Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Проблема обеспечения динамической стабильности процессов шлифования 9
1.1. Технологические предпосылки повышения стабильности и качества обработки при шлифовании 9
1.2. Анализ существующих исследований в области износа и стойкости абразивного инструмента 11
1.3. Влияние износа и изменения макрогеометрии рабочей поверхности абразивного инструмента на-выходные характеристики процессов шлифования 21
1.4. Выводы и постановка цели и задач исследования 27
Глава 2. Теоретическое исследование изменения макрогеометрии рабочей поверхности инструмента при обработке шлифованием 30
2.1. Статические силовые зависимости при плоском шлифовании. Обобщенный показатель процесса шлифования 31
2.2. Определение рациональной жесткости шлифования, обеспечивающей минимальное изменение макрогеометрии рабочей поверхности абразивного инструмента 40
2.3. Динамика формирования макрогеометрии рабочей поверхности абразивного инструмента при шлифовании 48
Выводы 60
Глава 3. Повышение эффективности процессов шлифования путем управления динамикой взаимодействия инструмента с деталью 62
3.1. Разработка конструкции и расчет планшайбы для упругодинамического крепления шлифовального круга 63
3.2. Динамика шлифования с упругодинамическим закреплением абразивного инструмента 74
Выводы 82
Глава 4. Технологические возможности стабилизации изменения макрогеометрии рабочей поверхности инструмента при плоском шлифовании 84
4.1. Методика проведения экспериментальных исследований 84
4.1.1. Оборудование и инструмент 84
4.1.2. Исследуемые материалы и образцы 85
4.1.3. Исследуемые факторы и условия проведения экспериментов 86
4.1.4. Частные методики проведения экспериментов 87
4.1.4.1. Методика измерения сил резания 87
4.1.4.2. Методика определения истинного съема материала образца 87
4.1.4.3. Методика измерения износа и формирования макрогеометрии рабочей поверхности абразивных кругов 89
4.1.4.4. Методика измерения амплитуды коаксиальных колебаний в зоне резания 91
4.1.4.5. Исследование качества поверхностного слоя образцов после шлифования 94
4.1.5. Математическая обработка результатов исследования 95
4.2. Технологические возможности процесса плоского шлифования с жестким и упругодинамическим креплением шлифовального круга 97
4.2.1. Силовые характеристики процессов 97
4.2.2. Зависимость обобщенного показателя процесса шлифования от условий обработки 100
4.2.3. Коаксиальные колебания инструмента, установленного в планшайбе для упругодинамического закрепления 101
4.2.4. Производительность, режущая способность и износостойкость шлифовальных кругов 103
4.2.5. Динамика износа и формирования макрогеометрии рабочей поверхности кругов 116
4.2.6. Исследование качества шлифованной поверхности 120
Выводы 125
Глава 5. Технологическая эффективность реализации результатов исследований в производстве 128
5.1. Применение разработанных зависимостей, методик и рекомендаций для инженерных расчетов и производственных испытаний... 128
5.2. Оптимальные параметры режима плоского шлифования периферией круга 130
5.3. Технологические возможности применения разработанных путей совершенствования процессов плоского шлифования 149
Выводы 155
Заключение 156
Список использованных источников 159
Приложения 169
- Влияние износа и изменения макрогеометрии рабочей поверхности абразивного инструмента на-выходные характеристики процессов шлифования
- Определение рациональной жесткости шлифования, обеспечивающей минимальное изменение макрогеометрии рабочей поверхности абразивного инструмента
- Динамика шлифования с упругодинамическим закреплением абразивного инструмента
- Технологические возможности процесса плоского шлифования с жестким и упругодинамическим креплением шлифовального круга
Введение к работе
Развитие современной техники предъявляет постоянно возрастающие требования к надежности и долговечности машин, которые в значительной степени зависят от качества изготавливаемых деталей. Поэтому важной на- \У роднохозяйственной задачей является разработка и совершенствование технологических методов изготовления деталей, обеспечивающих высокое качество и производительность обработки. В первую очередь это относится к чистовым и отделочным методам обработки, в процессе которых окончательно формируется поверхностный слой деталей, определяющий их эксплуатационные свойства. Наиболее распространенным методом окончательной обработки точных и ответственных деталей является шлифование.
Благодаря фундаментальным работам известных учёных А.К. Байкалова, Н.И. Богомолова, Г.В. Бокучава, Д.Б. Ваксера, Г.И. Грановского, П.Е. Дьяченко, Н.Н. Зорева, Г.М. Ипполитова, Г.Б. Лурье, Е.Н. Маслова, А.А. Мата-лина, В.И. Муцянко, А.В. Поздея, С.Г. Редько, А.Н. Резникова, Ф.С. Юнусо- ва, П.И. Ящерицина, С. Малкина, М. Шоу и других созданы научные основы процесса шлифования, изучены вопросы точности и качества поверхности деталей машин, разработаны технологические методы абразивной обработки, которые широко и успешно применяются в различных отраслях машиностроения.
Дальнейшее развитие теоретических основ процессов шлифования с целью повышения их эффективности дано в работах отечественных и зарубежных ученых Д.Г. Евсеева, А.В. Королёва, С.Н. Корчака, Т.Н. Лоладзе, Б.И. Никулкина, Ю.К. Новосёлова, В.И. Островского, С.А. Попова, Э.В. Рыжова, Г.И. Саютина, А.Н. Сальникова, А.Г. Суслова, В.К. Старкова, С.С. Силина, В.А. Сипайлова, Л.Н. Филимонова, В.А. Хрулькова, Л.В. Худобина, В.А. Шальнова, В.Д. Эльянова, А.В. Якимова, С. Мацуи, К. Оно, К. Сато, Н. Цува и других. Этими работами и опытом предприятий убедительно показаны широкие возможности процессов шлифования по обеспечению высокого качества деталей машин при производительной обработке.
Однако процессам шлифования присущи определенные недостатки, обусловленные непрерывным динамическим изменением условий взаимодействия инструмента с обрабатываемым материалом в зоне резания, которые в целом характеризуют нестабильность процесса обработки во времени. Это приводит к негативному изменению теплового и силового воздействия на инструмент, не рациональному использованию его ресурса и ухудшает качество поверхностного слоя обрабатываемых деталей. Интенсивность отмеченных явлений зависит отдинамических свойств технологической системы и технологических условий обработки, и в наибольшей степени проявляется при шлифовании деталей из труднообрабатываемых материалов. Особую актуальность динамическая нестабильность процессов шлифования приобретает в условиях автоматизированного производства.
Существующие способы формообразования поверхностей на операциях шлифования, оснащение применяемое при их реализации не предусматривают оптимизацию и управление динамикой резания с целью временной стабилизации характеристик процессов шлифования. Обеспечение заданного качества поверхностного слоя деталей при шлифовании в настоящее время для каждого конкретного случая решается опытным путём - подбором условий обработки, которые не всегда оказываются достаточно производительными и экономичными. Это не позволяет осознанно управлять процессами шлифования с целью обеспечения заданного качества обработки при наивысшей ее производительности, а также изыскать пути интенсификации процессов и расширения их технологических возможностей.
Дальнейшее развитие технологии шлифования, повышение качества и производительности обработки возможно лишь на базе теории, описывающей основные закономерности динамической стабилизации процессов шлифования и их связи с формированием свойств поверхностного слоя деталей. Отмеченное выше явилось предпосылкой для постановки этой работы, ос новная цель которой - развитие теории процесса шлифования, разработка технологических основ динамической стабилизации процессов шлифования для обеспечения заданных качества и производительности обработки.
На основе теоретических и экспериментальных исследований динамики процесса плоского шлифования периферией круга создана математическая динамическая модель шлифования, описывающая его наиболее существенные закономерности и являющаяся основой для временной стабилизации функциональных и выходных характеристик процесса. На базе этой модели разработана методика расчета и назначения оптимальных параметров режима плоского шлифования с учетом динамических свойств технологической системы. Разработаны также новые способ и устройство для шлифования, расширяющие технологические возможности метода. Новизна этих разработок защищена двумя патентами РФ.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- Разработана математическая модель процесса шлифования, описывающая динамику формирования макрогеометрии рабочей поверхности инструмента с учетом динамических свойств технологической системы. Аналитически описаны закономерности этого явления и определены пути управления им на этапах проектирования и реализации процессов шлифования;
- Разработана методика расчета и назначения оптимальных параметров режима плоского шлифования по критерию оптимальности - максимальная стойкость абразивного инструмента, достигаемая за счет минимизации изменения макрогеометрии его рабочей поверхности во времени;
- Разработаны новые способ и конструкция планшайб для упругодина-мического закрепления абразивного инструмента, обеспечивающие временную стабилизацию функциональных и выходных характеристик процесса шлифования, и расширяющих его технологические возможности. Получены расчетные зависимости для их проектирования.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
- Разработаны методы расчета амплитуд макрогеометрии рабочей поверхности инструмента и амплитуд коаксиальных колебаний инструмента, установленного в планшайбе для упругодинамического закрепления, в произвольный момент времени с учетом динамических свойств технологической системы, что создает возможность прогнозирования и управления процессами шлифования;
- Созданы технические решения способов обработки и средств технологического оснащения, повышающие стойкость абразивного инструмента, улучшающие качество обработанной поверхности при одновременном увеличении интенсивности съёма материала;
- Разработана методика и прикладное программное обеспечение расчета и назначения оптимальных параметров режима плоского шлифования;
- Предложены типовые технологии плоского шлифования, регламентирующие нормативные режимы высокопроизводительной обработки с применением разработанных средств технологического оснащения.
Исследования, результаты которых изложены в диссертации, проводились в рамках научно-исследовательских работ.
Разработанные на основе проведенных исследований рекомендации и технологическое оснащение, внедрены в технологические операции шлифования на ряде машиностроительных предприятий. Общий экономический эффект от применения разработок составляет более 1,5 миллиона рублей.
Основные положения диссертации докладывались в 2000-2003 г.г. на международных, республиканских, межвузовских конференциях и семинарах. Основное содержание работы опубликовано в 2 патентах РФ и 9 статьях.
Влияние износа и изменения макрогеометрии рабочей поверхности абразивного инструмента на-выходные характеристики процессов шлифования
Выходные характеристики процессов шлифования определяются комплексом геометрических и физико-механических показателей качества шлифованных поверхностей деталей. Рельеф (микро и макрогеометрия) и колебания круга относительно детали являются определяющими факторами в формировании этих показателей качества шлифованной поверхности [96].
Рассмотрим характер изменения шероховатости шлифованной поверхности от длительного шлифования, с износом и затуплением круга (рис. 1.6).
Время работы шлифовального круга разделим на два периода: первый период соответствует "приработке" круга и сопровождается интенсивным износом его рабочей поверхности, второй период характеризуется стационарной работой и постепенным затуплением круга. В течение первого периода, особенно в самом начале шлифования, наибольшее влияние на шероховатость шлифованной поверхности оказывает правка круга: грубой правке соответствует большая шеро ховатость и наоборот. В процессе шлифования рабочая поверхность круга видоизменяется, влияние правки ослабевает, и шероховатость поверхности стабилизируется. Длительность первого периода зависит от твердости круга и режима шлифования: чем менее интенсивен режим работы и тверже круг, тем позже заканчивается приработка круга и, следовательно, позже стабилизируется шероховатость шлифованной поверхности. Изменение высоты микронеровностей в этом периоде работы круга происходит по закону, близкому к экспоненте.
Второй период работы характеризуется плавным увеличением шероховатости шлифованной поверхности вследствие затупления и засаливания круга, и увеличения уровня вибраций. В этом периоде высота микронеровностей почти не зависит от правки круга, а определяется его характеристикой и режимом резания: чем менвтпе зернистость и больше твердость круга, а режим шлифования менее интенсивен, тем меньше шероховатость шлифованной поверхности и тем медленнее она изменяется во времени.
Изменение волнистости на шлифованной поверхности также связано с износом и затуплением круга. В начале шлифования волны на детали являются следствием различных вынужденных колебаний круга относительно детали и волн на круге, образованных при правке. Уровень вынужденных колебаний круга за период стойкости круга изменяется незначительно, а волны, вызванные правкой, уменьшаются. Следовательно, перечисленные факторы не являются причиной увеличения волн на детали с износом и затуплением круга.
Основной причиной, вызывающей увеличение волнистости детали, является рост автоколебаний системы. Основными мерами, позволяющими уменьшить рост волнистости детали за период стойкости круга, являются увеличение жесткости технологической системы и режущей способности шлифовального круга.
Влияние жесткости технологической системы на стойкость круга выражается через интенсивность вибраций обрабатываемой детали относительно шлифовального круга: уменьшение жесткости приводит к увеличению амплитуд колебаний и, следовательно, к неравномерному износу шлифовального круга; на рабочей поверхности круга появляется некруглость, волнистость. Для системы, имеющей малую жесткость, достаточно даже небольших колебаний силы резания, чтобы "раскачать" ее на собственных частотах. Поэтому период стойкости круга при шлифовании в условиях небольшой жесткости чрезвычайно мал (рис. 1.7), но не из-за быстрого затупления круга, а в основном из-за его неравномерного износа вследствие вибраций. С увеличением жесткости технологической системы шероховатость и волнистость шлифованной поверхности уменьшается
Образование волн на рабочей поверхности круга, затупление его режущих кромок и налипание металла на их вершины приводит к изменению силовой и тепловой нагрузки на шлифуемую поверхность: увеличивается работа трения и контактная температура шлифования, появляются вибрации, вызывающие колебания силы резания и температуры шлифования. Эти явления оказывают прямое воздействие на физико-механическое состояние поверхностного слоя шлифованных деталей.
На рис. 1.8 показано изменение микротвердости шлифованной поверхности вдоль направления / подачи круга. Явно заметная периодичность колебаний микротвердости по шагу совпадает с шагом волнистости на поверхности детали, и соответствует скорости продольного перемещения детали и частоте радиальных колебаний круга. С увеличением высоты волн на детали увеличивается разница между микротвердостью на вершине волны и во впадине [96]. Влияние вибраций на неоднородность микротвёрдости шлифованной поверхност Резкое увеличение максимальных растягивающих напряжений при затуплении круга объясняется ростом тепловой нагрузки на деталь. Причем максимум напряжений находится на расстоянии примерно 15 мкм от поверхности детали и не меняет своего положения по глубине поверхностного слоя. Глубина залегания напряжений с затуплением круга увеличивается.
Проведенный анализ позволяет заключить, что износ и изменение макро-геометрии рабочей поверхности абразивного инструмента во времени оказывает значительное влияние на формирование геометрических и физико-механических показателей качества шлифуемых поверхностей.
Из анализа опубликованных работ, посвященных исследованию износа и изменению макрогеометрии рабочей поверхности абразивного инструмента, а также их влиянию на выходные характеристики процесса шлифования, следует, что наиболее сильное влияние на функциональные и выходные параметры процесса обработки материалов периферией абразивного круга оказывают следующие динамические параметры технологической системы обработки: - динамические характеристики элементов технологической системы (станка, приспособлений, инструмента, детали); - технологические условия обработки (характеристика абразивного инструмента, параметры режимов шлифования и правки круга, вид обрабатываемо-го материала и др.); - амплитудно-частотные диапазоны и направление относительных колебаний инструмента и детали в зоне шлифования. Однако, до настоящего времени, не созданы и не исследованы динамические модели процессов абразивной обработки шлифованием, которые бы определяли: - динамику изменения макрогеометрии рабочей поверхности абразивного инструмента во времени; - пути временной стабилизации изменения макрогеометрии рабочей поверхности инструмента; - возможные конструктивно-технологические решения, расширяющие технологические возможности и эффективность шлифования; - методику назначения параметров режима шлифования, обеспечивающих временную стабильность процессов шлифования. Эти недостатки, сужающие технологические возможности шлифования, обусловлены в основном недостаточной изученностью этого процесса, и в меньшей степени, присущи его природе. Дальнейшее развитие технологии шлифования, повышение качества и производительности обработки возможно лишь на базе теории, описывающей основные закономерности динамической стабилизации шлифования и их связи с выходными параметрами процесса. Это позволит осознанно управлять процессом шлифования с целью обеспечения заданного качества обработки при наивысшей ее производительности. Это позволит также изыскать пути интенсификации и оптимизации шлифования, и расширения его технологических возможностей.
Определение рациональной жесткости шлифования, обеспечивающей минимальное изменение макрогеометрии рабочей поверхности абразивного инструмента
Нестабильность процессов, происходящих в элементах системы станок-приспособление - инструмент - деталь (СПИД), при выполнении операций шлифования в значительной степени обусловлена износом абразивного инструмента. Динамические характеристики упругой системы шлифовального станка влияют на износ инструмента, формирование на его рабочей поверхности волнистости и отклонений от круглости (овальность, огранка) [74]. В процессе шлифования непрерывно растет амплитуда волнистости, которая является источником вынужденных колебаний упругой системы станка и приводит к работе ее в резонансном режиме. При этом увеличиваются амплитуда колебаний силы резания, износ и затупление рабочей поверхности круга, что снижает его стойкость между правками и отрицательно воздействует на качество шлифуемой поверхности. В связи с этим описание динамики формирования макрогеометрии круга при шлифовании и определение путей ее стабилизации во времени, имеет важное прикладное значение для управления процессом и оптимизации условий выполнения операций.
Рассмотрим схему встречного резания при плоском шлифовании периферией круга (рис. 2.5). На ней приведены следующие обозначения: ,(т)- динамическое смещение центра круга от положения равновесия; х2(т) динамическое изменение радиуса круга после окончания резания; х2(т-т0)- динамическое изменение радиуса круга до начала резания; х3(т)- динамическое изменение приращения износа круга; Fd(x)- динамическая составляющая нормальной силы шлифования; С\, гп\- соответственно приведенная жесткость и масса до минирующей формы колебаний упругой системы станка; со к - циклическая частота вращения круга; Va, t - параметры режима шлифования (скорость детали и глубина шлифования); То - время одного оборота круга. При попутном резании обозначения х2(т), х2(х-х0), приведенные на схеме, поменяются местами.
В уравнении (2.10) не учтены демпфирующие свойства упругой системы станка, так как их влияние на взаимосвязь рассматриваемых параметров динамики плоского шлифования не значительно. А в уравнении (2.12) принята экспериментально установленная линейная зависимость износа круга от силы [35] для широкого диапазона значений нормальной силы резания.
Опишем установившиеся колебания при плоском шлифовании, приняв изменение динамической составляющей нормальной силы шлифования по моногармоническому закону Fd =Fsinx, где F - амплитуда динамической составляющей нормальной силы; со - частота вынужденных колебаний. Стационарные решения для динамических перемещений х, в уравнениях (2.10) и (2.11) имеют вид [6,27]
Проведем анализ выражения (2.15), которое включает две составляющие. Первая из них находится в противофазе с нормальной силой шлифования (сдвиг фаз 180), а вторая опережает эту силу на фазовый угол 90. Очевидно, что первая составляющая представляет остаточное влияние приращения износа. Вторая составляющая sincox0/(l-coscoT0) характеризует волнистость поверхности круга. Причем она может неограниченно возрастать по сравнению с первой составляющей, и в пределе при «т0 = 2жп (п - целое число) становится бесконечно большой. Амплитуда волнистости Аа на поверхности круга определяется выражением
Представим в уравнении (2.16) частоту со вынужденных колебаний в виде двух составляющих где со0- частота волнистости на поверхности круга (со0 =2яЛ /т0); сор- частота прецессии волн по поверхности круга; N - число волн. Подставив (2.17) в (2.16) получим
Для медленно прецессирующих волн, правую часть выражения (2.18) можно приближенно представить в виде [53]
Анализ выражения (2.20) показывает, что прецессии волн не возникает, если амплитуда F динамической составляющей силы резания равна нулю. В этом случае круг должен изнашиваться равномерно по его периферии. Прецессии также не будет происходить при а = 0 (износостойкий круг) и при амплитуде волнистости Аа бесконечно большого размера. Между этими двумя предельными случаями выражение (2.20) определяет линейную зависимость прецессии волн от амплитуды силы и коэффициента износа круга, и обратно пропорциональную зависимость от амплитуды волн на круге.
В зависимости от знака амплитуды волнистости АОУ определяемого отношением sincox0/(l-costoT0) в выражении (2.16), частота прецессии может быть положительной и отрицательной. В первом случае член, характеризующий волнистость отстает по фазе на 90 от члена, характеризующего износ (2.15) и волны прецессируют вперед (в направлении вращения круга). Если же знак Аа отрицательный, то член, характеризующий волнистость по фазе на 90 определяет член, характеризующий износ и волны прецессируют назад, т.е. в направлении, противоположном направлению вращения шлифовального круга.
Исследуем динамическое изменение радиуса круга х2 на экстремум. Амплитуда макрогеометрии поверхности круга Ак согласно (2.15) определяется выражением
Анализ выражения (2.21) показывает, что амплитуда макрогеометрии круга Ак будет минимальна, если функция /(со) = 1-COSCOT0 будет принимать максимальное значение. Исследуем J{со) на экстремум [24]. Взяв производную и приравняв ее нулю, а также вторую производную — - -, получим
Вторая производная от функции /(( ) будет меньше нуля при нечетных значениях п, что определяет максимум функции /(со). Тогда выражение для со, соответствующее минимальному значению Ак примет вид где сок - циклическая частота вращения шлифовального круга, 1/с; п - целое нечетное число (и=1, 3, 5,...).
При циклической частоте вращения шпинделя станка ЗГ71М сок=301,6 1/с значения со, найденные из выражения (2.22) составят: 150,8; 452,4; 754; 1055,6 первой нормальной формы колебаний упругой системы станка, тх =18,26 кг; С\ - приведенная жесткость первой нормальной формы колебаний, С, =0,72 10 Н/м. Тогда первая собственная частота со колебаний упругой системы составит
При шлифовании формируется замкнутая через процесс резания упругая система станка, имеющая более высокую жесткость первой нормальной формы колебаний. С учетом этого первая собственная частота со і колебаний упругой системы определится выражением: где К - жесткость процесса шлифования, Н/м.
Жесткость процесса шлифования зависит от параметров режима шлифования, состояния рабочей поверхности шлифовального круга, обрабатываемого материала и условий взаимодействия контактирующей пары круг-деталь.
Задаваясь большим значением і близким к ю , которое обеспечивает минимальную амплитуду макрогеометрии поверхности круга, из выражения (2.23) может быть получено численное значение жесткости резания К. Примем і=754 1/с. Тогда значение К составит:
По найденному значению К может быть определено сочетание параметров режима шлифования, обеспечивающих минимальную динамику изменения макрогеометрии абразивного круга во времени.
Проведенный анализ позволяет рекомендовать рациональные условия выполнения операций шлифования, стабилизирующих его функциональные и выходные характеристики.
Динамика шлифования с упругодинамическим закреплением абразивного инструмента
Одним из путей совершенствования процессов шлифования, позволяющего улучшить их функциональные и выходные характеристики, является задание относительной осцилляции инструмента и детали при выполнении операции. Для этих целей применяются планшайбы для упругодинамического закрепления круга, обеспечивающие его коаксиальные колебания в процессе шлифования. Амплитудно-частотные диапазоны осцилляции в зоне резания при использовании таких планшайб зависят от динамических свойств упругой системы станка и планшайбы, динамики износа рабочей поверхности инструмента во времени и параметров режима шлифования. Проведем исследование влияния этих условий шлифования на коаксиальные колебания шлифовального круга при плоском шлифовании.
Рассмотрим схему резания при плоском шлифовании периферией круга, приведенную на рис. 3.5.
Процесс шлифования представлен в виде колебательной системы, динамические характеристики которой соответствуют: тх, Сч - характеристикам первой
нормальной формы спектра колебаний упругой системы станка, на котором реализуется процесс шлифования; J, С - характеристикам упруго закреплен ной части планшайбы со шлифовальным кругом. На круг радиуса Ящ,. действуют составляющие силы резания Pyt Pz. Режимы шлифования: скорость перемещения детали Va, глубина шлифования t Требуется найти функцию р, описывающую угловые колебания шлифовального круга в зависимости от условий шлифования.
Дифференциальные уравнения, описывающие свободные колебания связанной системы имеют вид [104] где mi, С\ - соответственно приведенная масса и жесткость первой нормальной формы колебаний упругой системы станка в направлении координаты У; J, Сф соответственно осевой момент инерции и окружная жесткость упруго закрепленной части планшайбы со шлифовальным кругом; РУ,М- соответственно радиальная составляющая силы резания и окружной момент, действующие на шлифовальный круг.
Ру и М находятся из следующих выражений где .у0(ф) - функция, описывающая профиль рабочей поверхности шлифовального круга во времени; Ki - коэффициент шлифования, К, =tg(ii+y) [73]; г\ - коэффициент статического трения скольжения между кругом и деталью; у - среднее значение переднего угла зёрен абразивного круга.
После подстановки (3.12) в (3.11) и преобразований, получим
Выражение (3.16) может быть использовано для расчета коаксиальных колебаний шлифовального круга в произвольный момент времени и расчета коэффициентов ряда Фурье по формулам (3.14), определяющим начальный профиль рабочей поверхности круга у0(у) перед каждым последующим его оборотом. По полученной зависимости (3.16) произведен расчет на ЭВМ крутильных колебаний шлифовального круга в зависимости от условий шлифования.
Исходными данными при выполнении расчетов являлись кинематические (ct)K, tni R ) и динамические (/и,, С,, J, Сф, К,, а, К) условия выполнения операции плоского шлифования на плоскошлифовальном станке ЗГ71М. При этом принимались следующие численные значения условий шлифования: й к=301,6рад./с, /л = (1...8)- 10"5м, = 0,125м, тх= 18,26кг, С, = 72- 105Н/м [105]; J- 10 "2 Н-мс2, С„= 227,41 Н-м/рад. (для разработанной конструкции планшайбы к станку ЗГ71М), т= (5...25)-10 "12 м/Н, ті= 0,2 , у = 0,96 рад., К, = 2,296. Жесткость шлифования К является обобщенным показателем процесса шлифования и зависит от параметров режима шлифования, характеристики и состояния рабочей поверхности абразивного инструмента, обрабатываемости шлифуемого материала. Поэтому при прочих неизменных исходных данных значение К принималось в диапазоне (15...40)-105 Н/м. Общее количество оборотов круга, которое обсчитывалось на ЭВМ, составляло 50 000, что соответствует 17,5 мин. плоского шлифования.
По результатам расчета была получена зависимость амплитуды коаксиальных колебаний круга, установленного в планшайбе для упругодинамического закрепления, от времени q = f(№) и жесткости шлифования Av = /(к) (рис. 3.6 - 3.8).
Анализ зависимости угловых колебаний круга для различных моментов времени (рис. 3.6, 3.7) показывает, что с увеличением параметров режима и жесткости шлифования значения амплитуд возрастают. Например, при возрастании tn от 1 10 "5 м до 5-10"5 м и К от 1510 5 Н/м до 3210 5 Н/м угловой размах колебаний возрастает от 62-10 "4 рад. до 600-10 "4 рад. В периоды фиксированных времен шлифования за один оборот круга из результатов расчета установлено стохастическое изменение амплитуды с некоторым количеством периодов. Причем при увеличении жесткости шлифования, а соответственно и собственной частоты изгибных колебаний замкнутой через процесс резания упругой системы станка, увеличивается количество периодов колебаний в пределах одного оборота круга. При собственной частоте крутильных колебаний планшайбы оп= 150,8 1/с для К = 15-105 Н/м (со = 690,3 1/с) количество периодов колебаний - 4,6 , для К=32-105 Н/м (ю = 754,7 1/с) количество периодов колебаний-5.
Стохастический характер изменения размаха угловых колебаний обусловлен динамикой изменения макрогеометрии рабочей поверхности круга вследствие ее износа при периодическом вхождении в контакт круга с обрабатываемой деталью различными точками его периферии. Это приводит к прецессии образующейся волнистости на рабочей поверхности круга во времени, что и отражается в результатах расчета угловых колебаний.
Технологические возможности процесса плоского шлифования с жестким и упругодинамическим креплением шлифовального круга
При проведении экспериментального исследования сил шлифования преследовалась цель получения сравнительных зависимостей шлифования кругами в жесткой планшайбе и кругами, установленными в планшайбе с упругодинамическим элементом (УДЭ).
На основании проведения полного факторного эксперимента получена зависимость сил резания Ру и Рг от условий обработки [57, 58] в которой значения коэффициентов С, а, (3, у приведены в табл. 4.1.
Анализ экспериментальных данных по силам резания (рис. 4.7 - 4.9) свидетельствует о том, что наибольшее влияние на силы резания оказывает глубина и время шлифования. Общий ход кривых PyJf, Va, т) как при шлифовании кругом на жесткой планшайбе, так и при шлифовании на планшайбе с УДЭ аналогичен, за исключением численных значений. Во всех случаях для любых сочетаний условий обработки силы резания при шлифовании кругами, установленными на планшайбе с УДЭ, всегда ниже, чем при шлифовании кругами на жесткой планшайбе.
Существенное отличие в характере силовых зависимостей обнаруживается в поведении отношения сил PJPy от времени шлифования (рис. 4.9). Отношение сил PJPy (коэффициент шлифования) является наиболее характерным показателем процесса резания абразивных зёрен, поэтому его часто используют для оценки режущей способности шлифовальных кругов [107]. Из рис. 4.9 видно, что для случая шлифования кругами закрепленными на жесткой планшайбе отношение сил PJPy монотонно падает со временем обработки, что является следствием ухудшения режущих свойств - появляются площадки износа на поверхности абразивных зерен и увеличивается степень засаливания рабочей поверхности круга. При шлифовании кругами, установленными на планшайбе с
УДЭ, отношение сил PJPy сохраняется практически постоянным во времени обработки [59]. Это свидетельствует о том, что шлифовальные круги, установленные на планшайбе с УДЭ, способны более длительное время поддерживать высокую режущую способность за счет меньшего износа режущих зерен и изменения макрогеометрии режущей поверхности круга, сохраняя временную стабильность процесса.
Известно [102], что с увеличением глубины резания от 0,005 до 0,02 мм при шлифовании стали 12Х2Н4А коэффициент шлифования уменьшается с 0,64 до 0,45, т.е. процесс шлифования находится между трением скольжения и чистым резанием. По нашим исследованиям при шлифовании стали 12Х2Н4А кругами с УДЭ значение PJPy составляет 0,47, т.е. данный процесс находится ближе к чистому резанию, чем шлифование кругами, установленными на жесткой планшайбе.
Исследование силовых зависимостей позволяет заключить, что применение планшайб с УДЭ приводит к снижению сил резания в процессе шлифования и должно положительно отразиться на стабилизации качества шлифованной поверхности и точности обработки.
Для определения жесткости шлифования К нами был проведен полный факторный эксперимент типа 22, так как проведенные предварительные исследования позволяют заключить, что жесткость шлифования практически не зависит от глубины шлифования. Поэтому варьируемыми факторами были приняты скорость детали Va и время шлифования х.
При 5 % уровне значимости коэффициентов регрессии уравнение (4.2) зависимость относительной жесткости шлифования К/С от условий обработки может быть описана следующими выражениями: при жестком креплении круга при упругодинамическом креплении круга
Приведенные на рис. 4.10 зависимости свидетельствуют о том, что шлифование в планшайбе с УДЭ приводит к снижению относительной жесткости шлифования при любых условиях шлифования, и соответственно увеличению производительности обработки. Меньший рост жесткости шлифования К во времени обработки, при шлифовании с УДК круга, обуславливает и меньшее изменение режущих свойств кругов во времени, а следовательно сохраняется временная стабильность процесса.
Целью данной серии экспериментов являлось определение зависимости амплитуды коаксиальных колебаний инструмента в зоне шлифования и размаха амплитуды колебаний от времени шлифования, при фиксированном задании обобщенного показателя - жесткости шлифования.
В процессе шлифования с течением времени, в интервале от 0 до 17,5 мин, происходит возрастание жесткости шлифования (рис. 4.10) за счет износа и затупления режущих зерен инструмента. При этом, несмотря на общий рост радиального износа инструмента во времени, уменьшается величина удельного износа инструмента о\ Поэтому при постановке этих экспериментов для под соответствуют шлифованию с УДК круга, сплошные - с жестким креплением. держания постоянства жесткости шлифования во времени К, при фиксированном значении скорости детали VR, безступенчато плавно уменьшалась глубина шлифования t, определяемая из выражения (2.9), а соответственно и глубина шлифования /л устанавливается по лимбу станка.
Анализ экспериментальных данных по амплитудам колебаний в зоне шлифования (рис. 4.11) свидетельствует о том, что с возрастанием жесткости шлифования от 15 105 Н/м до 32-105 Н/м среднее значение амплитуд, в исследованном временном интервале, увеличивается с 8,8-10"5 м до 21,1-10"5 м. Стохастический характер изменения амплитуд во времени обусловлен динамикой изменения макрогеометрии рабочей поверхности инструмента при плоском шлифовании, что подтверждает результаты теоретического расчета (рис. 3.6, 3.7). Причем размах амплитуды колебаний (рис. 4.12) имеет экстремальную зависимость и принимает минимальное значение Н « 2-10"5 м при жесткости шлифования К = 31,8105 Н/м. Это также подтверждает результаты теоретического расчета приведенные на рис. 3.8 и указывает на временную стабильность процесса шлифования при оптимальном значении жесткости шлифования. Причем значение амплитуды колебаний в зоне резания (рис. 4.11) при жесткости шлифования К= 31,8-105 Н/м с использованием разработанной конструкции планшайбы для упругодинамического закрепления круга составляет 200 - 220 мкм, что соответствует рекомендациям по заданию оптимальных амплитуд в зоне обработки [14] по критерию максимальной стойкости рабочего инструмента.
Одним из основных показателей процесса шлифования является производительность обработки, которая характеризуется интенсивностью съёма материала и определяется силами резания, износом крута, достижимой точностью обработки и шероховатостью поверхности и др. Производительность обработки что эффективность применения УДК повышается с ростом параметров режима обработки. Приведенные зависимости соответствуют пятиминутной приработке круга. Характер изменения производительности обработки со временем шлифования Гф(т) свидетельствует не только о более высоких режущих свойствах круга с УДК (кривая 3, рис 4.13), но и меньшем изменении их со временем обработки. При уменьшении фактической глубины резания до 6 мкм в обоих случаях на шлифуемой поверхности начали появляться видимые прижоги, но время их появления различно. Жестко закрепленный круг начал "прижигать" после 20 минут шлифования, а круг с УДК - после 30 минут.
Результаты проведенного исследования характеризуют только влияние УДК на фактическую глубину резания и не отражают интенсивность съема материала в зависимости от заданной режимами шлифования. Эти данные приведены на рис 4.14, из которого следует, что наличие УДК (кривая 1) позволяет приблизить фактическую интенсивность съема материала детали Q к заданной Q, по сравнению с жесткозакрепленным кругом (кривая 2).
Похожие диссертации на Разработка технологических методов стабилизации изменения макрогеометрии рабочей поверхности инструмента при плоском шлифовании
