балансировку; большие размеры планшайбы приводят к значительным потерям абразивной массы при износе кругов; практически невозможно управлять типом направлений неровностей обработанной поверхности и их параметрами.
Шероховатость поверхности бочки валка оказывает весьма значительное влияние на характер износа валка. В процессе износа, наряду с уменьшением величины шероховатости, существенно изменяется характер микропрофиля поверхности бочки валка и прокатываемого металла (рис. 1,4) - понижается плотность пиков, увеличиваются радиусы закруглений вершин микронеровностей [47].
Кинематический анализ и синтез методов получения заданной топологии поверхности валков
Под синтезом методов получения заданной топологии поверхности валков, как тел вращения цилиндрической формы, понимается управление кинематикой взаимных движений инструмента и детали при превалирующей значимости в этих условиях инструмента. Абразивная обработка может быть реализована при различных кинематических схемах и инструментом различной конструкции. Профессор Ю.М. Ермаков [72] отмечает, что появление новых методов обработки АИ в ряде случаев возможно при использовании кинематических схем обработки, свойственных обработке лезвийным инст рументом. Так, плоское шлифование торцом чашечного круга по кинематической схеме совпадает с фрезерованием плоскости торцовой фрезой, круглое торцовое шлифование - с процессом фрезоточения и т.д. В зависимости от принятой схемы обработки, конструкции инструмента, соотношения скоростей резания, продольной и поперечной подач на обработанной поверхности могут образовываться различные сочетания следов обработки (направлений микронеровностей).
Анализ наиболее распространенных методов обработки тел вращения абразивным инструментом (рис.2.5) показывает, что съем припуска с поверхности может производиться инструментами различных конструкций по различным схемам. Выбор кинематической схемы движений для круглого наружного шлифования изделий цилиндрической формы зависит от принятого технологического процесса обработки и эксплуатационных возможностей шлифовальных кругов.
Грановский Г.И. провел классификацию взаимодействия инструмента и изделия в процессе формообразования на основе комбинации поступательных и вращательных движений. Эта классификация справедлива для, условно говоря, «макродвижепий», формирующих пространственные очертания детали, В то же время, как было показано ранее, тип направлений неровностей на обработанной поверхности является важным фактором повышения качества изделия.
Таким образом, структурную схему резания следует дополнить понятием «топология» (блокії). Топология поверхности является результатом взаимодействия поверхностей АИ и обрабатываемой детали с учетом направлений относительного перемещения векторов скоростей резания и подач при формировании требуемого типа направлений неровностей.
Для сравнения укажем, что схемы обработки, представленные на рис.2.5, 2.6 дают различные типы направлений неровностей, тем не менее по кинематической классификации проф. Грановского Г\И. они имеют один и тот же набор движений — два вращательных (заготовка и АИ) и одно поступательное (заготовка или АИ).
Дальнейший анализ вариантов обработки показывает, что, несмотря на различные конструкции инструмента, для большинства из них характерной особенностью является величина угла внедрения абразивных зерен в обрабатываемую поверхность- этот угол близок к 90 относительно оси вращения изделия (некоторые исследователи этот угол называют «углом атаки» [43, 140]).
Если обозначить составляющие режима резания в виде линейных векторов, направленных: при вращательном движении - как линейное перемещение вокруг соответствующей оси, а при поступательном движении - как линейное перемещение вдоль соответствующей оси, то можно описать кинематическую схему обработки в виде кинематической формулы. Такая формула, включает в себя традиционные обозначения составляющих режима обработки скорость шлифовального круга Г, скорость вращения детали v, линейное перемещение шлифовального круга (подача) S, линейное перемещение детали s. Примем единую систему координат» в которой ось вращения детали совпадает с осью X и вдоль этой же оси совершается поступательное движение детали, т.е. движение подачи. Изменяя положение шлифовального круга относительно координатных осей, можно получить различные кинематические схемы обработки, а, используя предложенную кинематическую формулу для описания конкретной схемы обработки, можно судить о том, какой тип направлений неровностей формируется на обработанной поверхности. Например, шлифование по методу «бегущего контакта» (рис,2.5, схема 3), снижая тепловую напряженность процесса шлифования, имеет ту же кинематическую формулу, что и традиционное шлифование (схема 1), и поэтому на поверхности обработки будут сформированы одинаковые следы резания. Такой микрорельеф имеет следы обработки, практически перпендикулярные оси вращения детали.
Сравнение типов направлений неровностей, формирующихся при различных вариантах круглого наружного шлифования, приведен в таблице 2.1.
Стремление получить другие способы шлифования» в том числе и обладающие возможностью управления процессом формирования направления следов обработки привело к разработке методов шлифования, у которых оси детали и шлифовального круга практически перпендикулярны друг другу (схема 4, 6)? или скрещиваются под некоторым углом а - схема 5.
При шлифовании по способу 4 па обрабатываемой поверхности образуются следы, которые можно условно характеризовать как параллельные оси вращения детали.
Изменением угла скрещивания а от 0 до 90 можно изменять направление следов обработки от перпендикулярного оси вращения детали, до параллельного. Заметим, что изменение направления результирующей скорости резания относительно оси вращения изделия приводит и к изменению динамических условий обработки.
Оценка инструментов с точки зрения формирования различных типов направлений неровностей на детали цилиндрической формы показывает, что в этом отношении шлифование торцом круга по схеме 6 является наиболее универсальным. В зависимости от величины смещения осей шлифовального круга и детали, работая одной, или обеими сторонами круга, можно получить перпендикулярный, наклонный, перекрещивающийся, или параллельный относительно оси вращения детали тип направлений неровностей.
Перекрещивающийся тип направлений неровностей характерен и для поверхностей, обработанных хонингованием и суперфинишированием (рис.2.6). Следовательно, если при шлифовании удалось бы получить поверхность со следами обработки, характерными для обработки указанными способами, то такая поверхность должна обладать теми же преимуществами при эксплуатации - сниженной технологической наследственностью, повышенной маслоемкостью, износостойкостью и др.
Аналитическое исследование возможностей повышения точности формообразования крупногабаритных цилиндрических изделий
Точность формы цилиндрических деталей в значительной мере влияет на их эксплуатационные показатели. Исследователями уделяется значительное внимание вопросам обеспечения стабильности точности деталей при шлифовании [108, 117, 155, 188, 314], влиянию на точность формы деталей износа абразивного инструмента [254]? бнения круга, процесса правки и т.д: Влиянию динамических характеристик процесса обработки на точность формы обработанной поверхности посвящены работы [62, 286, 245]. В работах [62, 286] рассматривается влияние на точность формы поперечного сечения изделия точности центровых отверстий при обработке на жестких центрах в условиях демпфирования, В работе [245] анализируется влияние жесткости стыка при закреплении инструментальной оправки на возникновение колебаний из-за неравномерности срезаемого припуска, В этих работах принимается линейных закон трения контактирующих поверхностей, В то же время в работе [320] отмечается, что по существу, все механики нелинейны. Линейные дифференциальные уравнения, описывающие состояния устойчивого равновесия системы, позволяют установить начальные тенденции возмущенного движения, но в случае неустойчивости не дают возможности проследить дальнейшее развитие процесса [214]. Исследование возмущенных движений с большими отклонениями в принципе невозможно с помощью линеаризованных уравнений, поскольку нелинейные члены уравнений, будучи пренебрежимо малыми при малых отклонениях системы от состояния равновесия, начинают играть все более заметную роль при возрастании отклонений.
Во многих случаях возрастание колебаний постепенно замедляется и движение стремится к некоторому устойчивому режиму с постоянными амплитудами» т.е. к режиму автоколебаний. Еще одной особенностью автоколебаний является то, что их амплитуда полностью определяется свойствами системы и не зависит от начальных условий, в отличие от амплитуды свободных колебаний, которая существенно зависит от начальных условий. При шлифовании в силу строения рабочей поверхности абразивного инструмента, не обладающего сплошной режущей кромкой, возможно возникновение колебаний между инструментом и обрабатываемой поверхностью вследствие динамического изменения коэффициента трения. В работе [19], посвященная разработке модели процесса взаимодействия абразивного зерна и обрабатываемой поверхности при ленточном шлифовании, в основу которой положена реологическая модель тела Бюргерса, также отмечается, что в зоне контакта имеет место переменное значение силы трения. Однако изменение силы трения линеаризовано. Поскольку при шлифовании периферий круга прямого профиля и торцом существенно меняются условия работы инструмента, естественно предположить, что будут меняться и условия возникновения и развития колебаний, В такой постановке вопроса исследований в литературе не обнаружено. Проведем сравнительный анализ динамического поведения шлифовального круга прямого профиля, закрепленного на шпинделе в процессе окончательной обработки поверхности цилиндрических деталей периферией круга, и торцом шлифовального круга и определим влияние такого расположения инструмента на точность обработки [113]. Рассмотрим схему взаимодействия абразивного инструмента и изделия при традиционном шлифовании периферией круга прямого профиля (рис.3.1) и возникающее при этом изменение положения оси шпинделя (рис.3.2).
Введем обозначения: т{ - масса шлифовального круга, кг; Dx - диаметр шлифовального круга, мм; d{ - диаметр шпинделя шлифовальной бабки, мм; / - расстояние от центра массы шлифовального круга до первого опорного подшипника, мм; 10 - расстояние между опорными подшипниками, мм; 1Х - расстояние от первой опоры до приводного шкива, мм; D2- диаметр обрабатываемого вала, мм; и - скорость подачи, мм/мин; N - усилие прижима шлифовального круга к обрабатываемой поверхности вала, Н; DX - угловая скорость вращения шлифовального круга, мин" ; со2- угловая скорость вращения обрабатываемого вала, мин"1. Учитывая, что скорость резания V - 30 м/с, то будут справедливы следующие выражения: mxDx + a)2D2 2V, u « V, Эти условия получены из технологических требований к процессу шлифования. Примем, что все материалы, кроме шлифовального круга, имеют одинаковый модуль Юнга Е = 2,1-1011 I7a t а предел прочности на сдвиг G = 0,8-10ntfa. Для рассмотрения изменения положения шлифовального круга относительно обрабатываемой поверхности вследствие возникновения крутильных колебаний воспользуемся подходами, изложенными в источниках [102, 214, 298], Динамические уравнения изменения положения шлифовального шпин деля под действием сил резания задаются двумя обобщенными координатами [10] -у и 0(рис.2.2)
Моделирование рабочей поверхности абразивного инструмента
Одной из важнейших его характеристик шлифовального круга является распределение абразивных зерен по его рабочей поверхности. Экспериментальное исследование рабочей поверхности абразивного инструмента связано со значительными затратами времени [328], не имеет единой методики и не свободно от погрешностей. При этом разница в измерениях может достигать более 60 % [169], В работе [143] отмечается, что профилограммы искаженно отражают распределение вершин зерен.
В этой связи моделирование рабочей поверхности абразивного инструмента является более универсальным. Отечественные исследователи, как правило [144], моделируют рабочую поверхность шлифовального круга на основании экспериментальных исследований. С этой целью производятся измерения отпечатков рабочей поверхности круга на алюминиевой ленте для определения распределения вершин режущих зерен и многократное послойное ирофилографирование рабочей поверхности круга для построения объемной модели вершины режущего зерна. В результате моделируется рабочий
слой шлифовального круга с полученным в результате измерений распределением вершин абразивных зерен по высоте микропрофиля. В ряде случаев используется графическое представление рассчитанных проекций поперечных сечений активных зерен на экране монитора [142]. В основе теоретических подходов к описанию процесса формирования рабочей поверхности шлифовального круга [203, 205], лежит представление абразивного зерна условным лезвийным инструментом без учета ориентации реального зерна.
Как зарубежные [57, 361, 362], так и отечественные [89, 146] исследователи в последнее время подходят к необходимости использования трехмерного представления поверхности абразивного круга для определения процесса формирования шероховатости поверхности детали.
При моделировании рабочей поверхности абразивного инструмента необходимо знать закономерность распределения вершин зерен но высоте рабочего слоя. Относительно характера распределения абразивных зерен по высоте микропрофиля шлифовального круга существует множество теорий, применимых, в основном, для конкретных, частных случаев конструкций и характеристик шлифовального инструмента. Зная закон распределения, можно для любой величины внедрения режущего профиля в обрабатываемый материал определить реальное количество зерен, участвующих в работе.
Учитывая физико-механические характеристики шлифовального круга, его перемещение относительно изделия и режимы резания, многие исследователи отмечают, что лишь часть абразивных зерен, находящихся на рабочей поверхности круга, контактирует с обрабатываемой поверхностью. Для определенных условий шлифования 78 % абразивных зерен лишь контактируют с заготовкой, 12 % являются давящими и только 10 % - снимающими стружку. По данным Глейзера Л.А. [52] сумма режущих и деформирующих зерен на рабочей поверхности шлифовального круга составляет 22 %. Редько С.Г, анализируя тепловые импульсы, возникающие в процессе шлифования, пришел к выводу, что число зерен, которые участвуют в работе, составляет 11,4 %. Остальные 88,6 % зерен попадают в ранее прорезанные канавки и стружек не снимают, Якимов А.В. [352], ссылаясь на данные других исследователей, априорно принимает количество режущих зерен на рабочей поверхности круга равным 12 %. Ящерицын П.И. [355] считает, что в реальных условиях, в зависимости от степени затупления круга, разновысот-ности зерен и т.д., до 78 % зерен являются неработающими, а 89 ... 96 % от общего числа выступающих зерен попадают в ранее процарапанные канавки.
Лоладзе Т.П. и Бокучава Г.В. [154], исследуя процесс шлифования различных материалов алмазными кругами, пришли к выводу, что при обработке твердого сплава ВК8 в работе участвует около 8 %, сталей - порядка 4 %, а при шлифовании чугуна - не более 2 % зерен.
В работе [55] отмечается, что количество активных зерен при шлифовании зависит от вида обработки - круглое наружное, внутреннее, плоское шлифование - и составляет 1 ... 8 % от числа зерен, расположенных на рабочей поверхности круга.
Как следует из изложенного, нет единого мнения о количестве активных, т.е. взаимодействующих с обрабатываемой поверхностью абразивных зерен, так же как и нет единого подхода к разделению зерен на режущие, деформирующие, Шейко М.Н., анализируя методику определения активных зерен Л- Тигерштрема [370] в своих работах [344а 345] доказывает, что результаты экспериментов, полученные для одной схемы обработки шлифованием, имеют ограниченные возможности переноса на другие, а различные теоретические модели лишь дополняют друг друга [341]- Поэтому до настоящего времени исследователи предпринимают попытки получить универсальные формулы для определения количества активных зерен на поверхности абразивного инструмента.
ИД. Узунян [303], анализируя различные подходы к описанию распределения зерен по рабочей поверхности алмазного круга, отмечает, что обычно вид распределения устанавливается экспериментально, затем подбирается один из известных в теории вероятностей законов распределения, либо кри вая (чаще интегральная функция) аппроксимируется каким-либо математиче ским выражением. Подобный подход приводит к тому, что одна и та же, например, высотная характеристика зерен на поверхности круга у разных исследователей имеет неодинаковое распределение и подчиняется различным законам — нормальному, равномерному, параболическому и т.д.
Е.П. Калинин [99] на основе анализа возможных упаковок абразивных зерен в пространстве, приходит к выводу, что наиболее правильным является представление объема шлифовального круга в виде пространственной решетки, образованной на базе комбинации из правильных тетраэдров и окта-эдров. В работе [12] авторы склоняются к мнению, что наиболее плотной упаковкой отличаются схемы, где зерна располагаются в вершинах квадратов, или параллелограммов, сдвинутых относительно друг друга
Похожие диссертации на Разработка инструмента с некруговой рабочей поверхностью для повышения эксплуатационных характеристик прокатных валков при их шлифовании
