Содержание к диссертации
Введение
1 Аналитический обзор состояния вопроса 12
1.1 Особенности процесса резания при хонинговании 13
1.2 Выбор характеристики хонинговальных брусков 22
1.3 Исследование температур, сил, возникающих в процессе резания 25
1.4. Получаемая точность обработки и шероховатость поверхности 30
1.5 Постановка задач исследования 35
2 Термомеханические явления при хонинговании 37
2.1 Математическая модель определения силы резания единичного зерна 37
2.2 Температуры, возникающие в процессе резания 55
2.2.1 Расчет температуры инструмента при хонинговании 59
2.2.2 Расчет температуры обрабатываемой детали при хонинговании 61
2.2.3 Результаты расчетов и исследования температуры резания 64
2.3 Баланс энергий при хонинговании 72
2.4 Выводы по главе 79
3 Точность обработки при хонинговании 81
3.1 Модель расчета деформаций полого цилиндра под действием распределенной силы и температуры 81
3.2 Модель расчета деформаций инструмента 89
3.3 Определение точности обработки, погрешности формы 93
3.4 Расчетное определение температурных деформаций 95
3.5 Результаты экспериментальных исследований 101
3.6 Выводы по главе 112
4 Разработка математической модели зоны контакта и образования шероховатости 113
4.1 Математическая модель определения параметров зоны контакта
4.2 Расчет шероховатости поверхности 120
4.3 Расчетное определение параметров зоны контакта и шероховатости 126
4.4 Выводы по главе 131
5 Методика оптимизации процессов хонингования. внедрение результатов работы и технико-экономические показатели 132
5.1 Оптимизация режимов резания по минимуму себестоимости технологической операции 133
5.2 Методика оптимизации технологической операции хонингования 142
5.3 Оптимизация условий обработки цилиндров двигателей снегоходов «Буран» и «Тайга» 146
5.4 Выводы по главе 151
Заключение 152
Список использованных источников
- Выбор характеристики хонинговальных брусков
- Температуры, возникающие в процессе резания
- Модель расчета деформаций инструмента
- Расчет шероховатости поверхности
Введение к работе
Одной из важнейших задач современного машиностроения является повышение надежности и долговечности работы выпускаемых изделий. Работоспособность и долговечность машин в значительной степени зависят от параметров точности, шероховатости и состояния рабочих поверхностей деталей, определяемых предшествующей технологической обработкой. Одним из широко распространенных методов обработки внутренних цилиндрических поверхностей является хонингование. О существенной роли данного процесса в машиностроении свидетельствует его включение в типовые технологии изготовления многих ответственных деталей.
Основное назначение операций хонингования предполагает повышение точности формы и размеров, а также снижение высоты микронеровностей обрабатываемых поверхностей отверстий, после операций предварительной обработки. Не смотря на то, что хонингование относится к методам обработки с достаточно низкими температурами резания, не превышающими 100 - 150 С, изменения температуры могут оказывать значительное влияние на точность обработки деталей.
Температурные деформации инструмента и детали при хонинговании являются важной составной частью общей технологической погрешности, возникающей в процессе обработки. Особенно существенными они оказываются при чистовых и отделочных операциях. Силы, действующие на инструмент и деталь при такой обработке, как правило, невелики, поэтому не они определяют погрешности формы и размеров деталей. Более важной является роль температурного расширения и термоупругих деформаций детали и инструмента.
Возможности улучшения показателей точности при хонинговании ограничиваются недостаточной изученностью закономерностей формирования обрабатываемой поверхности, влияния элементов режима резания, характеристик инструмента на качество получаемых деталей,
9 отсутствием необходимых алгоритмов управления процессом. Так же не использована возможность повышения точности деталей за счет учета погрешности обработки, вызванной температурными деформациями инструмента и детали в процессе резания. Поэтому создание математического аппарата, позволяющего прогнозировать получаемую точность размеров, формы и шероховатости поверхности деталей при хонинговании с учетом перечисленных факторов, является актуальным. В связи с этим необходимы исследования закономерностей процесса хонингования, определения влияния условий обработки на силы и температуры резания, на точность и качество получаемой поверхности.
В работе приведены результаты теоретических исследований сил и температур, возникающих в процессе хонингования. На базе установленных закономерностей разработана математическая модель расчета погрешности обработки, вызванной температурными деформациями инструмента и детали в процессе резания. Разработана математическая модель определения параметров зоны контакта, количества режущих зерен, участвующих в процессе резания, плотности режущих зерен на рабочей поверхности инструмента, средней глубины резания одного зерна. На основе полученной модели определены зависимости для определения параметров шероховатости при хонинговании, в том числе при плосковершинном хонинговании- С учетом установленных зависимостей выполнена оптимизация процесса. В качестве критерия оптимизации взята себестоимость обработки.
Цель работы. Повышение эффективности процесса хонингования на основе изучения влияния температурных деформаций инструмента и детали на точность обработки.
Методы исследования. Теоретические исследования выполнялись на основе фундаментальных положений теории тепломассообмена, теории упругости, теории резания, теории вероятности. Экспериментальные исследования проводились с использованием методов математической статистики.
10 Научнан новизна. Разработана математическая модель процесса хонингования, позволяющая учитывать тепловые деформации инструмента и детали и закономерности формирования шероховатости при определении условий обработки. В том числе получены: теоретические зависимости для определения силы резания и температуры, возникающей в процессе обработки; математическая модель расчета погрешности обработки, с учетом температурных деформаций инструмента и детали; математическая модель определения параметров зоны контакта, количества режущих зерен, участвующих в процессе резания, плотности режущих зерен на рабочей поверхности инструмента, средней глубины резания одного зерна; математические зависимости для определения основных параметров шероховатости (Ra, tp) обработанной поверхности при хонинговании, в том числе при плосковершинном хонинговании.
Практическая ценность. На основании выполненных теоретических и экспериментальных исследований предложена методика оптимизации процесса хонингования, обеспечивающая получение требуемых параметров точности и шероховатости обработанной поверхности при минимальной себестоимости операции.
Реализация результатов работы. Результаты исследований в виде методики оптимизации операций хонингования внедрены: на ОАО «НПО «Сатурн» (г. Рыбинск); на ООО «СП «Станковендт» (г. Москва); в учебный процесс РГАТА им. П. А. Соловьева.
Результаты работы прошли апробацию в докладах на 11 международных, всероссийских, научно-технических и студенческих конференциях и семинарах: на X Всероссийской научно-технической конференции «Теплофизика технологических процессов» (Рыбинск, 2000); на Всероссийской научно-технической конференции «Аэрокосмическая
11 техника и высокие технологии» (Пермь, 2002); на Международной научно-технической интернет конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы технологии машиностроения - Технология - 2002» (Орел, 1 марта - 10 сентября, 2002); на Всероссийской научно-технической конференции «Аэрокосмические технологии и образование на рубеже веков» (Рыбинск, 2002); на Всероссийской молодежной научно-технической конференции «Проблемы современного энергомашиностроения» (Уфа, 2002); на Международной молодежной научной конференции «XXVIII ГАГАРИНСКИЕ ЧТЕНИЯ» (Москва, 2002); на Российской научно-технической конференции «Проблемы определения технологических условий обработки по заданным показателям качества изделий» (Рыбинск, 2003); на международной электронной научно-технической конференции «Оптимизация и управление процессом резания, мехатронные станочные системы» (Уфа, 2004).
По материалам диссертации опубликовано 11 работ, их них 5 статей и 6 тезисов докладов.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников из 123 наименований и приложения. Общий объем работы 169 страниц, в том числе 52 рисунка, 4 таблицы.
Выбор характеристики хонинговальных брусков
Характеристика алмазного бруска включает следующие основные параметры: марка алмазных зерен, зернистость, концентрация алмазов в алмазоносном слое, связка, форма и габаритные размеры. Твердость алмазных брусков в характеристику не включается.
Для изготовления хонинговальных брусков применяются алмазные шлифпорошки марок АСР, АС 15 (АСВ), АС20 (АСК), АСС и микропорошки АС32 (АСМ) [1, 3, 35, 51, 103, 105]. Выбор марки алмазов должен производится в зависимости от состава и свойств обрабатываемого материала [40, 82, 95, 112]. Чем выше прочность и твердость материала детали, тем более прочную марку алмазов необходимо применять для брусков, так как менее прочные зерна алмазов при взаимодействии с труднообрабатываемыми материалами дробятся на мелкие фракции и выкрашиваются. Вследствие этого бруски теряют свою режущую способность, быстрее нагреваются и засаливаются. При обработке ряда материалов эффективным является применение эльбора [30, 31].
Зернистость алмазов оказывает значительное влияние на производительность процесса и шероховатость поверхности. Чем крупнее алмазные зерна, тем интенсивнее происходит съем металла, но при этом увеличивается шероховатость обработанной поверхности. Поэтому с целью обеспечения повышенной производительности процесса зернистость брусков должна приниматься наибольшей, что также соответствует более высокой износостойкости брусков [7, 35, 78, 91, 96]. Ограничивающим фактором в данном случае является обеспечение необходимой шероховатости поверхности.
Для достижения повышенных показателей качества деталей и высокой производительности обработки, а также наименьшего расхода алмазов технологию алмазного хонингования целесообразно строить таким образом, чтобы на предварительной и получистовой операциях достигалось необходимая точность размера и геометрической формы обрабатываемого отверстия, а на чистовой (отделочной) - требуемая шероховатость поверхности с минимальным съемом припуска. [29, 35, 78]. Причем на предварительной операции алмазное хонингование рекомендуется осуществлять брусками с крупной зернистостью и обеспечивать необходимый съем металла, а на промежуточных и окончательной операциях применять бруски с меньшей зернистостью для обеспечения требуемой шероховатости.
Концентрация алмазов в алмазоносном слое определяет число режущих зерен на единице рабочей поверхности брусков, объем промежутков и размеры мостиков связки между зернами [95]. Поэтому изменение концентрации ведет к изменению условий резания. При подборе концентрации следует учитывать производительность и экономичность процесса хонингования [52, 95].
Для предварительного хонингования деталей из чугуна наиболее предпочтительной является концентрация алмазов, равная 50 %, а для окончательного - 100 % [40, 61, 95]. В этом случае .обеспечивается наименьший износ брусков, что повышает экономичность операции. При хонинговании незакаленной и закаленной стали рекомендуется применять бруски с концентрацией 100 %.
Снижение концентрации алмазов по сравнению с рекомендуемой приводит к уменьшению режущей способности брусков и резко снижает интенсивность и стабильность исправления геометрии хонингуемых отверстий [40].
Связка брусков является одним из параметров характеристики, оказывающим влияние на технологические показатели процесса хонингования [34, 35, 85]. Основные требования, предъявляемая к связкам для хонинговальных брусков, следующие: высокая степень удержания алмазного зерна; ограничение максимальной силы резания на зерне за счет микровыкрашивания; образование пространства для выхода стружки; минимальное внешнее трение; высокая теплопроводность.
При алмазном хонинговании применяется широкая номенклатура связок алмазных брусков, к числу которых относятся: - органические - Б1, Б2, БЗ, Б4, Б6, и др.; - металлические - М2-01 (Ml), М5 и др.; - металлосиликатные - МС1, МС2, МСЗ, МС6, МС7, МС8, МС15; - керамические - КІ, К5, СК и др.; - эластичные - Р1, Р4, РО и др.
Применение эластичных связок при плосковершинном хонинговании [3, 73, ПО] обеспечивает возможность достижения малой шероховатости и большой площади опорной шероховатости.
Выбор связки брусков осуществляется с учетом физико-механических характеристик и термической обработки материалов [3, 45, 72, 80, 94, 101].
Выпускаемые в промышленности алмазные бруски имеют вид параллелепипеда с радиусной рабочей поверхностью. Согласно рекомендациям, приведенным в работах [40, 95], ширину брусков следует определять с учетом диаметра обрабатываемого отверстия и количества брусков в хонинговальной головке. При этом суммарная ширина комплекта должна составлять 17 - 35 % от длины окружности обрабатываемого отверстия. В целях лучшего исправления овальности отверстий предпочтение следует отдавать четным значениям количества брусков в хонинговальной головке [46], при обработке трехгранных отверстий количество брусков должно быть кратным трем [92].
Температуры, возникающие в процессе резания
Хонингование применяют для обработки деталей, к которым предъявляются повышенные требования по точности и качеству поверхности, что продиктовано условиями их эксплуатации. Не смотря на то, что хонингование относится к методам обработки с достаточно низкими температурами резания, изменения температуры могут оказывать значительное влияние на точность обработки деталей [64, 65, 66]. В связи с этим и возникает необходимость в разработке математической модели, позволяющей рассчитать температуры инструмента и детали на разных этапах обработки.
Наиболее распространенным методом теоретического определения тепловых полей при абразивной обработке является метод источников [23, 43, 62, 63, 77]. Поэтому на этапе постановки задачи следует решить вопрос о том, что представляет собой тепловой источник в зоне контакта хонинговального бруска с деталью,
С точки зрения теплофизики особенность процесса хонингования состоит в том, что зерна на поверхности инструмента расположены случайным образом. В месте соприкосновения каждого из зерен с материалом детали выделяется теплота, возникающая в результате процесса срезания отдельной стружки. Расположение этих источников тепловыделения на поверхности контакта между инструментом и деталью непрерывно меняется во времени в связи со случайным размещением зерен в бруске, а также в результате вращательного и возвратно-поступательного движений инструмента. Выравниванию температур содействует также самозатачивание, свойственное хонинговальному инструменту. Это позволяет схематически задать на наружной поверхности инструмента и на внутренней поверхности детали сплошной источник теплоты, создающий равномерно распределенный поток плотностью соответственно qcil и qcd, подобное представление источника тепла можно увидеть в ряде работ [61, 76, 77]. Основой математической модели при описании тепловых процессов является уравнение теплопроводности. Для выполнения условий однозначности уравнение должно быть дополнено начальными и граничными условиями. В реальном процессе хонингования эти условия настолько сложны, что описывать их математически без схематизации невозможно.
Поэтому с целью облегчения математического описания процесса теплообмена при хонинговании инструмент представляется в виде цилиндра конечных размеров радиусами Ru R2 и длиной 2L (рисунок 7), а обрабатываемая деталь в виде полого цилиндра конечных размеров с внутренним радиусом R2, внешним Т?з и длиной 2/ (рисунок 8), Начало координат находится в центре цилиндров.
Начальные условия заданы следующим образом. Температуру рассматриваемых тел в начальный момент времени принимаем равной температуре То окружающей среды, т. е. Дг,дО) = То. В этом случае удобно вести расчет условно считая, что 7{r,z,0) = 0, а затем по окончании расчета к результату прибавляя То. Тс -температура среды, с которой происходит теплообмен.
На разных участках инструмента и детали имеют место различные граничные условия (ГУ). По отношению к инструменту имеем следующие граничные условия: ГУ 3 рода - на внешней и торцевой поверхности, где происходит омывание смазочно-охлаждающей технической средой; ГУ 2 рода - на внешней поверхности, контактирующей с поверхностью детали, где известна плотность теплового потока. По отношению к детали: ГУ 3 рода - на внутренней и торцевой поверхностях, где идет омывание смазочно-охлаждающей технической средой, и на внешней, где происходит теплоотдача в воздух; ГУ 2 рода - на контактной поверхности с инструментом, где задана плотность теплового потока.
Описав закономерности распространения теплоты при хонинговании, применительно к обрабатывающему инструменту и обрабатываемой детали, задав условия взаимодействия этих тел с окружающей средой и друг с другом, можно сформулировать задачу математически.
Модель расчета деформаций инструмента
Величина общей технологической погрешности может быть обусловлена погрешностями различного происхождения Д Да + А„3+ Дс. + Де, (ПО) где Ад - отклонения, связанные с деформацией технологической системы, м; Аю - отклонения, обусловленные износом инструмента, м; Дс - погрешности инструмента от усилий резания, м; Д0 - отклонения, определяемые изменениями теплового содержания заготовки и инструмента за период обработки, м. Одной из особенностей хонинго вального инструмента является его самоустанавливаемость по обрабатываемой поверхности детали в процессе резания. Радиальная подача осуществляется конусом хонинговальной головки, непосредственно раздвигающим режущие бруски без промежуточных передаточных связей. При такой короткой кинематической цепи влияние погрешностей системы станка на общую погрешность практически исключаются [11].
Силы, действующие на инструмент и деталь при хонинго вании, не велики. Поэтому они не оказывают заметного влияния на погрешности формы и размеров детали [40].
Износ хонинговальных брусков происходит в основном путем хрупкого разрушения, истирания и выкрашивания зерен. Процесс хонингования абразивными брусками носит циклический характер. В начальный период хонингования абразивные бруски самозатачиваются, вскрытые абразивные зерна снимают основной припуск и в конце цикла затупляются. Период цикла затупления не равен продолжительности обработки одной детали. При алмазном хонинговании процесс износа и затупления происходит во много раз медленнее, благодаря высокой стойкости алмазных брусков [40, 41]. Таким образом, отклонения, обусловленные износом инструмента за период обработки детали, чрезвычайно малы.
На величину погрешности от предшествующей обработки оказывает влияние выбор способа радиальной подачи брусков. Если подача осуществляется по способу постоянного давления, то бруски в некоторой степени копируют первоначальную форму отверстия. Если же подача осуществляется на вполне определенную (регулируемую) величину при каждом двойном ходе хонинговальной головки, то вначале происходит срезание выступов макрорельефа, вследствие чего форма отверстия исправляется более интенсивно [40]. Таким образом, наибольший вклад в общую технологическую погрешность при хонинговании вносят деформации инструмента и детали от нагрева в процессе обработки.
Суммарная погрешность обработки обусловлена тепловыми деформациями, как инструмента, так и детали. Отклонение размера рабочей поверхности инструмента вследствие тепловых деформаций Д„ определялось из основной зависимости (104). В результате тепловых деформаций детали Д ее обрабатываемая поверхность займет положение, определяемое выражениями (99). После прекращения процесса обработки и полного остывания детали до исходной (комнатной) температуры обработанная поверхность будет иметь погрешность, определяемую зависимостью ДЕ = Д«-Д». (ПО
Расчетное определение температурных деформаций
Так как погрешности обработки, вызванные тепловыми процессами, обусловлены деформациями, как детали, так и инструмента, то необходимо изучить их поведение во времени и в зависимости от условий обработки.
Расчеты, проведенные на основании зависимостей (99), (104), (111) позволили установить следующие закономерности изменения температурных деформаций инструмента Д„, детали Д) и их суммарных деформаций Д2 в процессе обработки. Результаты расчетов представлены на рисунках 24-31. В ходе работы исследовалось влияние на величину деформаций: времени хонингования т, интенсивности теплового потока qcy теплофизических свойств а, X, а, а, и размерных параметров инструмента R2, lu и детали #2, / э, толщины стенки /,
График зависимости температурных деформаций Д„, Дл Д от времени хонингования представлен на рисунке 24. Из графика видно, что деформации растут с увеличением времени.
Расчеты позволили установить также следующие закономерности изменения температурных деформаций инструмента и детали в процессе обработки. Деформации растут с увеличением интенсивности теплового потока, с увеличением коэффициента температуропроводности материалов инструмента и детали, с уменьшением коэффициентов теплообмена, теплопроводности и линейного расширения материалов инструмента и детали.
Анализ графиков, приведенных на рисунке 25 и 26, показывает, что чем больше длина инструмента /„ и детали 1д, тем больше возрастают их температурные деформации. Это происходит в связи с тем, что температуры инструмента и детали растут при увеличении их длины.
На рисунке 27 и 28 приведены графики изменения деформаций детали и инструмента по длине. Точка наблюдения перемещалась от одного торца до другого. Расчеты показывают, что с приближением точки наблюдения от торцов цилиндров к центру температурные деформации инструмента и детали возрастают. Таким образом, разница между деформациями в центре и по краям для детали с радиусом обрабатываемого отверстия 38 мм составляет ОД мкм (т. е. увеличение деформации составило 6,6 % от краевого значения), для инструмента радиусом 38 мм — 0,42 мкм (6,3 %).
Результаты исследования влияния радиуса обрабатываемого отверстия і?2 на деформации детали (см. рисунок 29) показывают, что при времени обработки 120 с и толщине стенки 5 мм увеличение радиуса ведет к активному росту величины температурных деформаций Ды, а при толщине стенки 20 мм кривая деформаций имеет минимум в точке /?2 28 мм.
Расчет шероховатости поверхности
Шероховатость поверхности при хонинговании формируется в результате переноса рельефа рабочей поверхности инструмента на обработанную поверхность детали (геометрическая составляющая шероховатости), а также в результате пластического деформирования срезаемого материала (пластическая составляющая шероховатости). При хонинговании процесс резания происходит следующим образом. Большое количество зерен царапают обрабатываемый материал. Режут ли они его или давят (т. е. срезают ли микростружки или выдавливают канавки с наплывами металла) зависит от остроты вершин, а также от глубины их внедрения [40]. В начальный период хонингования зерна пересекают шероховатости от предыдущей обработки, а затем собственные канавки и навалы металла. Чем больше получаются размеры навалов, тем большую часть работы зерна составляло пластическое выдавливание металла.
Для геометрической составляющей шероховатости имеет значение рельеф, образуемый вращающимися наиболее выступающими зернами. Схема формирования геометрической составляющей представлена на рисунке 42. Показаны следы, оставленные на поверхности металла несколькими соседними зернами, имеющими произвольную разновысотность. Расстояние между соседними режущими зернами равно Ах и определялось ранее полученной зависимостью (120). Выделенная на схеме система координат хоу расположена таким образом, что начало координат находится на средней линии профиля, которая совпадает с осью х, а ось у проходит через вершину /-того зерна. Положение средней линии профиля в данном случае произвольно.
Метод плосковершинного хонингования применяется для обработки рабочих поверхностей гильз и цилиндров двигателей внутреннего сгорания [85, 87]. Путем последовательного выполнения операций предварительного и окончательного хонингования и подбора характеристик хонинговальных брусков обеспечивается структура поверхности, характеризуемая периодически возникающими глубокими царапинами, между которыми находятся небольшие опорные площадки. Получаемая поверхность дает много преимуществ для увеличения срока службы двигателей, так как повышается износостойкость зеркала цилиндра, снижается расход смазочного масла, сокращается время приработки двигателей.
Для оценки плосковершинной поверхности цилиндра параметров Ra, Rz недостаточно. Параметр Rz в данном случае не является объективным, поскольку глубокие бороздки, чередующиеся с площадками мелкой шероховатости, являются резко выпадающими значениями, которые влияют на результат измерения. Параметр Ra позволяет производить условную оценку поверхности цилиндра. Поэтому оценку плосковершинной поверхности производится через параметр tp, характеризующий относительную опорную длину профиля.
По стандарту относительная опорная длина профиля определяется как отношение опорной длины к базовой длине / /, = у. (139) где r\p - опорная длина профиля, равная сумме длин отрезков в пределах базовой длины, отсекаемых на заданном уровне профиля линией, эквидистантной средней линии 125 ПР = ТЬг i=i (140) Используя вышеизложенную модель параметр tp , характеризующий относительную опорную длину профиля, может быть определен как Ф„ Ni 1 + Ф/ ) р (141) =1 Np где р - уровень сечения профиля, определяемый как расстояние между линией выступов профиля и линией, пересекающей профиль эквидистантно линии выступов профиля. Тогда величина опорной длины профиля будет равна (142) ; I tpi \р р-где / - базовая длина, определяемая по ГОСТ 2789 - 73.
Как описывалось выше, шероховатость поверхности, обработанной методом плосковершинного хонингования, формируется за две операции. В результате получается поверхность определенной структуры, которая характеризуется периодически возникающими глубокими царапинами, как результат первой операции, и небольшими опорными площадками -результат второй операции. Вероятность попадания тех или иных участков в пределах базовой длины определяется соотношением уровней р и и. Таким образом, среднее арифметическое отклонение профиля Ra для оценки поверхности, обработанной методом плосковершинного хонингования, будет определяться выражением
