Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Перспективы применения профильного шлифования алмазными инструментами и формообразование фасонных кругов 17
1.1 Анализ износа алмазных кругов при профильном врезном шлифовании .17
1.2 Профилирование алмазных кругов для врезного шлифования и технологические методы повышения точности формообразования 25
1.3 Выводы и задачи исследования 39
Глава 2. Исследование точности формообразования фасонных алмазных кругов для врезного шлифования 41
2.1 Технологические способы повышения точности и эффективности шлифования профильными алмазными кругами 41
2.2 Формообразование и повышение стойкости профильных шлифовальных кругов пластическим деформированием материала связки 46
2.3 Исследование рабочей поверхности шлифовального круга, упрочненного пластическим деформированием 57
2.4 Исследование точности формообразования алмазного шлифовального круга 66
2.5 Выводы 77
Глава 3. Экспериментальные исследования точности профилирования и шлифования деталей фасонными кругами, упрочненными пластическим деформированием 78
3.1 Оборудование и методика проведения исследований 78
3.2 Экспериментальные исследования влияния технологических факторов на удельный расход алмазов при шлифовании 91
3.3 Исследование износа алмазного круга при шлифовании труднообрабатываемых материалов 97
3.4 Исследование качества поверхности при профильном врезном шлифовании труднообрабатываемых материалов 109
3.5 Исследование производительности профильного шлифования 115
3.6 Выводы 124
Глава 4. Управление формированием качественных характеристик поверхностного слоя деталей при алмазном шлифовании 125
4.1 Кавитационные процессы при шлифовании с охлаждением зоны резания технологическими жидкостями 125
4.2 Механизм взаимодействия наночастиц в технологической жидкости при шлифовании .128
4.3 Теоретическое описание ультразвукового капиллярного эффекта при использовании наночастиц в составе технологической жидкости 137
4.4 Моделирование локального модуля Юнга материала поверхностного слоя детали при алмазном шлифовании 147
4.5 Определение силовых параметров при шлифовании с применением наночастиц в составе технологической жидкости 151
4.6 Экспериментальные исследования эффективности применения при алмазном шлифовании технологических жидкостей с наночастицами 152
4.7 Выводы .162
Глава 5. Практическая реализация результатов исследований 163
5.1 Профилирование алмазного круга пластическим деформированием металлической связки накатным роликом 163
5.2 Определение режима шлифования с электроэрозионным воздействием на рабочую поверхность шлифовального круга 168
5.3 Проектирование фасонного резца для восстановления профиля электрода-инструмента 174
5.4 Рекомендации по определению режима шлифования алмазными кругами, упрочненными накатыванием 182
5.5 Анализ экономической эффективности инвестиционного проекта 185
5.6 Выводы 189
Заключение и основные выводы 190
Список использованных источников 193
Приложения 204
Приложение А Чертеж фасонного накатного ролика 205
Приложение Б Резец фасонный призматический 206
Приложение В Матрица плана, результаты опытов и статистической обработки данных отсеивающего эксперимента 208
Приложение Г Акты о внедрении результатов исследований 210
Приложение Д Копии патентов на изобретения 213
- Профилирование алмазных кругов для врезного шлифования и технологические методы повышения точности формообразования
- Экспериментальные исследования влияния технологических факторов на удельный расход алмазов при шлифовании
- Теоретическое описание ультразвукового капиллярного эффекта при использовании наночастиц в составе технологической жидкости
- Проектирование фасонного резца для восстановления профиля электрода-инструмента
Введение к работе
Актуальность темы. Быстрое развитие техники стимулирует применение в машиностроении деталей из твердых сплавов, ферритов, композиционных и других труднообрабатываемых материалов. Изготовление таких твердосплавных инструментов, как фасонные резцы, протяжки, метчики, а также шлифование деталей из неметаллических материалов – ферритов, керамики – невозможно без широкого использования различных алмазных инструментов.
Детали из труднообрабатываемых материалов со сложным профилем поверхности изготавляются преимущественно путем последовательной обработки отдельных участков профиля на копировально-шлифовальных и оптико-шлифовальных станках, а также методом врезного шлифования с применением алмазных профильных кругов. Применение метода врезного шлифования фасонными алмазными кругами вместо шлифования путем последовательного обхода обрабатываемого контура шлифовальным кругом позволяет стабилизировать точность и повысить производительность шлифования до 10…50 раз.
При шлифовании фасонных поверхностей задача повышения стойкости и сохранения профиля кругов выдвигается на первый план. В процессе шлифования потеря формы рабочей поверхности возможна как в результате неравномерного износа круга на различных участках вследствие выкрашивания зерен и вырывания их из связки, так и в результате забивания пор круга шламом, что приводит к засаливанию и потере режущей способности на отдельных участках профиля.
Для повышения стойкости кругов при профильном шлифовании используют связки с повышенным алмазоудержанием, к которым относятся, в первую очередь, металлические связки. Явление засаливания при этом возникает наиболее часто и ведет к снижению режущей способности круга, что отрицательно сказывается на производительности шлифования и качестве шлифованной поверхности.
Восстановление профиля шлифовального круга путем частых правок со значительным удалением материала связки приводит к увеличению операционного времени и сокращению срока службы инструмента.
Доминирующее влияние на точностные параметры детали оказывает форма режущего контура фасонного круга, зависящая от технологических возможностей метода профилирования его рабочей поверхности.
Следовательно, при врезном шлифовании поверхностей деталей весьма актуальной является задача повышения точности профилирования алмазных кругов на металлических связках, стабилизация режущих свойств и размерной стойкости фасонных кругов.
Цель работы заключается в повышении точности профильного шлифования фасонными алмазными кругами на металлической связке путем упрочнения материала связки пластическим деформированием и периодической электроэрозионной правки круга в процессе обработки.
Для достижения поставленной цели сформулированы следующие
задачи:
разработать способ врезного шлифования деталей фасонными алмазными кругами с периодическим электроэрозионным воздействием на связку для сохранения формы профиля;
разработать способ профилирования алмазных кругов при комбинированном воздействии на алмазоносный слой электрическими разрядами и поверхностным пластическим деформированием для окончательного формирования фасонного профиля;
установить в виде аналитических зависимостей влияние технологических факторов на деформируемость металлической связки алмазоносного слоя и величину напряжения при электроэрозионной правке круга для достижения точностных параметров при шлифовании сложнопрофильных поверхностей деталей;
выполнить экспериментальные исследования точностных параметров фасонного профиля круга и качественных характеристик поверхности после врезного шлифования с периодической электроэрозионной правкой;
разработать рекомендации по регламентированию технологических режимов врезного шлифования и профилированию кругов;
внедрить результаты исследований в производство.
Объект исследования: технологические операции профилирования алмазных кругов и врезного шлифования фасонными кругами.
Предмет исследования: взаимосвязи технологических факторов профилирования алмазных кругов и режимов шлифования деталей фасонными кругами, стабильно обеспечивающие точностные параметры обрабатываемой поверхности.
Методы исследования. Теоретические исследования выполнены с использованием научных положений технологии машиностроения, теории резания, теории упругости и пластичности материалов, теоретической физики, методов математического моделирования и планирования экспериментов.
Экспериментальные исследования выполнены в лабораторных и производственных условиях с использованием аттестованной контрольно-измерительной аппаратуры. Результаты экспериментальных исследований обработаны с применением программных пакетов Microsoft Office Excel, Mathsoft Mathcad и других программ.
Достоверность и обоснованность научных результатов обеспечивается корректной математической формулировкой задач для описания физических закономерностей процессов износа шлифовальных кругов и упрочнения материала связки, сходимостью теоретических результатов и экспериментальных данных, а также результатами внедрения в производство.
Основные результаты, выносимые на защиту:
новый способ профилирования алмазных шлифовальных кругов на металлических связках с комбинированным воздействием на алмазоносный слой электрической эрозией и упрочнением связки накатыванием;
новый способ шлифования профильными алмазными кругами с периодическим восстановлением режущих свойств рабочей поверхности электрическими разрядами в процессе обработки;
аналитическое обоснование силы деформирования при поверхностном упрочнении алмазоносного слоя круга накатыванием и величины напряжения при электроэрозионной правке круга для восстановления фасонного профиля круга и удаления продуктов шлифования из межзернового пространства без интенсивного воздействия на материал связки;
результаты экспериментальных исследований производительности профильного шлифования и шероховатости поверхности по параметру Ra для образцов из твердого сплава, феррита и конструкционной стали, упрочненной борированием, представленные в виде полиномиальных моделей, устанавливающих связи между режимами шлифования;
теоретическое обоснование возможности управления качественными характеристиками поверхностного слоя ферритовых деталей при алмазном шлифовании путем активации технологической жидкости с ультрадисперсными добавками (наночастицами) ультразвуковым воздействием;
рекомендации по определению рациональных режимов профилирования алмазных шлифовальных кругов и врезного шлифования фасонными алмазными кругами с периодической электроэрозионной правкой в процессе обработки.
Научная новизна
По специальности 05.02.08:
-
Получена аналитическая зависимость радиальной составляющей силы резания от глубины резания, твердости обрабатываемого материала и объема межзернового пространства при врезном шлифовании, позволяющая ограничить ее предельные значения и предотвратить засаливание алмазного круга между правками.
-
Получены эмпирические полиномиальные модели влияния режимов предлагаемого способа шлифования на производительность обработки, необходимые для проектирования технологической операции.
-
Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность управления качественными характеристиками поверхностного слоя при шлифовании ферритов путем активации технологической жидкости с ультрадисперсными добавками (наночастицами) на основе ультразвукового капиллярного эффекта.
По специальности 05.02.07:
-
Установлены взаимосвязи технологических факторов и получено выражение для определения предельной силы деформирования алмазоносного слоя связки круга накатным роликом, при превышении которой происходит разрушение алмазоносного слоя.
-
Предложена зависимость, устанавливающая связь напряжения источника постоянного тока с технологическими факторами, на основе которой реализуется режим правки с удалением минимальной толщины алмазоносного слоя, достаточной для восстановления режущей способности и коррекции профиля круга.
Практическая ценность:
предложен новый способ шлифования с периодическим восстановлением профиля круга и его режущей способности путем электроэрозионного воздействия в процессе обработки, позволяющий снизить трудоемкость изготовления деталей;
разработан новый способ окончательного профилирования фасонных алмазных шлифовальных кругов пластическим деформированием металлической связки, обеспечивающий повышение стойкости инструмента;
обоснована технология шлифования ферритовых деталей с добавлением наночастиц в состав технологической жидкости для заращивания микротрещин на поверхности после шлифования, позволяющая повысить эксплуатационные характеристики изделий.
Соответствие паспорту научной специальности.
Выполненная диссертационная работа соответствует паспортам специальностей 05.02.08 – «Технология машиностроения» и 05.02.07 – «Технология и оборудование механической и физико-технической обработки» по следующим областям исследований.
По специальности 05.02.08:
совершенствование существующих и разработка новых методов обработки и сборки с целью повышения качества изделий машиностроения и снижения себестоимости их выпуска;
технологическое обеспечение и повышение качества поверхностного слоя, точности и долговечности деталей машин.
По специальности 05.02.07:
исследование механических и физико-технических процессов в целях определения параметров оборудования, агрегатов, механизмов и других комплектующих, обеспечивающих выполнение заданных технологических операций и повышение производительности, качества, экологичности и экономичности обработки;
новые технологические процессы механической и физико-техни-ческой обработки и создание оборудования и инструментов для их реалии-зации.
Реализация результатов работы. Результаты исследований внедрены на ОАО «Пензадизельмаш» (г. Пенза) и ФГУП ФНПЦ «ПО Старт
им. М. В. Проценко» (г. Заречный, Пензенская обл.). Достигнуто повышение качества поверхности на финишных операциях шлифования твердосплавных деталей, увеличение размерной стойкости алмазных шлифовальных кругов и снижение трудоемкости изготовления изделий. Годовой экономический эффект составил 255 000 руб.
Материалы диссертации использовались при выполнении госбюджетных научно-исследовательских работ по заказу Министерства образования и науки Российской Федерации по темам: «Научные основы наноструктурирования для обеспечения качества поверхностного слоя ответственных деталей машиностроения» и «Разработка теоретических основ акустостимулированного изменения физико-механических свойств поверхностного слоя при абразивном диспергировании хрупких материалов».
Апробация работы. Основные положения работы докладывались на Международной научно-технической конференции «Современные проблемы машиностроения» (Томск, 2008); Всероссийском форуме «Наука и инновации в технических университетах» (Санкт-Петербург, 2008); Всероссийской научно-технической конференции «Повышение эффективности механообработки на основе моделирования физических явлений» (Рыбинск, 2009); научно-технической конференции «Шлифабразив-2009» (Волгоград, 2009); Международной научно-технической конференции Ассоциации автомобиль-ных инженеров «Автомобиле- и тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров» (Москва, 2010); Международной научной заочной конференции «Актуальные вопросы современной техники и технологии» (Липецк, 2011); Международной научно-практической конференции «Ресурсы модернизации страны: творческая личность и изобретательство» (Пенза, 2011); молодежном научно-инновационном конкурсе «У.М.Н.И.К.» (Пенза, 2011); ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Пензенского государственного университета (Пенза, 2008–2011).
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в
18 печатных работах, из них 3 – в изданиях, рекомендованных ВАК РФ; получено два патента РФ на изобретения.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 104 наименований
и пяти приложений. Работа изложена на 145 страницах основного текста, включает 56 рисунков и 35 таблиц.
Профилирование алмазных кругов для врезного шлифования и технологические методы повышения точности формообразования
Алмазное шлифование позволяет получать высокую точность и качество обработанных поверхностей, но под действием сил резания и высоких температур, возникающих в процессе обработки, происходит истирание режущих кромок зерен, появляются площадки износа, происходит скалывание режущих кромок, а также вырывание целых зерен из связки круга или налипание частичек металла на вершины режущих кромок и заполнение пор круга металлической стружкой. Все это приводит к износу круга, потере его первоначальной геометрической формы и снижению режущих свойств. Поэтому необходима периодическая правка шлифовального круга для восстановления его режущих свойств и сохранения геометрической формы. Периодичность правки зависит от качества инструмента, обрабатываемого материала, условий шлифования и рационального управления процессом шлифования. Поэтому точностные характеристики детали, достигаемые при профильном врезном шлифовании, зависят от исходной точности профиля рабочей поверхности алмазного инструмента, его размерной стойкости в процессе обработки, а также технологических методов профилирования и правки.
Исходная точность профиля алмазного круга зависит от принятого метода формообразования. Основная часть профильных алмазных инструментов изготавляется методами порошковой металлургии и литья, причем преобладают инструменты, изготовленные с применением технологий порошковой металлургии.
Сущность метода порошковой металлургии заключается в том, что алмазосодержащую смесь, состоящую из алмазных зерен, металлического порошка и наполнителя после тщательного перемешивания подвергают прессованию, спеканию и горячей допрессовке. В результате процессов диффузии и расплавления легкоплавких компонентов порошковой смеси образуется монолитный алмазосодержащий материал с определенными физико-механическими свойствами [23], [96], [89], [64].
При изготовлении алмазных инструментов методом литья алмазный порошок цементируют в форме с расплавленной металлической связкой при интенсивном перемешивании, либо насыщают расплавленной связкой путем вращения формы [6]. Однако, этот метод не получил широкого применения, поскольку легкоплавкие компоненты связки не позволяют получать шлифовальные инструменты с высокой износостойкостью и хорошими режущими свойствами. Кроме того, технологичееки сложно обеспечить равномерное распределение зерен по объему алмазоноеного слоя шлифовального круга. в промышленности также успешно применяют для изготовления алмазных инструментов методы гальванопластики [48] и шаржирования [13].
Следует отметить, что какую бы точность достижения исходного профиля не обеспечивал метод изготовления алмазного инструмента, и какой бы стойкостью не обладал инструмент, но в процессе обработки возникает необходимость в периодическом восстановлении профиля и режущих свойств рабочей поверхности круга.
Существующие методы формообразования [23], [25] алмазных инструментов (профилирования и правки) по воздействию на алмазоносный слой условно можно подразделить на тепловой, химический, механический и комбинированный (рисунок 1.2).
Методы, основанные на тепловом воздействии на алмазоносный слой инструментов, предусматривают электроэрозионное воздействие на токопроводящую связку. Сущность и механизм электроэрозионного воздействия заключается в следующем. При сближении рабочей поверхности алмазного инструмента (рисунок 1.3) с электродом до разрядного состояния по наикратчайшему пути между токопроводящими участками их поверхностей возникают импульсные разряды, суммарное действие которых приводит к эрозии токопроводящих компонентов алмазоносного слоя, то есть металлической основы связки. Одновременно с эрозией связки происходит обнажение зерен, которые, контактируя с электродом, выпадают при критическом закреплении их в связке инструмента. Следовательно, процесс электроэрозионного воздействия на алмазоносный слой состоит из эрозионного разрушения металлической связки и механического удаления зерен [94].
Увеличение режущей способности происходит за счет обнажения зерен при эрозионном разрушении металлической связки и образования субмикрорельефа на поверхности алмазных зерен [94]. Однако некоторая их часть при тепловом воздействии электрических разрядов может графитизироваться или растрескиваться. Тепловое воздействие на алмазы особенно проявляется при черновых режимах профилирования, когда режущие зерна, выступающие над уровнем связки, попадают в канал электрических разрядов. Поэтому работоспособность алмазных инструментов существенно зависит от режимов электроэрозионного воздействия на алмазоносный слой.
Электроэрозионный метод правки и профилирования имеет существенные ограничения в точности получаемых линейных и угловых размеров. Точность профиля круга зависит от избирательности разрядов, величины зерен и межэлектродного промежутка. Чем больше размеры зерен, тем значительнее погрешность, возникающая при профилировании. Величина погрещности достигает максимальных значений в тех случаях, когда размеры участков профиля оказываются соизмеримыми с величиной алмазных зерен.
Электроэрозионный метод правки и профилирования применяют для алмазных инструментов на металлических и металлокерамических связках. Целесообразность использования для этих целей электроэрозионного воздействия объясняется специфическими особенностями, присущими этой технологии. Наличие зазора между взаимодействующими поверхностями круга и электрода-инструмента позволяет осуществлять бесконтактное формообразование с минимальным усилием и износом правящего инструмента, а избирательность и дискретность процесса формирования электрических импульсов создают условия для достижения размерной и качественной обработки поверхности профиля круга, причем термический характер эрозии позволяет производить обработку инструментов с любыми физико-механическими свойствами алмазосодержащего слоя.
Электроэрозионный метод получил широкое применение в промышленности, поскольку позволяет профилировать и осуществлять правку фасонных алмазных инструментов практически с любым профилем непосредетвенно на рабочем месте без снятия круга, что существенно снижает трудоемкость технологической операции. Электроэрозионная технология формообразования алмазных шлифовальных кругов позволяет обеспечивать высокую производительность съема алмазоносного слоя от 100 мм3/мин при чистовых и до 1000 мм /мин при черновых режимах [24], точность профиля рабочей поверхности в диапазоне 10 - 20 мкм и повышенные режущие свойства круга.
Экспериментальные исследования влияния технологических факторов на удельный расход алмазов при шлифовании
Пластическое деформирование алмазоносного слоя круга обеспечивает утапливание зерен в металлическую связку. Это приводит к изменению межзернового пространства, увеличению числа режущих зерен, а следовательно, к изменению показателей работы самого инструмента. Поэтому ранее известные математические модели, описывающие влияние элементов режима шлифования на показатели работы круга и процесса обработки, не могут быть использованы при проектировании операции. В связи с этим возникает необходимость установления влияния элементов режима шлифования на показатели работы фасонного инструмента, спрофилированного соответствующим образом.
При алмазном шлифовании интенсивность износа шлифовального круга наиболее полно характеризуется величиной удельного расхода qy? алмазов. На процесс износа круга оказывает влияние целый ряд факторов:
— зернистость шлифовального материала;
— подача на глубину шлифования;
— скорость детали;
— концентрация алмазов в алмазоносном слое инструмента;
— физико-механические свойства обрабатываемого материала;
— скорость круга;
— марка связки;
— поверхностно-активные вещества;
— исходная шероховатость обрабатываемой поверхности. Определение функциональной зависимости удельного расхода q алмазов от характеристики алмазоносного слоя и технологических режимов обработки имеют важное практическое значение, но теоретическое решение этой задачи в настоящее время не представляется возможным. Поэтому для выявления доминирующих факторов, оказывающих наибольшее влияние на величину #ур, был выполнен отсеивающий эксперимент.
Исследования проводились на станке модели ЗГ71М алмазными кругами формы 1А1 размерами 250x10x76x5 на связке М2-01 с концентрацией алмазов 100 %. Обрабатывались плоские образцы из различных материалов методом врезного шлифования.
Отсеивающий эксперимент был поставлен с помощью метода случайного баланса, который рекомендуется применять [78] при достаточно большом числе факторов {к 7).
В качестве переменных факторов, влияющих на расход алмазов при шлифовании, были приняты;
Xi - зернистость шлифовального материала, мкм;
Х2 - подача на глубину шлифования, мм/дв. ход;
Хз - скорость детали, м/мин;
Х4 - концентрация алмазов в алмазоносном слое инструмента, %;
Х5 - материал, обрабатываемый шлифованием;
Хб - скорость круга, м/с;
Хп - марка металлической связки.
Переменные факторы и уровни их варьирования приведены в табл. 3.2.
По результатам эксперимента была построена диаграмма рассеяния данных опытов по отдельным эффектам. Для каждого эффекта на диаграмму наносили все точки, подразделяя их на группы, соответствующие уровням, где находился фактор в том или ином опыте (рисунок 3.11). Каждый эффект рассматривался независимо от других. Степень влияния факторов оценивали визуально по разнице между средними значениями для их уровней и по числу, так называемых, выделяющихся точек в верхней и нижней частях диаграмм рассеяния для каждого уровня факторов. Наличие достаточно большого числа выделяющихся точек является основанием для выделения соответствующего фактора как значимого.
Эффекты, выделенные визуально, оценивали количественно при помощи вспомогательных таблиц с несколькими входами. При построении вспомогательных таблиц, в них вносили значения параметра оптимизации, соответствующие опытам с различной комбинацией уровней для соответствующих факторов, а затем определяли для каждой клетки среднее значение параметра оптимизации (таблица 3.3).
Значимость выделенных факторов проверялась Стьюдента при доверительной вероятности 95%.
Обработка результатов отсеивающего эксперимента показала, что наибольщее влияние на удельный расход алмазов оказывают зернистость круга, подача и скорость движения детали. Эти доминирующие технологические факторы были приняты в качестве переменных для дальнейших исследований.
Теоретическое описание ультразвукового капиллярного эффекта при использовании наночастиц в составе технологической жидкости
Предположим, что микротрещина имеет форму конуса и находится на достаточно удаленном расстоянии от излучателя ультразвуковых колебаний. Тогда влиянием поверхности детали на схлопывание пузырька у торца микротрещины можно пренебречь. Поэтому будем считать, что пузырек схлопывается с образованием кумулятивной струи, направленной к торцу микротрещины. При попадании струи в канал микротрещины столбик жидкости высотой Н0 перемещается на величину АЯП (рисунок 4.3).
При этом энергия струи АЕС передается столбику жидкости в микротрещине и расходуется на изменение потенциальной энергии AU столбика с находящимися в нем наночастицами и на работу для преодоления сил трения ААтр. При этом давлением воздуха в микротрещине пренебрегаем из-за малости ее объема ( 2мкм3). Пусть АР0 - избыточное давление под мениском жидкости (см. рисунок 4.3), которым он удерживается на неизменном уровне Я0. Тогда приращение потенциальной энергии AU в результате перемещения столбика жидкости в объеме микротрещины представим в виде (ось OY направим вертикально вниз, а отсчет потенциальной энергии ведется от обрабатываемой поверхности вглубь заготовки) (см. рисунок 4.3)
Энергия при движении жидкости с наночастицами расходуется на преодоление гидравлического сопротивления жидкости в микротрещине и на преодоление сил трения при движении наночастиц в микротрещине со средним диаметром dc со средней скоростью vn. Работу по преодолению сил трения AAW найдем из соотношения [37]
Выразим АЯп и ип в (4.11) и (4.12) через ДР0. Для этого рассмотрим процессы, происходящие у входа в микротрещину и в канале микротрещины. Так как мениск столба жидкости удерживается избыточным давлением АР0, то давление Р\ над мениском составит
Здесь, iVcosooi - давление, создаваемое ультразвуковыми колебаниями, МПа; Р о - гидростатическое давление; P Q =P0+pgh , МПа, где /г - уровень жидкости над торцем микротрещины (pgh « PQ), м. Таким образом, если среднее за достаточно большой промежуток времени Ат (Ат»т) давление у торца микротрещины равно Ро, то при отсутствии пузырька у входа в канал микротрещины жидкость вытекает из последней под действием избыточного давления АРо Пусть Д#в - уменьшение высоты столбика жидкости за счет вытекания ее из микротрещины под действием перепада давления АРо в течение времени АТв между двумя последовательными попаданиями струи в канал микротрещины. Так как мениск удерживается на неизменной в среднем высоте, то АЯВ должно быть равно увеличению объема Д#п, обусловленному несимметричным захлопыванием пузырька
Оценим величину промежутка времени Атв попадания кумулятивной струи в канал микротрещины. Пусть /о (см. рисунок 4.3) - расстояние от поверхности обрабатываемой заготовки до центра пузырька, на котором пузырек еще испытывает ее влияние: при схлопывании он движется к стенке, достигает ее и образует струю радиусом гс. Струя может попасть в канал микротрещины, если пузырек находится в объеме Сц цилиндра, радиус которого равен rK+Rmax - гс ( тах - максимальный радиус пузырька), а длина LM.
Пусть NK концентрация кавитационных пузырьков, то есть среднее количество пузырьков, возникающих и захлопывающихся в единице объема жидкости за достаточно большой промежуток времени. Так как возникновение кавитационных пузырьков в разные периоды колебаний является событием независимым, то в объеме Гц кавитационной области один пузырек появляется в среднем за 1/(Тц NK) периодов колебаний. Учитывая, что схлопывание кавитационного пузырька происходит в конце положительного или начале отрицательного полупериодов (Т/2) колебания, то время вытекания жидкости под действием перепада давления АР0 составит
Величина концентрации NK кавитационных пузырьков в развитой кавитационной области при частоте 20 - 40 кГц имеет порядок 106 см-3, Rmax = 0,2 мм, радиус струи rc=0,li?max и k=2Rmax, Тогда ATB 10"3 с.
Расчет vB из уравнения (4.14) показывает, что зависимость г?в(Атв) в таком диапазоне Атв близка к линейной. Следовательно, ее можно аппроксимировать прямой линией. Тогда среднее значение скорости ив вытекания жидкости за время Атв составит
Уравнение (4.22) представляет собой квадратное уравнение относительно АР0, где коэффициенты при неизвестной величине и свободный член выражены через параметры кавитационной области (Лс, Rmax, NK, гс), свойства жидкости и характеристики микротрещины (#0, v, рс, гс). Энергия Дс кумулятивной струи имеет порядок потенциальной энергии АЖкавитационного пузырька
Найдем число наночастиц, попавших в микротрещину при кавитации жидкости, поскольку от этого параметра будет зависеть величина эффективного модуля Юнга поверхностного слоя материала обрабатываемой заготовки.
Из формулы (4.25) следует, что число наночастиц NH в микротрещине является функцией параметров кавитационной области (JVK, Rmax, Кц), технологической жидкости (рс, V, Н0), наночастиц (рн, RQ, Fint) и размеров микротрещины (LM, к)
Проектирование фасонного резца для восстановления профиля электрода-инструмента
В процессе электроэрозионного профилирования алмазных кругов под действием электрических разрядов профиль электрода-инструмента подвергается износу, что приводит к необходимости периодического восстановления его исходной конфигурации. При этом затраты времени на эту операцию должны быть сведены к минимуму, особенно для условий серийного и массового производства. Поэтому применение фасонных резцов для коррекции профиля электрода-инструмента, является наиболее эффективным и экономически выгодным способом восстановления его рабочей поверхности.
Для восстановления профиля цилиндрического электрода-инструмента обычно используют призматические фасонные резцы, которые обладают большей жесткостью при их закреплении в державке.
При проектировании фасонного мастер-резца для профилирования электрода-инструмента необходимо учитывать искажение профиля [77], которое происходит вследствие наличия у него переднего и заднего углов, а также положения различных точек режущей кромки выше или ниже оси детали. Поэтому необходимо провести аналитический расчет геометрических параметров резца, с учетом изменения углов на различных участках главной режущей кромки (рисунок 5.3).
В точке 1, расположенной на одном уровне с осью электрода-инструмента, передний у1 и задний щ углы назначают в зависимости от обрабатываемого материала. Точка профиля 2 располагается ниже оси обрабатываемого электрода-инструмента, поэтому касательная к окружности в этой точке получает отклонение от первоначального положения в точке 1 на величину угла +Аа.
Задний угол а2 в точке 2 оказывается больше величины заднего угла осі в точке 1. Так как снижение точки 2 относительно первоначального положения в точке 1 на участке 1-2 происходит непрерывно по мере перемещения ее по режущей кромке резца, то и увеличение заднего угла происходит так же непрерывно от первоначального значения в точке 1 до максимального значения в точке 2. Учитывая такой характер изменения заднего угла фасонного резца, очевидно, что его абсолютное значение можно несколько уменьшить для точки 1, которая расположена на уровне оси электрода-инструмента, а все остальные точки режущего лезвия, располагаясь ниже оси, будут иметь величину заднего угла, достаточную для образования режущего клина или даже несколько большую.
Изменение переднего угла у на участке 1-2 происходит в обратном порядке. Передний угол yi в точке 1 к точке 2 профиля непрерывно уменьшается до величины Y2- Максимальное значение угла будет в точке 1, расположенной на оси, то есть у1 и минимальное значение в точке 2, расположенной ниже оси, то есть у2. Уменьшение переднего угла и увеличение заднего угла происходит на одну и ту же величину Аа=Ау.
Величина заднего и переднего углов фасонных резцов для базовой точки 1, которую всегда при установке резца располагают по оси обрабатываемого электрода-инструмента, назначается в зависимости от обрабатываемого материала [77] (таблица 5.2).
Обозначим радиальные размеры электрода-инструмента буквой А с соответствующим цифровым индексом. Обрабатываемый фасонный профиль электрода-инструмента в соответствии с заданными на чертеже размерами разделим на участки, границы которых обозначим цифровым индексом. Причем точку 1 расположим на наименьшем диаметре и будем считать базовой точкой.
При расчете профиля резца оперируют радиальными размерами. Если размеры обрабатываемого электрода-инструмента заданы с различными допусками, то для расчета необходимо принимать не номинальные, а средние значения размеров в соответствии с полем допуска на соответствующий размер. Это необходимо для снижения влияния погрешностей изготовления, заточки и установки фасонного резца на обрабатываемый профиль электрода-инструмента. По таблице 5.2, для обрабатываемого материала принимаем значения заднего оц и переднего уі углов. Для рассматриваемого случая принимаем в качестве материала электрода-инструмента медь Ml. Поэтому по таблице 5.2 находим а1=10 и у1=20. Угол искажения 0 будет равен 0=аі+у1.
Соответствующие размеры призматического фасонного резца на различных участках профиля будем обозначать буквой В с индексами. На рисунке 5.4 представлена схема расчета профиля призматического фасонного резца вместе ео вспомогательными построениями для электрода-инструмента, чертеж которого приведен на рисунке 5.5, а.
Размеры резца Въ В2,..., Вш определяющие глубину профиля резца от базовой точки, неизвестны и определяются расчетом.
Последовательно рассматривая треугольники ОаЪ и Ш найдем сначала Ai3, а затем искомый размер В3.
Подобным образом были определены остальные размеры профиля резца, которые составили: В2=0,5\ мм; 3=0,6 мм; 4Ю,69 мм; 5=0,75 мм; 5б=1 мм; 7=1,25 мм; Bf=l,6\ мм; В9=\,1 мм; 5ю=2,36 мм для профильного электрод-инструмента на рисунке 5.5.
Построение профиля резца показано на рисунке 5.5. Полученные расчетом размеры В2, В?,... Вю откладываются от линии /-/ , которая проводится параллельно оси цилиндрического электрода-инструмента. Осевые размеры при этом не искажаются, а переносятся на профиль фасонного резца с чертежа электрода-инструмента.
Наименьшая толщина резца назначается из соображений обеспечения прочности и минимального коробления резца при термообработке. На основании практических данных размер В\ рекомендуется назначать в пределах: Вх=(0,2.. .0,5)/, где / - ширина резца (см.рисунок 5.5, б).
Высоту ласточкиного хвостовика - размер В0, принимают в зависимоети от габаритных размеров резца для обеспечения необходимой жесткости закрепления. На практике принимают S0=6... 10 мм.
Определив размер толщины резца В, находят рабочие размеры резца от основания ласточкиного хвоста. Общая ширина резца всегда будет больше ширины электрода-инструмента, потому что с обеих сторон добавляются конструктивные элементы резца.
Дополнительную режущую кромку тп выполняют под углом 20. Справа размер резца h увеличивают на 1...3 мм для перекрытия соответствующего участка электрода-инструмента.
Размер резца /3 назначается конструктивно для укрепления наклонной режущей кромки /з=3... 5 мм.
Габаритные размеры резца округляют. Кроме расчетных и рабочих размеров профиль резца должен иметь ряд дополнительных контрольных размеров, которые облегчают установку инструментов при изготовлении и контроле, а также установку фасонного резца на станке.
Размеры глубины профиля резца всегда оказываются меньше меньше соответствующих размеров глубины профиля электрода-инструмента. Поэтому радиус криволинейного участка профиля фасонного резца будет больше радиуса соответствующего криволинейного участка профиля электрода-инструмента (рисунок 5.6).
