Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературных данных и постановка задач исследования 7
1.1. Анализ существующих методов повышения качества обработанной поверхности и снижения износа инструмента при хонинговании 7
1.2. Анализ существующих способов хонингования с переменной скоростью резания 28
1.3. Постановка цели и задач исследования 33
Глава 2. Методика проведения исследования 36
2.1. Оборудование, применяемое для исследования процесса хонингования с возрастающей скоростью резания 36
2.1.1. Экспериментальная установка 36
2.1.2. Хонинговальный станок 39
2.1.3. Выбор схемы обработки, типа хонинговальной головки и приспособления для установки и крепления заготовок 40
2.1.4. Измерительное оборудование 45
2.2. Обрабатываемые материалы 46
2.3. Выбор инструментальных материалов 49
2.4. Смазочно-охлаждающая жидкость, применяемая при обработке 52
2.5. Методика проведения исследования способа хонингования с возрастающей скоростью резания 54
2.6. Выбор режимов обработки для исследования способа хонингования с непрерывным увеличением скорости резания 57
2.7. Методика проведения регрессионного анализа и построения математической модели процесса обработки 59
Глава 3. Исследование закономерностей формирования микропрофиля обработанной поверхности при хонинговании с возрастающей скоростью резания 66
3.1. Расчет траектории движения абразивного зерна 66
3.2. Вывод математических моделей зависимости показателя шероховатости Ra от основных параметров обработки при хонинговании сталей перлитной и мартенситной структур 69
3.3. Влияние основных характеристик абразивного инструмента качество обработанной поверхности 79
3.4. Влияние скорости вращения хонинговальной головки и величины интервала её изменения при хонинговании с возрастающей скоростью резания на качество обработанной поверхности 87
3.5. Исследование микропрофиля обработанной поверхности после хонингования с возрастающей скоростью резания 100
3.6. Выводы 107
Глава 4. Исследование закономерностей износа абразивного инструмента при хонинговании с возрастающей скоростью резания 109
4.1. Вывод математических моделей зависимости износа абразивного инструмента от основных параметров обработки при хонинговании сталей перлитной и мартенситной структур 109
4.2 . Влияние основных характеристик абразивного инструмента на его износ при хонинговании 116
4.3. Влияние скорости вращения хонголовки и величины интервала её изменения при хонинговании с возрастающей скоростью резания на износ абразивного инструмента 124
4.4. Маркетинговое исследование 134
4.5. Выводы 136
Выводы по работе 139
Приложения 141
Список использованной литературы 153
- Анализ существующих способов хонингования с переменной скоростью резания
- Выбор схемы обработки, типа хонинговальной головки и приспособления для установки и крепления заготовок
- Влияние основных характеристик абразивного инструмента качество обработанной поверхности
- . Влияние основных характеристик абразивного инструмента на его износ при хонинговании
Введение к работе
Актуальность.
Основной задачей в современном машиностроении является повышение качества изделий. В настоящее время широко распространены абразивные методы повышения качества поверхностей деталей, среди которых одно из ведущих мест занимает хонингование.
Хонингование широко применяется при обработке пневмо- и гидроцилиндров, посадочных диаметров внутренних колец подшипников, зубчатых колёс и т. д. Данные изделия изготавливаются из сталей перлитной и мартенситной структур. Рассматриваемый способ обработки является одной из окончательных операций технологического процесса обработки и обеспечивает качество поверхности готовой детали, которое в значительной мере влияет на долговечность трущихся во время работы изделий.
Однако при хонинговании поверхностей деталей наблюдается проблема -большой износ абразивного инструмента. Также повышение требований к эксплуатационной стойкости и надёжности деталей машин вызывает необходимость повышения качества поверхностей изделий. Кроме того, современные технологические приемы должны иметь под собой четкую научную и практическую базу, что позволило бы максимально надежно и эффективно использовать возможности финишной обработки.
В настоящее время существует большое количество методик и способов совершенствования процесса хонингования. Однако во всех известных способах грани абразивного зерна периодически участвуют в съёме металла (колебание, вибрации, циклическое ускорение), что ухудшает режущие свойства грани абразивного зерна при каждом последующем её использовании. Это увеличивает износ инструмента и снижает производительность. Также при совпадении следов обработки на предыдущем и последующем ходе хонинговальной головки увеличивается их глубина, что ухудшает качество поверхности.
Поэтому для создания конкурентоспособной продукции необходимо совершенствование и создание новых, более прогрессивных и эффективных способов хонингования.
Цель работы. Повышение качества обработанной поверхности сталей перлитной и мартенситной структур и снижение износа абразивного инструмента путём создания нового способа хонингования с непрерывно возрастающей скоростью резания в течение времени процесса обработки.
Для выполнения данной цели были поставлены следующие задачи.
Рассмотреть существующие методы повышения качества обработанной поверхности и снижения износа абразивного инструмента при хонинговании.
Разработать новый способ хонингования с непрерывно возрастающей скоростью резания в течение времени цикла обработки.
Произвести проектирование и создание оборудования для реализации способа хонингования с возрастающей скоростью резания.
Исследовать формирование микропрофиля обработанной поверхности при хонинговании с возрастающей скоростью резания и рассмотреть влияние
основных параметров обработки на качество поверхности сталей перлитной и мартенситной структур.
Исследовать особенности износа абразивного инструмента и рассмотреть влияние основных параметров обработки на него при хонинговании с возрастающей скоростью резания сталей перлитной и мартенситной структур.
Разработать рекомендации по использованию рациональных режимов процесса хонингования сталей перлитной и мартенситной структур с непрерывно возрастающей скоростью резания.
Научная новизна работы.
На основании анализа выявленных недостатков существующих способов хонингования разработан новый способ хонингования с постоянно возрастающей скоростью вращения хонинговальной головки в заданных пределах в течение времени цикла обработки. Способ защищен патентом РФ № 2305620. Разработана методика осуществления данного способа.
Построены и обоснованы теоретически и экспериментально математические модели влияния основных факторов обработки при хонинговании разработанным способом с возрастающей скоростью резания на параметр шероховатости Ra обработанной поверхности и износ абразивного инструмента.
Практическая ценность работы.
На основе построенных математических моделей разработан модуль, позволяющий определять рациональные параметры процесса хонингования с возрастающей скоростью резания с целью получения требуемого качества обработанной поверхности при наименьших затратах.
Спроектирована и создана установка для реализации исследуемого способа хонингования с возрастающей скоростью резания на базе хонинго-вального станка и частотного преобразователя от производителя VESPER.
Апробация работы.
Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на международных научно-технических конференциях «Процессы абразивной обработки, абразивные инструменты и материалы. Шлифабразив», г. Волжский, 2005-2007 гг.; всероссийских конференциях «Прогрессивные технологии в обучении и производстве», г. Камышин, 2005-2006 гг.; международной научно-практической интернет-конференции «Современные направления теоретических и прикладных исследований», г. Одесса, 2007 г.; ежегодных конференциях профессорско-преподавательского состава ВолгГТУ, г. Волгоград, 2006-2009 гг.
По теме исследований был выигран конкурс грантов для молодых учёных ВолгГТУ 2008 г.
Публикации.
По результатам исследований опубликовано четырнадцать работ.
Структура и объём работы.
Диссертация состоит из введения, четырёх глав и общих выводов по работе, списка использованной литературы и двенадцати приложений. Содержит 161 страницу машинописного текста, 53 рисунка, 45 таблиц, 103 наименований литературы и 12 страниц приложений.
5. Полянчиков Ю.Н. Преимущества способа хонингования с возрастающей скоростью резания. / Полянчиков Ю.Н., Полянчикова М.Ю., Емельяненко А.А., Курсин О. А., Курченко А. И. // Известия ВолгГТУ. Серия «Прогрессивные технологии в машиностроении»: межвуз. сб. науч. ст. - Волгоград: ВолгГТУ, 2008. - вып. 4, № 9. - С. 38 - 39.
Статьи в других изданиях:
Полянчиков Ю. Н. Способ хонингования с непрерывным увеличением скорости резания. / Полянчиков Ю. Н., Полянчикова М. Ю., Курченко А. И., Курсин О. А. // Волжский технологический вестник. - Волгоград: ВолгГТУ, 2006.-№4.-С. 38-39.
Полянчиков Ю. Н. Проектирование однокомпонентного абразивного инстру-мента с заданной твёрдостью. / Полянчиков Ю. Н., Полянчикова М. Ю., Каленский К. В., Курсин О. А., Тибиркова М. А. // Инновационные технологии в обучении и производстве: материалы III Всероссийской конференции. -Камышин: КТИ (филиал) ВолгГТУ, 2005. - Т. 1. - С. 45 - 47.
3. Полянчиков Ю. Н. Особенности механизма износа абразивного
инструмента без связки. / Полянчиков Ю. Н., Полянчикова М. Ю.,
Курченко А. И., Курсин О. А., Лешуков А. В. // Прогрессивные технологии в
обучении и производстве: материалы IV Всероссийской конференции. -
Камышин: КТИ (филиал) ВолгГТУ, 2006. - Т. 2. - С. 92-93.
Полянчиков Ю. Н. Математическая модель производительности при хонинговании однокомпонентным абразивным инструментом. /Полянчиков Ю.Н., Полянчикова М. Ю., Емельяненко А. А., Кожевникова А. А., Каленский К. В., Курсин О. А. // Процессы абразивной обработки, абразивные инструменты и материалы. Шлифабразив-2005: сб. ст. Международной научно-технической конференции. - Волжский: ВИСиТ (филиал) ВолгГАСУ, 2005. - С. 129 - 131.
Полянчиков Ю. Н. Способ хонингования с непрерывным увеличением скорости резания. / Полянчиков Ю. Н., Полянчикова М. Ю., Курсин О. А., Лешуков А. В. // Процессы абразивной обработки, абразивные инструменты и материалы. Шлифабразив-2006: сб. ст. Международной научно-технической конференции. - Волжский: ВИСиТ (филиал) ВолгГАСУ, 2006. - С. 145 - 148.
Полянчиков Ю. Н. Изменение режущих свойств однокомпонентного абразивного инструмента путём изменения его структуры. /Полянчиков Ю. Н., Плотников А.Л., Полянчикова М.Ю., Курченко А.И., Курсин О.А. // Материаловедение и технология конструкционных материалов - важнейшие составляющие компетенции современного инженера. Проблемы качества технологической подготовки: сб. ст. Всеросс. совещ. зав. каф. материаловедения и конструкционных материалов. - Волжский: ВИСиТ (филиал) ВолгГАСУ, 2007. - С. 37 - 38.
7. Полянчиков Ю. Н. Особенности хонингования с постоянно
возрастающей скоростью резания. / Полянчиков Ю. Н., Полянчикова М. Ю.,
Курсин О. А., Лешуков А. В., Геронтиди Г. В. // Современные направления
теоретических и прикладных исследований: сб. науч. тр. по матер, междунар.
научно-практической конф. - Одесса: Черноморье, 2007. - Т. 3. - С. 47 - 50.
8. Пат. РФ № 2305620. Способ обработки отверстий. / Полянчиков Ю. Н.,
Полянчикова М. Ю., Курсин О. А., Кожевникова А. А. - Опубл. 10.09.2007 г.,
Бюллетень № 25, МПК В24В 1/00, В24В 33/02.
величины интервала её изменения. Пользуясь полученными зависимостями, возможно подобрать нужный абразивный инструмент и определить рациональные режимы обработки для получения требуемого качества изделия.
4. В ходе исследования полученных зависимостей установлено, что с
увеличением интервала изменения скорости вращения до 0,5 м/с параметр
шероховатости Ra обработанной поверхности падает в среднем на 27 % как на
сталях перлитной, так и на сталях мартенситной структуры, что значительно
повышает качество изделия.
В ходе анализа микрогеометрии исследуемой поверхности выяснилось, что повышение скорости вращения в течение цикла обработки увеличивает насыщенность материала в шероховатом слое, радиусы закругления микронеровностей, уменьшает глубину впадин и высоту выступов. Это положительно сказывается на эксплуатационных свойствах изделий.
В результате проведения комплексных исследований получены математические модели зависимости износа абразивных брусков от основных параметров хонингования с возрастающей скоростью резания. Пользуясь данными моделями, возможно подобрать нужный абразивный инструмент и определить рациональные режимы обработки с целью повышения износостойкости инструмента.
В результате анализа полученных зависимостей было установлено, что с увеличением интервала повышения скорости вращения хонголовки износ абразивных брусков падает в среднем на 28 % как на сталях перлитной, так и на сталях мартенситной структуры, что говорит о существенном снижении затрат на инструмент и, соответственно, затрат на изготовление изделий.
Повышение интервала изменения скорости вращения более 0,5 м/с не имеет смысла, так шероховатость поверхности и износ абразивного инструмента при этом снижаются незначительно.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах: Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК:
Полянчиков Ю. Н. Повышение качества поверхности хонингованием с возрастающей скоростью резания. / Полянчиков Ю. Н., Полянчикова М. Ю., Плотников А.Л., Курсин О.А., Лешуков А.В. // Технология машиностроения. -М: Машиностроение, 2008. -№ 4. - С. 15-16.
Полянчиков Ю. Н. Способ хонингования с возрастающей скоростью резания. /Полянчиков Ю.Н., Плотников А.Л., Полянчикова М.Ю., Курсин О.А., Лешуков А. В. // Станки и инструменты. - М.: Машиностроение, 2008. - № 4. -С. 34-36.
Полянчиков Ю. Н. Новый однокомпонентный абразивный инструмент. / Полянчиков Ю. Н., Плотников А. Л., Полянчикова М. Ю., Курченко А. И., Курсин О. А. // Станки и инструменты. - М.: Машиностроение, 2008. -№12.-С. 23.
Полянчиков Ю.Н. Структурные изменения абразивного инструмента без связки при его спекании. / Полянчиков Ю.Н., Полянчикова М.Ю., Курсин О.А., Курченко А. И., Геронтиди Г. В. // Известия ВолгГТУ. Серия «Прогрессивные технологии в машиностроении»: межвуз. сб. науч. ст. - Волгоград: ВолгГТУ, 2007. - вып. 3, № 4. - С. 73 - 75.
Анализ существующих способов хонингования с переменной скоростью резания
В современном машиностроении хонингование с изменением скорости резания в течение цикла обработки встречается очень редко. До сегодняшнего дня этот путь повышения качества обработанной поверхности и снижения износа абразивного инструмента при хонинговании мало изучен и редко встречается в научных работах учёных. Однако изменение скорости резания в течение цикла хонингования могло бы дать возможность значительно повысить результаты процесса обработки.
Впервые изменение скорости резания в процессе обработки при хонинговании предложил учёный Омского политехнического института Сухоруков Ю. Н. в 1973 году [2]. С целью устранения вибрационных явлений и вероятности поломки абразивного инструмента Ю. Н. Сухоруков предложил при хонинговании венцов зубчатых колёс обработку производить при переменных угловых скоростях в две стадии - разгона и торможения, которые периодически повторяются в течение цикла хонингования.
Продолжили тему изменения скорости резания в процессе хонингования учёные Шамшин С. Н. и Каплин В. И. [3]. С целью обеспечения получения конической поверхности отверстия они предложили скорость вращения и скорость возвратно-поступательного перемещения абразивного инструмента непрерывно изменять так, чтобы при движении инструмента в сторону вершины конуса, скорость его вращения уменьшалась, а скорость возвратно-поступательного перемещения увеличивалась.
Однако эти учёные в своих работах не ставили цели повышения качества обработанной поверхности и снижения износа абразивного инструмента при хонинговании.
Изменение скорости резания в течение цикла обработки с целью повышения качества обработанной поверхности и снижения износа абразивного инструмента при хонинговании рассматривали учёные Алимов С. П., Гринглаз Л. А., Куликов С. И., Ризванов Ф. Ф. и Романчук В. А.
Так, учёные Куликов С. И. и Ризванов Ф. Ф. [40] рассматривали изменение скорости вращения и скорости возвратно-поступательного движения хонголовки по синусоидальному закону. Романчук В. А. с целью обеспечения постоянства угла сетки следов обработки предлагает изменять скорость вращения хонголовки в зависимости от изменения скорости возвратно-поступательного движения в конце хода [10]. Алимов С. П. и Гринглаз Л. А. предлагают [53] изменять скорость резания пропорционально отношению текущей погрешности формы заготовки к максимальной погрешности формы, зафиксированной во время предыдущего хода хонголовки.
Таким образом, на сегодняшний день существуют следующие способы повышения качества обработанной поверхности и снижения износа абразивного инструмента при хонинговании с переменной скоростью резания:
1) изменение скорости вращения и скорости возвратно-поступательного движения хонинговальной головки по синусоидальному закону [40];
2) изменение скорости вращения хонинговальной головки в зависимости от изменения скорости возвратно-поступательного движения [10];
3) изменение скорости резания пропорционально отношению текущей погрешности формы обрабатываемой заготовки к максимальной погрешности формы, зафиксированной во время предыдущего хода [53].
Рассмотрим перечисленные способы повышения качества обработанной поверхности и снижения износа абразивного инструмента при хонинговании с переменной скоростью резания более подробно.
1) Учёные Куликов С. И. и Ризванов Ф. Ф. предлагают способ хонингования [40], при котором изменяют скорость вращения и скорость возвратно-поступательного движения хонинговальной головки по синусоидальному закону. В данной схеме обработки в качестве основных рабочих движений резания, приняты синусоидальные осевые 4 и вращательные 3 колебания, а вращательное 1 и возвратно-поступательное 2 движения хонголовки соответственно являются круговой и осевой подачами инструмента. При такой кинематике хонингования образуется растровая траектория движения зерен в виде фигур Лиссажу (рис. 1.8), образующих при правильном подборе параметров составляющих движений, равномерную густую сетку следов обработки. Сетка распределяется по площади криволинейного четырехугольника со сторонами, равными удвоенной амплитуде каждого колебательного движения. Равномерное распределение сеток по всей обрабатываемой поверхности обеспечивается за счет круговой и осевой подач.
При таких сетках ни одно из зерен не перемещается по траектории другого зерна, что обеспечивает интенсивное использование режущей способности абразивных брусков, дает образование мелкой легко удаляемой из зоны резания стружки. В результате существенно возрастает производительность металлосъёма и качество обрабатываемой поверхности.
Отрицательным моментом этого способа хонингования является то, что каждая грань абразивного зерна периодически участвует в съёме металла, что ухудшает режущие свойства грани абразивного зерна при каждом последующем её использовании и увеличивает износ инструмента.
Также при таком способе хонингования абразивное зерно движется под углом ас, изменяющемся в пределах от 0 до 90. Так, при угле ас = 90 абразивное зерно движется по сделанной царапине в одном направлении и снимает стружку постоянного сечения, а при угле сетки следов обработки ас 90 при прямом и обратном ходе хонинговальной головки абразивное зерно наносит царапины разных направлений и снимает стружку переменного сечения. С уменьшением угла ас угол между неровностями резко возрастает. Поэтому чем больше угол, тем интенсивнее должна сниматься стружка из-за растущего динамического действия силы Р7. Но с уменьшением отношения скорости вращения к скорости возвратно - поступательного движения, т.е. с уменьшением угла ас при прочих равных условиях возрастают съем металла и износ абразивных брусков. Следовательно, с увеличением угла ссс без повышения давления прижима брусков не сохраняется постоянный уровень съёма металла. Таким образом, при данном методе хонингования абразивные зерна перемещаются под углом ас лежащим в слишком больших пределах. Это не позволяет обеспечивать высокой производительности в течение всего цикла движения абразивного зерна и получать равномерную шероховатость обработанной поверхности.
2) Способ хонингования, при котором скорость вращения хонинговальной головки изменяют в зависимости от изменения скорости возвратно-поступательного движения в конце хода, предлагает Романчук В. А. [10]. В данной схеме обработки хонинговальная головка с разжатыми абразивными брусками совершает одновременно возвратно-поступательное движение и вращается с переменной скоростью. Изменения скорости вращения инструмента синхронизированы с изменением скорости возвратно-поступательного движения так, что отношение этих скоростей сохраняется постоянным по всей длине отверстия, подвергаемого хонингованию. Это достигается тем, что при разгоне и торможении возвратно-поступательного движения хонинговальнои головки в конце хода скорость вращения изменяют из условия постоянства отношения скорости вращения инструмента и его возвратно-поступательного движения, равного отношению этих скоростей в установившемся режиме хонингования. Это необходимо для получения сетки с одинаковой плотностью и одинаковым углом пересечения следов обработки по всей длине обрабатываемого отверстия, что в свою очередь существенно повышает качество обработанной поверхности и долговечность сопрягающихся деталей машин.
Однако при таком способе хонингования возникает большая вероятность попадания абразивного зерна в риску-царапину, сделанную при предыдущем ходе инструмента этим же абразивным зерном, что ухудшает качество обработанной поверхности. Также в процессе хонингования по данной схеме режущие грани каждого абразивного зерна периодически, при каждом ходе инструмента, участвуют в процессе резания, что ухудшает их режущие свойства. Это приводит к износу абразивного инструмента. Кроме того, вдоль следа обработки возникают наплывы металла вследствие выдавливания последнего абразивным зерном, что увеличивает шероховатость обработанной поверхности.
Выбор схемы обработки, типа хонинговальной головки и приспособления для установки и крепления заготовок
Выбор схемы обработки. В современном машиностроении процесс хонингования деталей машин осуществляется по одной из пяти широко распространённых схем (рис. 2.4) [32, 40, 91]. Рассмотрим данные схемы обработки и выберем наиболее подходящую из них.
В соответствии с первой схемой хонингования (рис. 2.4, а) предусмотрено жесткое крепление хона к шпинделю станка и плавающее крепление детали в приспособлении. Эта схема применима для деталей с параллельными опорными плоскостями и перпендикулярной к ним осью обрабатываемого отверстия, например, шатунов. Деталь при обработке не зажимается, а только ограничивается от поворота, вызываемого крутящим моментом [32].
Вторая схема (рис. 2.4, б) предусматривает жесткое крепление хона и обрабатываемой детали в плавающем приспособлении и применяется для обработки мелких и среднегабаритных деталей с опорной базовой плоскостью и перпендикулярной к ней осью отверстия [32].
Третья и четвертая схемы обработки (рис. 2.4, в, г) используются для хонингования крупногабаритных корпусных деталей типа блоков цилиндров. Хон закрепляется шарнирно, деталь - жестко. При несоосности шпинделя и обрабатываемого отверстия до 0,03...0,08 мм применяется одношарнирное крепление хона (рис. 2.4, в), а при несоосности более 0,08 мм - двухшарнирное (рис. 2.4, г) [40].
Пятая схема (рис. 2.4, д) находит применение при обработке длинных и точных отверстий, например, тонкостенных гильз, цилиндров блоков, корпусов гидрораспределителей, когда трудно обеспечить соосность шпинделя и обрабатываемого отверстия. В этом случае, кроме двухшарнирного крепления хона, деталь имеет плавающее крепление [40].
Так как при исследовании способа хонингования с возрастающей скоростью резания используются заготовки небольших размеров с опорной базовой плоскостью и перпендикулярной к ней осью отверстия, то выбираем вторую схему обработки с жестким креплением хонинговальнои головки и обрабатываемой детали в плавающем приспособлении (рис. 2.4, б).
Однако эта схема хонингования не обеспечивает компенсации непараллельности осей обрабатываемого отверстия и хонинговальнои головки, так как данное плавающее приспособление имеет возможность перемещаться только в одной плоскости и не имеет возможности наклона. Поэтому необходимо шарнирно закреплять хонинговальную головку (рис. 2.5 а) или плавающее приспособление (рис. 2.5 б).
Недостатком шарнирного закрепления хонголовки является то, что в случае непараллельности её оси с осью обрабатываемого отверстия шарнирное закрепление приводит к непрямолинейности оси хона [92], что приводит к возникновению радиальной составляющей Ррад силы возвратно-поступательного движения Р (рис. 2.5 а). Это ухудшает точность обрабатываемого отверстия. Также шарнирное закрепление хонголовки диаметром 0,03 м снижает надёжность последней и может привести к её поломке.
В случае шарнирного закрепления приспособления, сила Р возвратно-поступательного движения полностью переходит в осевую силу Рос (рис.2.5 б).
Поэтому для исследования способа хонингования с постоянно возрастающей скоростью окончательно принимаем схему обработки с жестким креплением хонинговальной головки и обрабатываемой детали в плавающем шарнирно закреплённом приспособлении.
Хонинговальная головка. Для реализации этой схемы хонингования изготовлена хонинговальная головка с жестким креплением [39, 91], которая представлена на рис. 2.6. Данная хонголовка предназначена для установки и закрепления комплекта хонинговальных брусков, обеспечения их регулируемой радиальной подачи, а также для удобного автоматического разжатия брусков после ввода её в обрабатываемое отверстие и сжатия их перед выводом хона после окончания обработки.
Представленная хонинговальная головка состоит из корпуса 1, который жёстко закрепляется в шпинделе станка 2. В пазах корпуса 1 устанавливаются 4 державки с абразивными брусками 3. Усилие разжима к державкам 3 передаётся через шток 5 и коническую иглу разжима 4. Сжатие абразивных брусков в конце цикла обработки производится после подъёма иглы разжима 4 пружиной 6.
Приспособление для крепления заготовок. Также для реализации выбранной схемы хонингования предложено техническое решение плавающего шарнирно закреплённого приспособления, представленного на рисунке 2.7.
Данное приспособление состоит из муфты 3, закреплённой на основании двумя полуосями 4 с возможностью перемещения в горизонтальном направлении и наклона относительно этих полуосей. Обрабатываемая заготовка 1 устанавливается в муфту 3 также на двух полуосях 5 с возможностью перемещения в горизонтальном направлении, перпендикулярном направлению перемещения муфты, и возможностью наклона относительно полуосей 5, перпендикулярных полуосям 4.
При таком закреплении обрабатываемая заготовка 1 может свободно перемещаться в пределах 0,006 м в любом горизонтальном направлении относительно основания 2 на двух взаимно перпендикулярных осях. Заготовка также имеет возможность изменять направление своей оси в пределах 5 относительно вертикального положения.
Таким образом, обрабатываемая заготовка, закреплённая в данном приспособлении, лишается лишь возможности поворота вокруг своей оси и перемещения в вертикальном направлении, и базируется на жёстко закреплённой хонинговальной головке. Такая схема обработки обеспечивает высокую точность обрабатываемого отверстия и надёжность процесса обработки.
Влияние основных характеристик абразивного инструмента качество обработанной поверхности
В условиях современного производства требуется, прежде всего, повышать качество изделий, а не их количество [99]. Поэтому на финишных операциях необходимо учитывать влияние параметров обработки, прежде всего, на показатели шероховатости.
Для анализа влияния исследуемых параметров на качество обработанной поверхности после хонингования с возрастающей скоростью резания необходимо получить частные виды построенных математических моделей [42] и построить графики зависимости параметра шероховатости Ra от данных факторов. Подставим в общие модели некоторые средние значения исследуемых параметров (таблица 3.15).
Выведем сначала уравнения влияния зернистости абразивного инструмента на параметр шероховатости Ra обработанной поверхности.
Для этого рассмотрим зависимости, полученные после обработки сталей перлитной структуры.
Построим данные зависимости для стали 45 в нормализованном состоянии. Для этого в математическую модель (3.28) подставим принятые значения факторов Х2 и Х3 (таблица 3.15) и получим:
- при постоянной скорости вращения (интервал изменения скорости Х4 = 0): f45.i(X,) = 0,38-X10 58 (3.43)
- при возрастающей скорости вращения (интервал изменения Х4 = 0,5 м/с): f45.2(X0 = 0,29 X,0 58 (3.44)
Аналогично из модели (3.34) определим зависимости параметра Ra от зернистости брусков при обработке стали ШХ15 в нормализованном состоянии:
- при постоянной скорости вращения (интервал изменения скорости Х4 = 0): fmxi5.i(Xi) = 0,37-X10 55 (3.45)
- при возрастающей скорости вращения (интервал изменения Х4 = 0,5 м/с): fuixi5.2(X,) = 0,28 X,0-55 (3.46)
На рис. 3.2 представлены эмпирические кривые зависимости параметра шероховатости Ra от зернистости абразивного инструмента.
Далее выведем зависимости параметра шероховатости Ra от зернистости абразивного инструмента при хонинговании сталей мартенситной структуры.Аналогично из модели (3.42) определим зависимости параметра Ra от зернистости инструмента при обработке стали ШХ 15 в закалённом состоянии:
- при постоянной скорости вращения (интервал изменения скорости Х4 = 0): fmxi5.i(X1) = 0,19-X10 39 (3.49)
- при возрастающей скорости вращения (интервал изменения Х4 = 0,5 м/с): fmxi5.2(X1) = 0,14-X10 39 (3.50)
Для иллюстрирования адекватности полученных математических моделей на графиках представлены кривые 5, построенные по моделям, выведенным на стали 45 в нормализованном и закалённом состояниях. Отклонения данных зависимостей от соответствующих эмпирических кривых, построенных по результатам экспериментов, не превышают 7,45 % (0,109 мкм для стали 45 перлитной структуры и 0,069 мкм для мартенситной), что не выходит за границы доверительного интервала [42]. Это свидетельствует о том, что модель достаточно хорошо описывает процесс и является вполне адекватной.
По полученным кривым проанализируем влияние зернистости абразивного инструмента при хонинговании с возрастающей скоростью резания на основной параметр шероховатости обработанной поверхности -величину среднего арифметического отклонения профиля Ra [46].
Как видно из полученных зависимостей значительное влияние на параметр шероховатости Ra оказывает зернистость инструмента. Так, с увеличением номера зернистости абразивного инструмента возрастает шероховатость поверхности.
Это происходит в первую очередь благодаря тому, что с увеличением размеров абразивных зёрен уменьшается их количество и увеличиваются расстояния между ними. Приводит это к увеличению глубины внедрения зёрен в обрабатываемый материал, что увеличивает относительное количество упруго-пластически контактирующих (режущих) зёрен в динамике [84, 98], сечение единичных срезов и, соответственно, среднюю площадь пластического контакта зерна с обрабатываемой поверхностью [97]. С увеличением площади пластического контакта абразивного зерна происходит более интенсивное затупление зёрен и образование значительных площадок износа, что увеличивает силы контактного взаимодействия [34, 70]. Благодаря увеличению глубины внедрения выступающих зёрен и сил контактного взаимодействия профиль риски-царапины на обрабатываемой поверхности имеет большую глубину, и на сталях перлитной структуры появляются значительные наплывы вдоль следа обработки, что увеличивает параметр шероховатости Ra.
При обработке сталей мартенситной структуры наплывы обрабатываемого материала образовываются в меньшей степени. Вместо этого происходит образование микротрещин вдоль следа обработки [44, 103], так как данные стали имеют более высокую твёрдость и, соответственно, менее пластичны. Также вследствие повышенной твёрдости обрабатываемого материала абразивные зёрна внедряются в него на меньшую глубину [95]. Поэтому при изменении размера основной фракции зёрен инструмента от 100 мкм до 160 мкм, среднее арифметическое отклонение профиля Ra поверхности сталей перлитной структуры возрастает в среднем на 25,5 % (рис. 3.2), а сталей мартенситной структуры лишь на 18,7 % (рис. 3.3). Также среднее значение параметра шероховатости Ra на сталях мартенситной структуры гораздо ниже.
Аналогичные явления наблюдаются при обработке стали ШХ 15. Так, благодаря повышенному содержанию хрома (1,5%) твёрдость и хрупкость стали ШХ 15 значительно выше [72], чем стали 45 в нормализованном и закалённом состояниях. Это уменьшает величину наплывов вдоль следа обработки и глубину внедрения режущих зёрен, что уменьшает интенсивность роста параметра шероховатости Ra от зернистости и его значение в среднем.
Однако угол атаки профиля с увеличением зернистости уменьшается [30]. Это повышает режущую способность абразивного инструмента и, соответственно, производительность процесса обработки [66, 96], что подтвердилось в ходе пробных экспериментов.
Из графиков также видно падение шероховатости поверхности детали при обработке хонингованием с возрастающей скоростью резания. Это явление с точки зрения физики процесса подробно рассмотрено в следующем разделе.
Далее определим влияние твёрдости абразивного инструмента на величину среднего арифметического отклонения профиля Ra обработанной поверхности.
Сначала рассмотрим зависимости, полученные после обработки сталей перлитной структуры.
Далее выведем зависимости параметра шероховатости Ra от твёрдости абразивного инструмента при хонинговании сталей мартенситной структуры.
Для построения зависимостей на стали 45 в закалённом состоянии подставим в модель (3.38) значения факторов X] и Х3 (таблица 3.15) и получим: - при постоянной скорости вращения (интервал изменения скорости Х4 = 0).
Для иллюстрирования адекватности полученных математических моделей на графиках представлены теоретические кривые 5, построенные по моделям. Как видно из графиков, отклонения соответствующих эмпирических зависимостей от данных кривых не превышают 6,9 %, что не выходит за границы доверительного интервала [42]. Это свидетельствует о том, что модель вполне адекватна.
По полученным кривым проанализируем влияние степени твёрдости абразивного инструмента при хонинговании с возрастающей скоростью резания на величину среднего арифметического отклонения профиля Ra [46].
Из построенных графиков видно отрицательное влияние твёрдости инструмента на качество обработанной поверхности, но в гораздо меньшей степени, чем зернистости. Рассмотрим это с точки зрения физики процесса.
. Влияние основных характеристик абразивного инструмента на его износ при хонинговании
С целью обеспечения конкурентоспособности выпускаемой продукции в условиях современного производства необходимо снижать её стоимость и, соответственно, себестоимость изготовления. Для этого нужно снижать расходы на один из основных [101] источников затрат - обрабатывающий инструмент. Данные расходы возможно сократить с помощью снижения износа инструмента (в нашем случае - абразивных брусков) путём правильного подбора параметров обработки. Для этого проанализируем влияние исследуемых факторов хонингования с возрастающей скоростью резания на износ брусков.
Для анализа влияния параметров обработки на износ абразивного инструмента при хонинговании с возрастающей скоростью необходимо получить частные виды выведенных математических моделей путём подстановки в них некоторых средних значений исследуемых параметров [42] (таблица 3.15)j и построить графики зависимости исследуемой функции от данных факторов.
Выведем сначала уравнения влияния зернистости абразивного инструмента на его износ при обработке хонингованием.
Рассмотрим зависимости, полученные после хонингования сталей перлитной структуры.
Построим данные зависимости для стали 45 в нормализованном состоянии. Для этого в математическую модель (4.4) подставим принятые значения факторов Х2 и Х3 (таблица 3.15) и получим - при постоянной скорости вращения (интервал изменения скорости Х4 = 0).
Для иллюстрирования адекватности полученных математических моделей на графиках представлены теоретические кривые 5, построенные по математическим моделям на стали 45 в нормализованном и закалённом состояниях. Отклонения соответствующих эмпирических зависимостей, построенных по результатам предварительных экспериментов, от данных кривых не превышают 6,33 % (0,167 мм3/с для стали 45 перлитной структуры и 0,139 мм3/с для мартенситной), что не выходит за границы доверительного интервала [42]. Это свидетельствует о том, что модель достаточно хорошо описывает процесс и является вполне адекватной.
По полученным кривым проанализируем влияние зернистости абразивного инструмента на интенсивность его износа при хонинговании с возрастающей скоростью вращения хонголовки [59]. Как видно из полученных зависимостей отрицательное влияние на износостойкость абразивного инструмента оказывает его зернистость. Рассмотрим это с точки зрения физики процесса обработки.
Происходит это благодаря тому, что с увеличением размеров абразивных зёрен уменьшается их количество, и увеличиваются расстояния между ними. Приводит это к увеличению глубины внедрения зёрен в обрабатываемый материал, что увеличивает относительное количество упруго-пластически контактирующих (режущих) зёрен в динамике [84, 98], сечение единичных срезов и, соответственно, среднюю площадь пластического контакта зерна с обрабатываемой поверхностью [97]. С увеличением площади пластического контакта абразивного зерна происходит более интенсивное затупление зёрен и образование значительных площадок износа, что увеличивает силы контактного взаимодействия [34, 70] и интенсивность истирания зерна. Благодаря увеличению глубины внедрения выступающих зёрен и сил контактного взаимодействия также возрастает вероятность вырывания режущего абразивного зерна из связки [82], т.е. повышается эффект самозатачивания. Вследствие этого возрастает интенсивность износа абразивного инструмента в процессе обработки.
Кроме того, с увеличением зернистости инструмента и, соответственно, площади сечения единичных срезов возрастает размер стружки, снимаемой одним зерном. Увеличенные размеры сечений и объемов стружки при обработке стали вызывают необходимость обеспечения повышенных объемов зазора в контакте инструмент - деталь для её размещения и выхода из зоны резания. Коэффициент запаса объема для размещения стружки [80] при обработке сталей мартенситной структуры составляет 200 - 300, а при обработке сталей перлитной структуры - 300 - 500. Такие повышенные объемы в контакте при обработке сталей ослабляют удержание зёрен связкой, что в сочетании с большими силами резания приводит к значительным удельным расходам абразивного инструмента.
Поэтому на сталях мартенситной структуры наблюдается меньший износ брусков, чем при обработке сталей перлитной структуры. Так, при изменении размера основной фракции зёрен инструмента от 100 мкм до 160 мкм, износ брусков при обработке сталей перлитной структуры возрастает в среднем на 15,5 % (рис. 4.1), а сталей мартенситной структуры лишь на 12,2 % (рис. 4.2). Также вследствие меньшей глубины внедрения абразивных зёрен в материал детали и, соответственно, меньших сил контактного взаимодействия [19] при обработке сталей мартенситной структуры среднее значение величины износа инструмента гораздо ниже.
Аналогичные явления наблюдаются при обработке стали ШХ 15. Так, благодаря повышенному содержанию хрома (1,5%) твёрдость и хрупкость данной стали выше, чем стали 45 в нормализованном и закалённом состояниях [72]. Это уменьшает глубину внедрения зёрен в обрабатываемый материал, силы контактного взаимодействия и размеры снимаемой стружки, что снижает интенсивность повышения износа брусков и его значение в среднем. Однако сталь ШХ 15 в нормализованном состоянии по физико-механическим свойствам отличается от стали 45 в меньшей степени, чем в закалённом, а присутствие легирующих элементов способствует более интенсивному [44] истиранию зёрен, что увеличивает величину износа брусков в среднем (рис. 4.1).
Из графиков также видно уменьшение величины износа инструмента при обработке хонингованием с возрастающей скоростью резания. Это явление с точки зрения физики процесса подробно рассмотрено в следующем разделе.
Далее определим влияние твёрдости абразивного инструмента на величину его износа при хонинговании. Сначала рассмотрим зависимости, полученные после обработки сталей перлитной структуры.
Для иллюстрирования адекватности полученных математических моделей на графиках представлены теоретические кривые 5, построенные по моделям. Как видно из графиков, отклонения соответствующих эмпирических зависимостей от данных кривых не превышают 6,37 %, что входит в доверительный интервал [42]. Это свидетельствует о том, что модель вполне адекватна.
По полученным кривым рассмотрим влияние степени твёрдости абразивного инструмента при хонинговании с возрастающей скоростью резания на величину его износа в ходе процесса обработки.
Из построенных графиков видно, что с повышением твёрдости брусков значительно снижается их износ. Проанализируем полученные результаты.
Как уже говорилось в предыдущей главе, твердость абразивного инструмента зависит от количества и качества связки, вида абразивного материала, степени шероховатости и конфигурации абразивных зерен и от технологического процесса изготовления инструмента (давления прессования, режима термической обработки и т.д.) [67]. В наших исследованиях все факторы, кроме количества связки, являлись равными. Поэтому в данном случае твёрдость определяется лишь количеством связующего материала, введенного в инструмент, что характеризует прочность удержания абразивных зёрен. Так, с увеличением связки повышается твёрдость инструмента [28] и прочность удержания зёрен в инструменте. Расстояние между зернами остается неизменным.
Вследствие этого, твёрдость абразивного инструмента в значительной мере влияет на величину износа и его механизм. Так, при малом количестве связки прочность закрепления зёрен ниже прочности самого абразивного зерна и износ протекает в основном за счет выкрашивания зерен, а абразивный инструмент работает в режиме самозатачивания [84]. С повышением объёмной доли связки в инструменте прочность зерна оказывается ниже прочности его закрепления, и износ протекает частично за счет хрупкого разрушения, скалывания зёрен и за счет их истирания [94], что в меньшей степени отражается на суммарном износе брусков [37].
