Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса. цель и задачи, онцая методика и условия проввдения экспеишентажшх исследований 19
1.1. Анализ уровня производительности деиствущих технологических процессов и по экспериментальным данным из литературных источников 19
1.2. Цель и задачи исследований 26
1.3. Общая методика и условия проведения экспериментальных исследований 30
1.3.1. Модернизация оборудования для глубинного алмазного шлифования 31
1.3.2. Измерительная аппаратура и приборы 37
1.3.3. Обрабатываемые материалы и алмазные круги 38
1.4. Структурно-Логическая схема исследований 41
2. Аналитическое обоснование оптимальной схемы круглого продольного шлифования . 44
2.1. Анализ кинематических схем круглого продольного шлифования 46
2.2. Условие равномерного износа круга вдоль его образующей при круглом шлифовании с продольной подачей 57
2.2.1. Модель размерного износа круга вдоль его образующей при круглом продольном шлифовании и выбор аппрокси-мирущей функции. 58
2.2.2. Аналитическая зависимость размерного износа круга вдоль его образующей от долевой продольной подачи 63
2.2.3. Характер зависимости "удельный объемный износ круга - долевая продольная подача" 69
2.3. Оптимальное управление нагруженностью рабочего слоя алмазно-абразивного инструмента с помощью параметров механического режима процесса шлифования 73
2.3.1. Параметры рабочего рельефа, определяющие работоспособность шлифовальных крутов 73
2.3.2. Модель рабочего рельефа алмазно-абразивного инструмента в условиях реального процесса 80
2.3.3. Условия стабилизации абразивного рельефа, безударного контакта круга с изделием и эффективной эксплуатации шлифовального инструмента 85
3. Математическая модель механизма. износа алмазно-абразивного инструмента при глушнном шлифовании 92
3.1. Вероятностно-структурная модель размерного износа алмазно-абразивного инструмента с учетом баланса различных видов износа 94
3.2. Влияние контактного давления и напряженного состояния в зерне с площадкой износа на механизм износа алмазно-абразивного инструмента 102
3.3. Анализ характера изменения величины скола зерна от глубины микрорезания 109
3.4. Обобщенное уравнение размерного износа 112
3.5. Анализ характера зависимостей скорости линейного износа и удельного расхода абразивного материала от основных параметров механического режима обработки 119
3.6. Условие рациональной эксплуатации алмазно-абразивного инструмента 123
4. Экспериментальные исследования основных технико-экономических и физических показателей процесса алмазного глубинного шлифования 128
4.1. Износостойкость алмазных кругов при круглом продольном шлифовании изделий с прерывистыми поверхностями. 128
4.1.1. Общая оценка эффективности глубинного шлифования. 129
4.1.2. Влияние параметров механического режима обработки 133
4.2. Экспресс-методика исследования износостойкости алмазных кругов при глубинном шлифовании с малыми скоростями обрабатываемого изделия и выбора оптимальной производительности процесса, реализущей наименьший удельный расход абразива 144
4.3. Производительность исследуемого процесса и износостойкость алмазных кругов различных характеристик 149
4.4. Силовые и энергетические характеристики процесса. 153
4.5. Экспресс-методика исследования силовых и энергетических характеристик глубинного шлифования 163
4.6. Шероховатость обработанной поверхности 166
4.7. Остаточные напряжения 1-го рода и тонкая кристаллическая структура в поверхностных слоях твердого сплава. IV3
4.8. Оптимизация процесса алмазного глубинного шлифования твердосплавных многолезвийных инструментов 176
4.9. Внедрение результатов исследований и технико-экономическая эффективность процесса 180
5. Повышение работоспособности шлифовальных кругов в условиях иссвдшюго процесса 187
5.1. Природа повышенного износа абразивных кругов при шлифовании прерывистых поверхностей 187
5.2. Шлифование прерывистых поверхностей с неравномерным вращением обрабатываемого изделия 195
Список использованных источников 218
Приложения
- Общая методика и условия проведения экспериментальных исследований
- Условие равномерного износа круга вдоль его образующей при круглом шлифовании с продольной подачей
- Влияние контактного давления и напряженного состояния в зерне с площадкой износа на механизм износа алмазно-абразивного инструмента
- Экспресс-методика исследования износостойкости алмазных кругов при глубинном шлифовании с малыми скоростями обрабатываемого изделия и выбора оптимальной производительности процесса, реализущей наименьший удельный расход абразива
Общая методика и условия проведения экспериментальных исследований
Исследования ударно-циклического взаимодействия элементов прерывистой поверхности изделия с рабочей поверхностью круга, выполненные автором на кафедре резания материалов и режущих инструментов ХШ им.В.И.Ленина /124/ по тематике проблемной научно-исследовательской лаборатории физики процессов резания инструментов из сверхтвердых поликристаллических материалов им. М.Ф.Семко в соответствии с заданием ГКНТ СССР 0.16.05.04.24 (Постановление В 515/271 от 29.12.81), а также обоснование целесообразности решения проблемы полной замены абразивной обработки твердосплавного многолезвийного инструмента на алмазную посредством реализации глубинной схемы круглого шлифования, обусловили необходимость модернизации станочного оборудования и установки дополнительного устройства для непрерывной правки кругов на металлических связках электрохимическим способом.
Ориентация работы на внедрение в инструментальное производство алмазных кругов на износостойких несамозатачиващихся металлических связках предопределила номенклатуру исследуемых характеристик кругов, серийно изготовляемых алмазной подотраслью. Необходимость электрохимического воздействия на режущий рельеф алмазного инструмента с целью обеспечения его высокой и стабильной работоспособности потребовала разработки методики оценки эффективности кругов из СТМ и влияния приработки их рабочей поверхности после правки /130/.
Поставленные задачи решались аналитически (моделированием изучаемых явлений) и экспериментально. При этом теоретические исследования предопределили направленность экспериментального поиска и послужили базой к разработке специальных методик, которые в совокупности с расчетными схемами и штематическим обеспечением приводятся в соответствующих разделах.
Работоспособность алмазных кругов оценивалась основными показателями, непосредственно определяющими качество шлифованных . поверхностей и удельную себестоимость операции. Исследования проводились в лабораторных и заводских условиях, при этом использовались стандартные средства измерений, а результаты обрабатывались известными методами математической статистики.
Для проведения экспериментальных исследований по глубинному шлифованию твердосплавного многолезвийного инструмента (в частности, двух- и трехсторонних дисковых и торцовых фрез, оснащенных ножами с напайными твердосплавными пластинами - ГОСТ 6469-69, 5348-69, 8529-69) предварительно была осуществлена модернизация круглопшифовального станка мод. ЗБІ2, главным объектотл которой явились привод вращения изделия от электродвигателя постоянного тока и устройство для электролитической (электрохимической) правки (очистки) алмазных кругов прямого профиля на металлических (то-копроводящих и наиболее эффективных в условиях высокопроизводительного процесса) связках. Модернизация привода вращения обрабатываемого изделия на базовом станке (рис. I.I) была направлена на осуществление возможности значительного снижения частоты вращения изделия для получения малых значение его окружных скоростей (при соответственно больших поперечных подачах) с широким диапазоном варьирования \1 иъд = I 10 м/мин (при наружном диаметре изделия 150 170 мм) и конструктивно решена установкой червячного редуктора, который одновременно позволил увеличить крутящий момент, передаваемый на изделие (с учетом возможных больших усилий резания в исследуемом процессе) и жесткость привода в целом (рис.1.2 и 1.3). Последнее достигнуто также увеличением жесткости поводкового устройства, которое, в свою очередь, конструктивно выполнено таким образом, что позволяет исследовать также процесс глубинного шлифования по наружному диаметру прерывистых поверхностей в условиях упругого нагружения режущего рельефа круга за счет периодической работы упругих элементов (пружин растяжения или кручения) в самом поводке (рис. 1.4), а полученные результаты при этом дают предпосылки к созданию нового высокоэффективного технологического процесса круглого алмазного шлифования многолезвийного инструмента - см. раздел 5.2.
Условие равномерного износа круга вдоль его образующей при круглом шлифовании с продольной подачей
Износ алмазно-абразивного инструмента является важнейшим показателем его работоспособности, доминирующим фактором, определяющим эффективность процесса шлифования. Однако, если вопросу исследования состояния режущей поверхности как комплексу важнейших параметров алмазных кругов, определяющих их режущие свойства, износостойкость и другие характеристики процесса в целом, в настоящее время посвящено много работ /22,108,154 и др то исследованию закономерностей износа режущей поверхности все еще уделяется мало внимания, а имеющиеся публикации /51,114/ такого направления носят экспериментальный характер. Одной из таких закономерностей, подлежащих изучению как важная теоретическая задача при оптимизации процесса круглого шлифования, является описание характера износа алмазно-абразивных кругов вдоль его образующей. А значимость этой проблемы приобретает еще больший вес при автоматизированных процессах шлифования и особенно при съеме больших припусков /134/. Развитие данного вопроса позволило установить влияние некоторых технологических параметров на характер размерного износа крута, определяющий его профиль, обоснованно рекомендовать одно из направлений повышения эффективности круглого глубинного шлифования с продольной подачей, которое является составной частью и необходимым условием конкурентноспособности процесса алмазного шлифования твердосплавных изделий с прерывистыми поверхностями.
При решении этой задачи в основу математической модели положено уравнение баланса перемещений в технологической системе: поперечная подача (подача на глубину резания) "расходуется" на радиальный съем металла (с фактической глубиной шлифования, износ круга и упругие деформации системы СПИД.
Предполагая, что величина радиального износа шлифовального круга в каждой точке на его образующей в основном зависит от величины объема снятого материала абразивными зернами, лежащими на поверхности инструмента в осевом сечении, проходящем через данную точку, получаем исходную зависимость: где- ) (X, Т ) - линейный износ круга в точке с абсциссой "X" на образующей за время с , мм; L (Л , ZT ) - путь, прохо дящий точкой (зерном) с абсциссой "X" на образующей круга за время " (длина винтовой линии на цилиндрической поверхности), мм; ф ( Л ) - фактическая глубина резания в точке с абсциссой "X" на образующей круга, мм; /м- коэффициент пропорциональнос ти, определяющий влияние на величину Л ( Л , ) характерис тики круга, физико-механических свойств обрабатываемого мате риала, а также влияние форды и площади сечения единичных сре зов абразивными зернами, зависящими от параметров механичес кого режима обработки ( VКр, У 3 , ТФ , О о ) и геометрических параметров системы "крут - изделие" ), мм . Величину L (Л , " ) определим как длину винтовой линии на цилиндрической поверхности с образующей длиной где yU - диаметр обрабатываемого изделия, мм; /2. - частота вращения изделия, мин""1. В этом случае уравнение (2.7) принимает вид Поскольку фактическая глубина резания является величиной переменной во времени, ввиду нежесткости системы СІЩ и размерного износа круга, то в общем виде линейный износ абразивного инструмента в каждой его точке "X" за время L определяется зависимостью: где ї (Х/ продолжительность активного контакта ( Іф Ф 0) точки с абсциссой "X" на образующей с изделием, мин. Фактическая глубина резания іф ( Л , Т ) в зависимости (2.10) является сложной функцией и непосредственно зависит от величины размерного износа где Тф (Л , Т ) - фактическая глубина резания без учета влияния размерного (линейного) износа инструмента, т.е. глубина, определяемая поперечной подачей Ъпоп ти отжатием ввиду нежесткости системы СПИД. А потому в самом общем виде зависимость ( /1 , Т) может быть представлена с учетом (2.10) и (2. II) в виде линейного интегрального уравнения где U = К » df T/ Jjf- fС. /})2 "" числовой параметр интеграль- износ шлифовального круга, юл. Для абразивных кругов формы Ш при предшествующей механической правке AJ(A/-L/, а поэтому в этом случае в уравнении (2.14) правая часть будет содержать лишь первое слагаемое. Полученная общая зависимость (2.14) для определения вели чины Л в каждой точке образующей круга за определенное время Т" не может быть принята в качестве расчетной по той причине, что подынтегральная функция является чрезвычайно сложной зави симостью параметров Л и 2Г (Л/. При этом не представляется возможности ее определения в явном виде с учетом периодичности в каждом проходе. А потому принимаем такую модель износа круга вдоль его образующей, в которой влияние износа на факти ческую глубину резания отражено динамикой рельефообразования, а общую нагрузку на абразивный инструмент определяем условным изно сом на его рабочем участке по зависимости (2.10) ,г заменив при этом параметр на параметр Динамика формообразования макрорельефа круга вдоль его образующей такова, что износ на любом участке приводит к уменьшению Т-Ф (2.II), а это в свою очередь приводит к перераспределению неизношенной или малоизношенной его части с убывающим значением и при достаточно продолжительном процессе устанавливается стабильный макрорельеф образующей крута в строгом соответствии со скоростью продольной передачи (т.е. с величиной J9 ).
Влияние контактного давления и напряженного состояния в зерне с площадкой износа на механизм износа алмазно-абразивного инструмента
Влияние нормального (радиального) давления на абразивную поверхность со стороны обрабатываемого изделия на износ инструмента исследовалось в работах /17, 21, 31, 43, 66, 69, 112, 151, 159, 167, 170/. При этом отмечается, что величина контактного давления в значительной мере определяет характер износа и величину удельного расхода абразивного материала. С учетом этого положения и при допущении об одинаковом характере зависимости из-носов v/l2 и -Л5 от этого параметра, а также при условии равномерного (установившегося) во времени Ґ износа определим величины Л и i3 в уравнении (3.3) произведениями: где К Л коэффициент, характеризующий интенсивность износа и являющийся функцией параметров механического режима обработки, характеристик абразивного инструмента и свойство обрабатываемого материала; представленный по аналогии с интенсивностью изнашива-, ния в виде степенной зависимости от величины нормального давления г ( VL - степень влияния давления на износ i ); "(Q-z) - линейный размер отколовшейся части зерна под действием сил /у/ и /І/ (рис. 3.5); П - среднестатистическая (модальная /22/) величина виступання зерна над уровнем связки (рис. 3.5). С учетом (3.6) и (3.7) зависимость (3.3) принимает вид: где [Ь П - параметр, устанавливающий влияние контактного давления на механизм износа абразивного рельефа.
Превалирующим механизмом разрушения (основной причиной износа) абразивного (в т.ч. алмазного) зерна на рабочей поверхности шлифовального круга является его хрупкое разрушение (скол, растрескивание) /83, 97, 142, 168/, которое происходит путем отрыва микрообъемов зерен или крупными сколами. Обычно разрушение происходит на некотором расстоянии от режущей кромки зерна. Этот факт является свидетельством того, что хрупкое разрушение зерен вызвано механическими напряжениями. Представляется маловероятным, что причиной трещинообразования в зерне могут быть термические напряжения, поскольку пиковые значения температуры и наибольший температурный градиент находится вне областей, удаленных с зерна при его разрушении. Кроме того, теоретический анализ термических напряжении, вызванных пульсирующим источником тепла, показывает, что их величина недостаточна для того, чтобы вызвать разрушение зерен /168/.
Теория прочности, которая используется для хрупких неме таллических материалов, представляет собой теорию максимальных напряжений. Согласно этой теории элементы конструкций разрушаются в том случае, когда растягивающие напряжения достигают предела прочности материала, определяемого на основе испытаний образцов при простом (одноосном) растяжении /132/, Это положение полностью согласуется с выводами в работе /168/: наиболее вероятно, что причиной разрушения абразивных зерен являются напряжения растяжения, механические по своей природе, а не напряжения сжатия; наилучшим показателем интенсивности износа абразивного круга при различных условиях его эксплуатации является величина растягивающих напряжений в абразивных зернах; более высокие значения растягивающих напряжений означают большую вероятность разрушения и вы-рыва зерен. Исходя из этого положения определим величину Л как ординату наибольших растягивающий напряжений, возникающих в теле зерна под действием двух сил - силы М/у , приложенной перпендикулярно площадке износа и силы rz/ » представляющей собой силу стружкообразования, приложенную параллельно площадке износа. Аналогичный подход к определению величины отколовшейся части зерна (как расстояние от вершины зерна до места действия наибольших растягивающих напряжений, приводящих к его разрушению) имеем место в работах /93, 95, 97/.
Экспресс-методика исследования износостойкости алмазных кругов при глубинном шлифовании с малыми скоростями обрабатываемого изделия и выбора оптимальной производительности процесса, реализущей наименьший удельный расход абразива
Аналитически обоснованный и экспериментально установленный (см. раздел 4) экстремальный характер (наличие минимумов функции) удельного расхода абразивного материала от параметров механического режима обработки Миъд и L в условиях глубинного шлифования предполагает в этом случае некоторую отличительную особенность в механизме износа алмазно-абразивного инструмента при определенной нагрузке на режущий рельеф, оцениваемой средней толщиной единичных срезов или средней площадью сечения этих срезов. Основываясь на предложенной модели размерного износа, в основе которой лежит доминирующая роль хрупкого разрушения эффективных зерен и разрушение связующего в совокупности с долевым (вероятностным) вкладом каждого вида износа в общий, проанализируем механизм износа в области оптимальных режимов обработки (оптимальной толщины среза 0-го), минимизирующих величину удельного расхода абразивного материала, с целью последующего установления особенности в механизме разрушения режущего рельефа. Условие Не имея достоверных аналитических выражении У\г ( &а) и Г2 ( &), полученное уравнение (3.41) не может быть строго разрешено относительно "особой" точки Q-ъ О- о» удовлетворяющей (3.41), а следовательно и условию CL-ГПЦЪ . А поэтому принимаем другой подход к определению условия рациональнлй эксплуатации ( 0, ГПШ) абразивного инструмента при глубинном шлифовании, заключающийся в анализе знаков всех членов, входящих в уравнение (3.41) с последующим определением наиболее вероятного условия превращения суммы в их нулевое значение. Рассматривая первое слагаемое левой части уравнения (3.41), отметим, что Лз У U и Гъ (&г) согласно рис. 3.1 и (3.4) непрерывно возрастающая функция с производной Рассматривая второе слагаемое левой части уравнения (3.41) от метим, что Лг U 9 а фушсция fz(CL&) имеем экстремум (рис.3.1) т.е. точку перегиба, слева от которой 2/r/n Q , а справа -/и0. 0.
Следовательно, в общем случае: Рассматривая третье слагаемое, отметим, что функция -Д2\#2/ - убывающая от величины d , т.е. " /Qd t что дает основание для утверждения: Принимая во внимание область возможных значений всех слагаемых уравнения (3.41), одним из наиболее вероятных является одновременное равенство по абсолютной величине первого и третьего слагаемых а также нулевое значение второго слагаемого: Ввиду того, что у\ ф Q , из (3.46) вытекает: откуда с учетом характера функции Ш г ЕС 3 следует: Условие (3.48) соответствует условию: Принимая во внимание определение величины относительного диспергирования эффективных зерен (3.5), зависжюсть (3.49) эквивалентна : т.е. суммарное число зерен основной фракции, регенирированных из шлама после шлифования на оптимальном режиме d20 \0/ тш) минимально, что предполагает особенность в механизме износа абразивного инструмента, заключающуюся в том, что в этом случае степень дробимости зерен (доля износа от разуршения зерен в общем износе) наибольшая.
Экспериментальным подтверждением такого положения служат проведенные исследования в работе /117/, в которой изложенный анализ позволяет сформулировать основное требование к эксплуатации абразивного инструмента из сверхтвердых материалов: обеспечение максимального предела относительного диспергирования 6 так эффективных зерен эльбора (алмаза) и максимального критического значения приведенного кинематического параметра J/-RC/? - средней номинальной площади сечения среза, соответствующего пределу интегрирования. Таким образом, изложенный анализ позволяет сфорлулиро-вать следующее научное положение: в условиях глубинного шлифования оптимальным режимом обработки, с точки зрения наименьшего удельного расхода абразива, является такой режим, при котором доля износа от разрушения (скалыванием) зерен, а следовательно, и величина относительного диспергирования их будут близки к наибольшим (предельным) значениям. Модель износа абразивного инструмента при глубинном шлифовании, изложенная в настоящем разделе, позволила: 1. Предложить общий характер зависимостей характеристик износа шлифовальных кругов от основных параметров механического режима обработки, и в частности, экстремальную зависимость удельного износа от глубины резания.
