Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ МЕХАНИКИ ПРОЦЕССА КРУГЛОГО ШЛИФОВАНИЯ ИЗДЕЛИЙ С ПРЕРЫВИСТЫМИ ПОВЕРХНОСТЯМИ. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 13
1.1. Оценка уровня действующих технологических операций шлифования многолезвийных инструментов 13
1.2. Динамика взаимодействия круга с прерывистым.: изделием 24
1.3. Динамическая нагруженность режущих зерен круга 32
1.4. Формирование принципов оптимального управления процессом шлифования. Цель и задачи исследований 41
1.5. Общая методика и условия проведения исследований 51
ГЛАВА 2. КИНЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА ШЛИФОВАНИЯ 58
2.1. Анализ существующих кинематических расчетных схем процесса шлифования 58
2.2. Аналитическое описание. микро геометрии рабочей
поверхности круга 65
2.2.1. Статистическая относительная полнота профиля рабочей поверхности круга 65
2.2.2. Кинематическая относительная полнота профиля -рабочей поверхности круга 71
2.2.3. Условие полного съема металла рабочей поверхностью круга . 74
2.3. Кинематика съема металла и формообразования по верхностей при шлифовании 76
2.3.1. Расчетная схема процесса шлифования и закономерности распределения съема металла по длине дуги контакта круга с изделием 76
2.3.2. Уравнение линии полного съема металла 85
2.3.3. Вероятностный расчет максимальной глубины внедрения обрабатываемого материала в рабочую поверхность круга 91
2.3Л. Аналитическая взаимосвязь основных параметров процесса шлифования и экспериментальная проверка результатов расчетов . 99
2.4. Аналитическая оптимизация условий шлифования изделий с прерывистыми поверхностями на основе допустимой (прочностной) толщины среза 107
2.4.1. Оптимизация процесса шлифования по предельной кине-г матической производительности 108
2.4.2. Оптимизация процесса шлифования по относительному расходу алмаза и расчет допустимой (прочностной) толщины среза 112
2.4.3. Пути повышения качества обработки при круглом продольном шлифовании многолезвийных инструментов. 121
ГЛАВА 3. УПРОЩЕННАЯ ФИЗИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ АЛМАЗНОГО ШЛИФОВАНИЯ 135
3.1. Энергетическое. равновесие пары "круг-изделие" и кинетика образования установившегося режущего рельефа алмазного круга 136
3.2. Аналитическое описание условного напряжения резания при шлифовании и удельного расхода алмаза 142
3.3. Устойчивость системы "зерно-связка" и условия размещения стружки в межзеренном пространстве круга. 151
3.4. Физические условия стабилизации оптимального рельефа круга и оптимизация процесса алмазного шлифования 156
ГЛАВА 4. МЕТОДИКА РАСЧЕТА И ПРОЕКТИРОВАНИЯ ВЫСОКОПРОИЗВОДИ ТЕЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ АЛМАЗНОГО ШЛИФОВАНИЯ ИЗДЕЛИЙ С ПРЕРЫВИСТЫМИ ПОВЕРХНОСТЯМИ 170
4.1. Алгоритмы расчета оптимальных параметров режима шлифования 172
4.2. Табличные значения оптимальных параметров процесса алмазного шлифования твердосплавных многолезвийных инструментов 180
4.3. Качество алмазного шлифования твердосплавных многолезвийных инструментов 184
4.4. Внедрение результатов исследований и их технико-экономическая эффективность 185
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИЙ 189
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 195
ПРИЛОЖЕНИЯ 213
- Оценка уровня действующих технологических операций шлифования многолезвийных инструментов
- Анализ существующих кинематических расчетных схем процесса шлифования
- Энергетическое. равновесие пары "круг-изделие" и кинетика образования установившегося режущего рельефа алмазного круга
- Алгоритмы расчета оптимальных параметров режима шлифования
Введение к работе
Материалами ХХУІ съезда КПСС предусматривается дальнейшее развитие машиностроительной и металлообрабатывающей промышленности, создание малоотходных технологий и прогрессивных технологических процессов, направленных прежде всего на повышение качества выпускаемой продукции и экономию остродефицитных материальных ресурсов, В успешном решении этих задач особая роль принадлежит совершенствованию инструментального производства, поскольку повышению только качества инструмента позволяет увеличить производительность труда на действующих станках на 25-30 процентов [iJ . Кроме того эффект от улучшения инструментального обеспечения достигается значительно быстрее, чем от многих других мероприятий.
Многолетняя практика широкого применения в промышленности новых прогрессивных сверхтвердых инструментов убедительно подтверждает перспективность их использования для подъема инструментального производства на качественно новую ступень. Исследованиями многих авторов установлена четкая взаимосвязь работоспособности лезвийных режущих инструментов с методами их обработки на операциях заточки и шлифования. Замена на этих операциях абразивной обработки на алмазную или эльборовую позволяет до 1,5 - 2-х раз увеличить работоспособность инструмента, устранить брак по трещинам, сколам и выкрашиваниям режущих кромок, прижо-гам и другим структурным дефектам, присущим традиционным , пока еще широко применяемым на практике методам абразивной обработки [2, 20, гЭу№, 41, 50, 131, 136, 137] .
В настоящее время алмазная и эльборовая обработка в инструментальном производстве ограничивается в основном операциями заточки. Наиболее массовые операции круглого шлифования твердо- - б - рплавных и быстрорежущих многолезвийных инструментов, объем ко-торых в инструментальном производстве составляет ~35%, за отдельными исключениями чистового шлифования и доводки выполняется по-прежнему с применением обычных абразивных кругов, вызывающих глубокие структурные превращения в поверхностном слое, которые не устраняются даже последующей алмазной и эльборовой обработкой [20, 50, 59, 72, 95, 139, I65J . По данным ряда инструментальных заводов брак достигает 20%. Попытки эффективной замены на этих операциях абразивного шлифования алмазным с целью повышения качества обработки до настоящего времени успеха не имели, что обусловлено прежде всего низкой работоспособностью алмазных кругов в условиях их интенсивного ударно-циклического взаимодействия о обрабатываемыми элементами изделия» Производительность алмазного шлифования, как правило, не превышает (2-5)х хЮ3 мм /мин [41, 55, 99, 107, I37| , а относительный расход алмаза достигает чрезвычайно высокого уровня - (20-60) мг/г 106, 107, ИЗ, 116, І4-0І , что совершенно не удовлетворяет требованиям производства и делает экономически нецелесообразным внедрение прогрессивных методов алмазной обработки. В то же время абразивное шлифование, по данным ряда специализированных инструментальных заводов, изготавливающих многолезвийные инструменты, позволяет осуществлять съем припуска с режимной ПрОИЗВОДИТеЛЬ-ностью~20 10 мм /мин, а при шлифовании шарошек с рэлитовыми наплавками для буровых долот - до 3 10 мм /мин, что значительно выше производительности обычного круглого абразивного шлифования сплошных поверхностей. Высокая производительность абразивного шлифования прерывистых поверхностей обусловлена спецификой ударно-циклического воздействия многолезвийного инструмента на режущий рельеф круга, которое интенсифицирует принудитель- ную правку и восстановление режущей способности последнего.
Таким образом задача полной замены абразивного шлифования алмазным на операциях круглого наружного шлифования многолезвийных инструментов может быть успешно решена при условии существенного повышения производительности алмазного шлифования (до уровня абразивного шлифования и выше) при экономически приемлемом расходе СТМ и требуемом качестве обработки.
В этой связи основным содержанием диссертационной работы явилось аналитическое и экспериментальное исследование и обоснование наиболее эффективных путей совершенствования и разработки высокопроизводительного процесса алмазного и эльборового круглого шлифования твердосплавных и быстрорежущих многолезвийных инструментов взамен абразивного на основе изучения механики взаимодействия прерывистых поверхностей изделий с рабочей поверхностью круга. В качестве объектов исследования и внедрения были приняты многолезвийные режущие инструменты как наиболее массовые представители изделий с прерывистыми поверхностями обработки, характеризующиеся упорядоченным расположением обрабатываемых элементов и широким варьированием коэффициента прерывистости. Установленные закономерности в определенной мере могут быть распространены на обработку большой группы изделий типа шлицевых валов, точных шестерней, шлифуемых по выступам зубьев, бурового инструмента с рэлитовыми наплавками и многих других деталей, наплавленных разнообразными износостойкими материалами, обладающими низкой обрабатываемостью.
В работе в качестве основного источника первичной информации принят метод кинематического и физического моделирования процесса шлифования, позволивший в достаточной степени раскрыть его физическую сущность и получить ряд важных принципиальных решений, необходимых для разработки высокопроизводительного про- - 8 -цесса круглого шлифования прерывистых поверхностей. Система "круг-изделие" представлена как сложная замкнутая механическая система, функционирование которой всецело подчинено принципу энергетического равновесия. Закономерности вероятностного участия зерен в резании и съеме металла, износа круга и формирования шероховатости обработанной поверхности рассмотрены с учетом образования на рабочей поверхности круга установившегося режущего рельефа. Механизм износа круга изучен с позиций устойчивого равновесного состояния системы "зерно-связка". Основные физические и технологические показатели шлифования описаны единой системой математических уравнений, содержащих наряду с геометрическими и кинематическими параметрами ряд физических: прочность зерна, связки и обрабатываемого материала, износостойкость связки, давление стружки в межзеренном пространстве круга, условные напряжения резания и т.д. Многопараметрической аналитической оптимизацией процесса определены условия работы алмазного круга в режиме оптимального самозатачивания при шлифовании изедлий с прерывистыми поверхностями. Структурно-логическая схема работы представлена на рис.1.
Для решения задач диссертационной работы выдвинуто ряд новых научных положений: повысить эффективность алмазного шлифования можно путем управления интенсивность ударно-циклического взаимодействия круга с обрабатываемыми элементами изделия, обеспечивающими полный съем металла и диссипацию энергии удара на уровне допустимой (прочностной) толщины среза; процесс шлифования, несмотря на беспорядочное расположение зерен на рабочей поверхности круга и сложный по физической природе износ, подчиняется строгим математическим закономер-
Механика круглого алмазного шлифования изделий с прерывистами поверхностями и пути ее оптимального управления
Оценка уровня действующих технологических процессов
Исследование особенностей и закономерностей круглого шлифования изделий с прерывистыми поверхностями выработка принаипов управления процессом и путей их реализации
Кинематическая модель шлифования
У проионная физическая
МиДеЛЬ МЛИфиВаНИЯ
Разработка высокопроизводительных процессов алмазного шлифования
Разработка математического аппарата к вероятностному описанию рабочей поверхности круга
Разработка математического аппарата к описанию процесса стабилизации рельефа круга
Разработка методики расчета оптимальных условий шлифования по допустимой (прочностной) толщине среза
Математический аналив распределения съема металла , вдоль дуги контакта круга с изделием
Построение единой замкнутой системы уравнений шлифования выбор оптимальных рехимов шлифования, характеристик Kpjrra на основе принципа энергетического равновесия
Установление аналитической зависимости мехду скоростью изделия и допустимой (прочностной) толщиной среза
Установление взаимосвязи мехду параметрами стабилизированного рельефа круга и механизмом его износа ізение научных разработок в прбизводство
Аналитическое описание основных технологических параметров шлифования
Исследование устойчивости верен в свяэне и условий размещения струхки на круге
Выполнение многопараметрической условной оптимизации шлифования,выбор условий безударной обработки моделирования матическог шлифования
Уточнение результатов кине-6 моделирова
Изучение особенностей круглого глубинного алмазного шлифования с небольшой скоростью изделия
Экспериментальная проверка результатов расчетов
Рис.1 - ю - ностям и может быть оптимизирован аналитическим путем с ограниченным привлечением эксперимента, принимая в качестве условия оптимизации устойчивое равновесие системы "зерно-связка"; кинематика съема металла и формообразования поверхностей при шлифовании вполне однозначно описываются линией полного съема металла, которая характеризует вероятностную поверхность резания при шлифовании и позволяет по своим характерным точкам рассчитать основные физические и технологические параметры процесса; для каждого режима шлифования, характеристики алмазного круга, обрабатываемого материала существует конкретный установившийся режущий рельеф круга, определяемый энер'Гетическим равновесием системы "круг-изделие". Условиями стабилизации рельефа круга являются: I) достижение на максимально выступающем зерне силы резания, равной разрушающей силе или силе, удерживающей зерно в связке; 2) равенство скоростей линейного износа зерен и связки; оптимальному устойчивому равновесию системы "зерно-связка" незваисимо от сочетания режимных параметров всегда соответст* вуют одинаковая производительность и минимум относительного расхода алмаза, что обусловлено одновременным равенством единичной силы резания, разрушающей силы и силы, удерживающей зерно в связке. Значения производительности шлифования и относительного расхода алмаза определяются величиной линейного износа зерна до его объемного разрушения и давлением стружки в межзеренном пространстве круга.
В настоящей диссертационной работе автор защищает: - результаты исследований механики ударно-циклического вза имодействия круга с изделием при круглом алмазном шлифовании из- - II - делий с прерывистыми поверхностями и основные пути ее оптималь-ного управления с целью повышения эффективности шлифования; аналитическую оценку динамической нагруженности режущего зерна круга в условиях ударного взаимодействия с металлом; кинематическую (вероятностную) модель процесса шлифования; физическую модель алмазного шлифования; результаты многопараметрической оптимизации круглого алмазного шлифования по основным технологическим показателям (производительности шлифования, относительному расходу алмаза, параметрам шероховатости и точности обработки); - методику расчета, проектирования и оптимизации процессов алмазного шлифования твердосплавных многолезвийных инструментов на основе допустимой (прочностной) толщины среза и принципа энер гетического равновесия системы "круг-изделие"; - новый высокопроизводительный процесс круглого алмазного шлифования твердосплавных многолезвийных инструментов.
Практическое значение диссертационной работы состоит в том, что впервые сформулированы научно обоснованные принципы управления процессом шлифования изделий с прерывистыми поверхностями и на их базе предложен высокопроизводительный процесс алмазного шлифования. По своим технико-экономическим показателям такой процесс положительно отличается от существующих процессов алмазного шлифования (включая многопроходное и глубинное) и при экономически приемлемом расходе алмаза и требуемом качестве обработки позволяет в два раза и более превысить производительность абразивного шлифования. Для повышения надежности работы алмазного круга на высокопрочных металлических связках процесс осуществляется в режиме постоянного электрохимического воздействия на рабочую поверхность круга.
В работе впервые выбор оптимальных режимов шлифования и характеристик алмазного круга производится на основе расчетных зависимостей, установленных аналитическим путем с применением современных методов математической физики.
Результаты исследований внедрены на ряде промышленных предприятий страны с общим экономическим эффектом свыше 200 тыс.руб. в год. Работа выполнена в соответствии с комплексными программами 0.16.05; 0.16.08 ГКНТ СССР и Госплана СССР, утвержденными постановлениями № 515"271 от 29.12.81 г. и включенными в тематический план проблемной научно-исследовательской лаборатории физики резания инструментами из сверхтвердых поликристаллических материалов им. М.Ф.Семко и отраслевой лаборатории алмазных инструментов Минстанкопрома при кафедре "Резание материалов и режущие инструменты" Харьковского политехнического института им. В.И.Ленина. - ІЗ -
Оценка уровня действующих технологических операций шлифования многолезвийных инструментов
Из всего многообразия существующих процессов шлифования следует выделить процессы круглого наружного шлифования изделий с прерывистыми поверхностями вращения (разверток, зенкеров, протяжек, фрез, добяков, буровых шарошек, шлицевых валов и др.), которые по характеру контакта круга с изделием значительно отличаются от обычного и прерывистого шлифования. Основной их отличительной особенностью является периодическое ударное взаимодействие рабочей поверхности круга с выступами обрабатываемого изделия, которое по данным работы I 78] положительно отражается на технологических показателях абразивного шлифования и позволяет интенсифицировать режимы обработки. Такой эффект обусловлен тем, что обрабатываемое изделие в процессе шлифования выполняет, по сути, роль правящего инструмента и абразивный круг не требует периодической правки. Повышению режимов шлифования способствует также тот факт, что вследствие прерывистости контакта круга с - 14 -изделием, по аналогии с прерывистым шлифованием [32,50,98,159, I60,I6lJ , уменьшаются температура в зоне резания и вероятность появления на обработанной поверхности прожогов микротрещин и других дефектов. Проведенный анализ операций круглого наружного шлифования многолезвийных инструментов на ряде специализированных инструментальных заводов действительно показал высокий уровень производительности абразивного шлифования (25 10 мм/мин) (табл.1.1).
Анализ существующих кинематических расчетных схем процесса шлифования
При разработке математической модели процесса шлифования первоначально исследователи исходили из упрощенных расчетных схем, которые предполагали упорядоченное расположение зерен на рабочей поверхности круга и их равновероятностное участие в резании [30, 31,78,81,88] .
Шлифовальный круг уподоблялся цилиндрической фрезе, каждый зуб которой представлял собой режущий профиль в поперечном сечении круга. Контактируя с изделием, эти зубья поочередно оставляют на нем отдельные риски-царапины, которые, накладываясь и перекрываясь, по мере подключения в работу новых режущих профилей, приводят к съему припуска и образованию шероховатой обработанной .поверхности. На базе упрощенной расчетной схемы шлифования, учитывающей равновероятное участие зерен в резании, Е.Н.Масловым [80,81,82] разработана геометрическая теория шлифования, в которой поверхность шлифовального круга описывается одним параметром - средним расстоянием между режущими зернами, а процесс резания - толщиной среза CLz , определяемой как среднеарифметическая величина от суммарного среза всех зерен, расположенных в пределах дуги контакта где /г - число продольных ходов стола до стабилизации образовавания микропрофиля на обрабатываемой поверхности, устанавливается экспериментально и зависит только от характеристик круга. Применение геометрической расчетной схемы Е.Н.Маслова позво - 60 - ляет оценить влияние различных факторов на кинематическую нагруженное ть зерен и другие геометрические параметры контакта круга с изделием. Однако выполняемые расчеты по зависимости (2.1) дают заведомо заниженные результаты, т.к. согласно принятым допущениям все зерна имеют одинаковые размеры, форму и работают в идентичных условиях по всей длине контакта круга с изделием, что далеко не полностью соответствует реальному процессу шлифования. Кроме того при определении параметра tcp на учитывается влияние режимных и геометрических параметров шлифования, которые несомненно должны находится в строгой аналитической взаимосвязи с t p.
Энергетическое. равновесие пары "круг-изделие" и кинетика образования установившегося режущего рельефа алмазного круга
Как известно, энергия резания при шлифовании расходуется на отделение множества тончайших по размерам микростружек и износ рабочей поверхности круга. В начальный момент обработки наблюдается повышение расхода абразива, который со временем уменьшается и после определенного времени приработки круга стабилизируется. Такая закономерность вызвана тем, что в период приработки круга энергия резания превосходит энергию, необходимую для разрушения зерен, или в зависимости от механизма износа круга энергию удержания их в связке. Наиболее выступающие режущие зерна испытывают многократные перегрузки и преждевременно прекращают свою работу. В момент стабилизации износа круга в системе "круг-изделие" достигается равновесие энергии резания и энергии, потребляемой на разрушение зерен и связки. Сила резания, действующая на максимально выступающее зерно, стремится принять значение, равное предельной (разрушающей или удерживающей) силе, чтобы через определенное число касаний зерна с обрабатываемым материалом разрушить его или вывалить из связки и подключить в работу нижерасположенные зерна, непрерывно совершая таким образом цикл восстановления режущих свойств круга. Шлифовальный круг приобретает устойчивый, наиболее благоприятный с точки зрения износостойкости и свободного размещения стружек, режущий рельеф. Причем для каждого режима шлифования, обрабатываемого материала, характеристики круга устанавливается свой рельєф, определяемый уровнем энергетического равновесия, который главным образом и формирует основные параметры шлифования. Следовательно, наиболее достоверной физической моделью шлифования, справедливой во всем диапазоне изменения режимов шлифования может быть модель, разработанная, исходя из принципа энергетического равновесия системы "круг-изделие", поскольку именно он обусловливает образование установившегося рельефа круга и его режущую способность. .Существующие модели шлифования, как правило, не рассматривают механизм образования установившегося режущего рельефа круга, принимая в расчетах его исходным и неизменным. Поэтому представляет особый интерес решение задачи об образовании установившегося рельефа круга и соответствующем ему механизме износа круга в зависимости от режима шлифования и обрабатываемого материала на базе принципа энергетического равновесия. Для этого из всего многообразия режимных движений круга и изделия выделим главное кинематическое движение - движение прямоугольного образца по нормали к рабочей поверхности круга - и воспользуемся методикой (параграф 2.2) для аналитического описания относительной полноты профиля, образующейся на его поверхности при взаимных перемещениях круга и изделия. Режущие зерна представим в виде изношенных конусов, линейный износ которых зависит от соответствующих толщина среза. Чем больше толщина среза, тем больше линейный износ на зерне от истирания и поверхностного микро скалывания и тем больше образующаяся площадка износа. Условием стабилизации рельефа круга будет достижение на максимально выступающем зерне силы, равной предельной (разрушающей) Р , которая первоначально определяется площадью единичного среза Sпред. Условно будем считать, что скорость износа связки всегда равна.
Алгоритмы расчета оптимальных параметров режима шлифования
В результате аналитических исследований во второй главе установлено, что несмотря на массовый хаотический характер взаимодействия режущих зерен круга с изделием, процесс удаления припуска и формообразование поверхностей при шлифовании вполне однозначно определяется линией полного съема металла - границей завершения диспергирования режущими зернами металла, подводимого в зону резания, по всей длине дуги контакта рабочей поверхности круга с изделием. Для аналитического описания кинематики шлифования и технологических показателей обработки достаточно знать координаты характерных точек линии полного съема металла, которые определяются двумя параметрами Нтах и & Глубина шлифования і является независимой переменной, а И max может изменяться в зависимости от основных параметров процесса шлифования в пределах от О до $ . Таким образом, многопараметрическую задачу оптимизации процесса шлифования удалось свести к двупараметрической, что существенно упрощает ее решение.
Рассмотрим алгоритмы расчета оптимальных параметров режимов шлифования, исходя из кинематической и физической моделей шлифования.
