Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ процесса алмазного хонингования деталей машин и определение направлений повышения его эффективности 16
1.1. Особенности процесса резания при алмазном хонинговании деталей 16
1.2. Основные условия и показатели процесса алмазного хонингования отверстий деталей 18
1.3. Влияние элементов режима алмазного хонингования на точность формы обработанных деталей 25
1.4. Особенности разработки структуры станочного оборудования при изготовлении деталей повышенного качества 27
1.5. Актуальность разработки процесса алмазного хонингования деталей машин на мехатронном оборудовании 30
1.6. К определению закономерностей формообразования деталей при алмазном хонинговании 32
1.7. Выводы 37
ГЛАВА 2. Моделирование процесса резания алмазным бруском 38
2.1. Исходные положения при моделировании процесса резания алмазным бруском 39
2.2. Математическое моделирование процесса резания алмазным бруском 40
2.3. Методика моделирования процесса резания детали алмазным бруском на экспериментальном стенде 49
2.4. Результаты моделирования процесса резания алмазным бруском на экспериментальном стенде 52
2.5. Выводы 72
ГЛАВА 3. Исследование факторов повышения точности формообразования отверстий деталей при алмазном хонинговании 74
3.1. Анализ методов формообразования поверхности отверстия детали при хонинговании 74
3.2. Анализ точности движения шпинделя хонинговального станка 82
3.3. Анализ расположения следов хонинговальных брусков относительно обрабатываемой поверхности детали 91
3.4. Экспериментальное исследование влияния параметров кинематики и точности хонинговального станка на отклонения формы обработанных отверстий деталей 96
3.5. Определение характеристик равномерного распределения следов брусков при хонинговании 102
3.6. Выводы 107
ГЛАВА 4. Моделирование формообразования детали при алмазном хонинговании и определение условий обеспечения повышенной точности ее формы 109
4.1. Разработка модели процесса съема металла при алмазном хонинговании детали 109
4.2. Моделирование съема металла при алмазном хонинговании поверхностей сквозного и глухого отверстий деталей 125
4.3. Моделирование нагруженности и износа хонинговальных брусков 132
4.4. Анализ влияния элементов режима хонингования на стойкость формы брусков и точность деталей 143
4.5. Определение ожидаемых отклонений профиля обработанных поверхностей деталей 150
4.6. Экспериментальное исследование влияния режима хонингования на стойкость формы брусков и точность деталей 154
4.7. Выводы 155
5. Функционально-структурный синтез станочного оборудования с автоматическим управлением 157
5.1. Определение функциональной базы при разработке технологических процессов и станочного оборудования 157
5.2. Уточнение основных понятий, связанных с разработкой мехатронного станочного оборудования 158
5.3. Разработка классификации функциональных подсистем станочного оборудования с автоматическим управлением 164
5.4. Определение принципов функционально-структурного синтеза станочного оборудования с автоматическим управлением 176
5.5. Выводы 182
6. Особенности алмазного хонингования при изготовлении деталей машин на станках с автоматическим управлением 183
6.1. Принципы алмазного хонингования деталей на станках
с автоматическим управлением 183
6.2. Пример разработки технологии алмазного хонингования типовой детали 189
6.3. Разработка структуры мехатронного хонинговального оборудования 201
6.4. Особенности управления мехатронным хонинговальным станком 204
6.5. Рекомендации по конструированию хонинговальных станков
и инструментов 208
6.6. Выводы 215
Основные выводы и результаты 216
Список литературы 219
Приложения
- Основные условия и показатели процесса алмазного хонингования отверстий деталей
- Математическое моделирование процесса резания алмазным бруском
- Анализ расположения следов хонинговальных брусков относительно обрабатываемой поверхности детали
- Моделирование съема металла при алмазном хонинговании поверхностей сквозного и глухого отверстий деталей
Введение к работе
Развитие современного машиностроительного производства неразрывно связано с повышением требований к надежности и долговечности выпускаемых машин. Выполнение данных требований зависит от качества ответственных деталей изделий машиностроения (двигателей внутреннего сгорания, силовых цилиндров гидравлических и пневматических приводов, коробок передач и
ДР-)-
Качество деталей в значительной степени определяется точностью формы
и рельефом поверхности, обеспечиваемым при изготовлении, и влияет на их работоспособность и эксплуатационный ресурс. Особенно важное значение это имеет для увеличения срока службы двигателей внутреннего сгорания и пробега автомобилей.
Показатели качества деталей машин во многом обусловлены технологией финишной обработки и, в частности, алмазного хонингования. О существенной роли данного процесса в машиностроении свидетельствует его включение в типовые технологии изготовления ответственных деталей.
Присущие процессу алмазного хонингования малые силы и скорости резания обуславливают низкую температуру поверхностного слоя обрабатываемых деталей и отсутствие его структурно-фазовых превращений. Конструктивные особенности инструментов, применяемых при алмазном хонинговании, большая площадь рабочей поверхности брусков и повышенная жесткость инструмента, способствуют достижению прямолинейности оси отверстия, что особенно важно в случае подвижного сопряжения деталей. Применение алмазного хонингования позволяет получить поверхность, характеризующуюся повышенной несущей способностью, что обеспечивает высокую износостойкость деталей при эксплуатации.
К настоящему времени установлены рекомендации по выбору условий алмазного хонингования при изготовлении деталей из различных материалов,
7 но они не учитывают в достаточной степени характер съема металла рабочей поверхностью брусков, особенности их износа и условия обеспечения стойкости формы. Поэтому в условиях автоматизированного производства потенциальные возможности процесса алмазного хонингования полностью не используются.
Существенное повышение требований к качеству выпускаемых машин, работы в области создания управляемых процессов лезвийной обработки и расширение возможностей современных систем автоматического управления свидетельствуют о необходимости совершенствования процессов финишной обработки при изготовлении точных деталей машин.
Возможности улучшения показателей точности при хонинговании с использованием базовой технологии ограничиваются недостаточной изученностью закономерностей формообразования, отсутствием необходимых алгоритмов управления процессом и соответствующего оборудования. Поэтому повышение точности формы и качества поверхности деталей при алмазном хонинговании на мехатронных станках с учетом закономерностей формообразования, требуемой производительности и себестоимости обработки является актуальным. В связи с этим необходимы исследования закономерностей процесса резания алмазными брусками и их износа, определение влияния условий хонингования на стойкость формы инструмента и формообразование детали, разработка функциональных подсистем хонинговального станка и алгоритмов управления.
В работе приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований, на основании которых установлено влияние элементов режима алмазного хонингования и параметров наладки станка на стойкость формы брусков, точность формы и качество поверхности деталей, производительность обработки и расход алмазов. На базе установленных закономерностей формообразования поверхности и с учетом разработанной классификации функциональных подсистем оборудования обоснованы принципы алмазного хонингования
8 при изготовлении деталей повышенного качества на мехатронных станках и выполнены разработки для их реализации в производстве.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность.
Актуальность диссертации подтверждается тем, что ее базовую основу составляют исследования, выполненные автором в рамках:
научно-технической программы Министерства науки России «Конверсия и высокие технологии. 1997 - 2000 гг.»;
федеральной целевой программы «Государственная поддержка интеграции высшего образования и фундаментальной науки на 1997 - 2001 гг.»;
комплексной программы «Авиационная технология»;
- планов развития науки и техники станкостроительного завода ОАО
«Стерлитамак-М.Т.Е.» (1995 - 2002 гг.).
Целью работы является повышение точности формы и качества поверхности деталей при алмазном хонинговании на мехатронных станках в автоматизированном производстве с обеспечением требуемой производительности и себестоимости.
Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:
Определить закономерности изменения нагруженности режущих зерен алмазного бруска и толщины срезаемого слоя металла его рабочей поверхностью при хонинговании детали.
Определить влияние элементов режима алмазного хонингования и параметров наладки, жесткости и точности станка на отклонения формы инструмента и показатели точности обработанных деталей.
Разработать модель формообразования поверхности при алмазном хонинговании, учитывающую особенности процесса резания бруском и влияние условий обработки на точность формы и равномерность рельефа поверхности деталей.
Обосновать принципы управления процессом алмазного хонингования и функционально-структурного синтеза автоматизированного оборудования.
Разработать функциональные подсистемы формообразующей части ме-хатронного хонинговального оборудования и алгоритмы управления.
Разработать методики и рекомендации по проектированию технологии алмазного хонингования при изготовлении деталей на автоматизированном оборудовании.
Методы исследования
Исследования выполнялись на базе теорий резания материалов, механизмов и машин, моделирования, вероятности и математической статистики, управления и системного проектирования.
На защиту выносятся:
Установленные закономерности формообразования поверхности детали при алмазном хонинговании, учитывающие изменение показателя нагру-женности режущих зерен и съема металла, неравномерность износа брусков и ожидаемые отклонения формы деталей в зависимости от элементов режима хонингования, параметров наладки, жесткости и точности станка.
Принципы управления процессом алмазного хонингования и функционально-структурного синтеза мехатронного оборудования на основе установленных закономерностей формообразования деталей и с учетом разработанной классификации функциональных подсистем.
Структура мехатронного хонинговального оборудования с функциональными подсистемами и алгоритмы управления, обеспечивающие повышение точности формы и качества поверхности деталей.
Методика определения элементов режима алмазного хонингования и параметров наладки при обработке деталей на станках с автоматическим управлением.
Научная новизна
- установлены закономерности формообразования деталей при алмазном
10 хонинговании, определяющие изменение удельной работы, производимой поверхностью инструмента, неравномерность его износа и отклонения формы обработанной поверхности под влиянием перекрытия режущих контуров зерен и участков брусков с учетом действующих сил в зависимости от условий обработки;
обоснованы принципы управления процессом алмазного хонингования и функционально-структурного синтеза мехатронного оборудования на основе установленных закономерностей формообразования и разработанной классификации функциональных подсистем, предусматривающие обеспечение равномерности удельной работы, производимой поверхностью брусков, и повышение качества деталей;
разработана структура мехатронного станка с функциональными подсистемами, обеспечивающими равномерное распределение следов инструмента относительно детали и согласованное с данным фактором управление радиальной подачей брусков на этапах цикла обработки, для достижения повышенной точности формы и качества поверхности деталей при требуемой производительности и себестоимости обработки.
Практическая ценность
Результаты выполненных теоретических и экспериментальных исследований позволили разработать для машиностроительных предприятий методики и рекомендации по проектированию технологии алмазного хонингования при изготовлении деталей повышенного качества. К ним относятся: стандарт предприятия СТП 292 -2002 ОАО «Стерлитамак-М.Т.Е.» «Методика определения элементов режима алмазного хонингования и параметров наладки при обработке деталей на хонинговальном оборудовании с автоматическим управлением», техническое задание на проектирование мехатронного хонинговального станка. Разработаны конструкции механизма разжима брусков и фиксирующего устройства манипулятора хонинговального станка, а также алмазно-абразивных инструментов, новизна которых подтверждена авторскими свидетельствами (а.с. 1514587, 1380911, 315578, 631318, 655516).
Реализация результатов работы.
Выполненные разработки внедрены:
на Кумертауском авиационном производственном объединении (г. Ку-мертау), на машиностроительном заводе (г. Саратов), на ОАО «Стерлитамак-М.Т.Е.» и заводе строительных машин (г. Стерлитамак), на ОАО «ОЗНА-Автоматика» (г. Октябрьский);
в учебный процесс УГАТУ в виде учебно-методических пособий при подготовке инженеров по специальностям 071800, 210200 и 120100.
Основные положения и результаты работы представлены на 25 научно-технических конференциях, в том числе на 4 - международных («Технология механообработки: физика процессов и оптимальное управление» (1994 г.) и «Интеллектуальные мехатронные станочные системы» (2002 г.) в г. Уфе, «Шлифабразив - 2001» в г. Волжске, «Технология - 2001» в г. Орле), 4 - всероссийских и зональных, 11 - республиканских, включая семинары, по проблемам технологии машиностроения, алмазно-абразивной обработки поверхностей деталей машин, автоматизации производственных процессов и разработки станочных систем с автоматическим управлением.
Диссертационная работа в полном объеме докладывалась на научно-технических семинарах и расширенном заседании кафедры автоматизированных технологических систем УГАТУ (г. Уфа).
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 67 печатных работ, в том числе 1 монография и 5 авторских свидетельств.
Объем и структура диссертации.
Диссертация состоит из введения, шести глав, основных выводов и результатов, списка литературы и приложения. Она содержит 217 стр. машинописного текста и 263 наименований использованной литературы, методики исследования, акты внедрения и другие документы. Общий объем работы вместе с приложениями 293 стр.
12 УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
d0 - диаметр обрабатываемого отверстия, мм;
10 - длина обрабатываемого отверстия, мм;
Ьбр - ширина хонинговального бруска, мм;
1бр - длина хонинговального бруска, мм;
z - количество брусков в хонинговальной головке;
V] - скорость вращения шпинделя хонинговального станка, м / мин;
V2 - скорость возвратно-поступательного движения шпинделя хонинговального станка. м / мин;
1Х - длина хода шпинделя или стола хонинговального станка, мм;
1пб - длина перебега хонинговальных брусков за пределы обрабатываемого отверстия в процессе хонингования, мм;
р - номинальное давление брусков на обрабатываемую поверхность, МПа;
Sp - радиальная подача хонинговальных брусков, мкм /дв. ход;
Р0 - осевая сила разжима хонинговальных брусков, н;
Р - сила, действующая на брусок в направлении перпендикулярном его перемещению, н;
я/ - частота вращения шпинделя хонинговального станка, об / мин;
и2 - частота возвратно-поступательного движения шпинделя или стола хонинговального станка, дв. ходов / мин;
а - угол подъема траектории движения хонинговальных брусков, соответствующий углу наклона рисок относительно плоскости, перпендикулярной к оси обрабатываемого отверстия, град.;
Сх - величина смещения положения брусков по окружности обрабатываемого отверстия в результате одного двойного хода шпинделя станка, мм;
с, - величина наименьшего относительного смещения положения хонинговальных брусков в результате одного двойного хода шпинделя станка при осуществлении перехода деления обрабатываемой поверхности еле-
13 дами брусков, мм; kt -количество двойных ходов шпинделя станка, соответствующее смещению с, положения брусков в результате перехода деления обрабатываемой поверхности следами брусков; к - количество двойных ходов шпинделя или стола хонинговального станка
за время хонингования одной детали; Тхон- машинное время хонингования одной детали, мин; Тм- время задержки хода шпинделя или стола станка, мин; tnp - величина снимаемого припуска металла на диаметр обрабатываемого отверстия за цикл хонингования, мм; tbi - средняя толщина срезаемого слоя металла одним бруском за один ход
шпинделя, мкм; tb2 - средняя толщина срезаемого слоя металла одним бруском за один оборот
шпинделя, мкм; t - средняя толщина срезаемого слоя металла брусками за цикл хонингования, мкм; Ra, Rz - стандартные параметры шероховатости поверхности детали, мкм; ка - удельный расход алмазов, мг /г;
Q - удельная производительность процесса хонингования, см3 /(см2 мин); а - ширина зоны обрабатываемого отверстия, соответствующая дуге окружности обрабатываемого отверстия, расположенной между соседними хо-нинговальными брусками, мм; R - радиус сферической поверхности, описанной относительно поверхности
алмазного зерна, мкм; Размеры шарового сегмента: h - глубина погружения сферы, мкм; hH - глубина погружения сферы с учетом наплывов обрабатываемого металла,
мкм; S - площадь кругового сегмента при внедрении на глубину hH, мкм2;
b - длина основания (хорды) сегмента, мкм;
(р - центральный угол, характеризующий зону контакта сферы с обрабатываемой поверхностью при ее погружении на глубину hH, град;
Р3 - сила, действующая на зерна в процессе обработки в направлении перпендикулярном к его перемещению, н;
аас - расстояние между соседними зернами в алмазоносном слое бруска, мкм;
Vac - объем алмазоносного слоя в виде куба со стороной аас, мкм ;
кас - количество алмазных зерен в алмазоносном слое бруска с объемом в виде куба со стороной аас;
hfai - средняя высота впадин, измеренная в сечении обработанной поверхности
детали относительно средней линии профиля исходной поверхности, мм;
hfoj - средняя высота выступов, измеренная в сечении обработанной поверхности детали относительно средней линии профиля исходной поверхности, мм;
fai - площадь впадины, расположенной в сечении обработанной поверхности
детали ниже средней линии профиля исходной поверхности, мм2;
fbi - площадь выступа, расположенного в сечении обработанной поверхности детали выше средней линии профиля исходной поверхности, мм2;
Fai - общая площадь впадин, расположенных в сечении обработанной поверхности детали ниже средней линии профиля исходной поверхности, мм2;
Fbi - общая площадь выступов, расположенных в сечении обработанной поверхности детали выше средней линии профиля исходной поверхности, мм2;
Faik - общая площадь впадин, расположенных в сечении обработанной поверхности детали ниже средней линии профиля исходной поверхности, откорректированная с учетом самоустанавливания бруска, мм2;
Fbik - общая площадь выступов, расположенных в сечении обработанной поверхности детали выше средней линии профиля исходной поверхности,
15 откорректированная с учетом самоустанавливания бруска, мм ;
SHi - площадь поперечного сечения металла, смещаемого участком рабочей поверхности бруска в процессе резания при внедрении в обрабатываемую поверхность на глубину hH, мм ;
SMi - площадь поперечного сечения металла, срезаемого участком рабочей поверхности бруска при внедрении в обрабатываемую поверхность на глу-бину hH, мм ;
tMX - толщина срезаемого слоя металла с поверхности детали участком бруска длиной х в направлении перемещения, мкм;
Nycm - устанавливаемая сила прижима бруска к обрабатываемой поверхности,
н; Мфакт " сила прижима бруска к обрабатываемой поверхности при резании, н.
Основные условия и показатели процесса алмазного хонингования отверстий деталей
Алмазное хонингование в сравнении с абразивным отличается повышенной стойкостью формы брусков, что обеспечивает повышение точности отверстий деталей. Этим обусловлено широкое распространение данного процесса при изготовлении различных деталей машин.
Хонингование деталей на машиностроительных предприятиях осуществляется с помощью вертикально-хонинговальных и доводочных станков, выпускаемых станкостроительными заводами г.г. Стерлитамака, Одессы, и др. К наиболее распространенным моделям станков, применяемым при изготовлении небольших и средних деталей, относятся станки моделей 3820, 3820Д, 3821, 3822, ЗМ83, ЗК82 и ЗК83. Также применяются хонинговальные станки фирм: XLO, Micromatic, Nagel, Gering, Delapena, Citroen и других фирм. [229].
По сведениям ряда авторов [23, 32, 83, 84,133, 175, 194, 229, 258] при алмазном хонинговании повышенные показатели качества деталей могут быть достигнуты, если применяемый станок обеспечивает возможность реализации рациональной схемы хонингования, имеет автоматически регулируемую радиальную подачу брусков, устройство контроля диаметра обрабатываемого отверстия и устройство для тонкой очистки СОТС. Тем не менее опыт работы машиностроительных предприятий показывает, что возможности существующих хонинговальных и доводочных станков в отношении точности обработки при существующей технологии ограничены, что обуславливает необходимость применения в ответственных случаях машинно-ручной доводки отверстий деталей. Данный процесс обработки отличается повышенной трудоемкостью и большими затратами материальных средств [80, 89, 90, 141, 219].
Применение технологических процессов алмазного хонингования отверстий деталей машин характеризуется показателями качества: точностью размеров - 6, 7 квалитетов и точностью формы - 5, 6 степеней [66]. На распространенных станках, как правило, обеспечивается точность формы обработанных отверстий (конусообразность и овальность) в пределах 0,02 ч- 0,03 мм. При использовании современного алмазного инструмента наименьшая шероховатость обработанной поверхности составляет Ra = 0,05 -ь 0,025 мкм.
Выбор конструкции технологической оснастки для алмазного хонингования связан с применяемым оборудованием и принятой схемой хонингования [122, 125, 133, 187, 231]. Рекомендации по выбору схем хонингования имеют общий и нередко противоречивый характер. В отечественной практике чаще всего применяют схему, предусматривающую обработку неподвижной детали при помощи шарнирной хонинговальной головки. При обработке отверстий повышенной точности рекомендуется схема хонингования жесткой головкой детали, установленной в «плавающем» приспособлении [133, 229]. На основании зарубежного опыта [261] можно заключить, что возможности первой схемы далеко не использованы.
Прогрессивные конструкции хонинговальных головок отличаются небольшими углами разжимных элементов и повышенной жесткостью базирования брусков [4, 10, 65, 229]. Вследствие особенности конструкции разжимного устройства хонинговальных головок обратное смещение бруска в радиальном направлении затруднено. Сопряжение разжимного конуса с толкателями в хонинговальной головке обеспечивает значительное соотношение осевой силы Р о, действующей на конус со стороны обрабатываемой поверхности при отклонениях ее формы, и осевой силы Р0, создаваемой механизмом разжима [ 175]где: у - половина угла разжимного конуса; р - угол трения.
В процессе обработки брусок с держателем расклинивается между обрабатываемой поверхностью и поверхностью разжимного конуса, за счет чего под воздействием силы, обеспечиваемой приводом перемещения бруска, происходит увеличение давления. Этим объясняется исправляющая способность хонинговальной головки, которая усиливается при уменьшении угла конуса.
Зажимные приспособления должны обеспечивать минимальную, равномерную или определенную деформацию обрабатываемой детали при зажиме, что достигается при применении упругих элементов зажима - цанг, эластичных плит, лент, мембран и др. [7, 135, 156]. При необходимости ориентации детали в процессе обработки должна обеспечиваться легкость ее «плавания» в приспособлении, в этих целях могут использоваться подшипники и направляющие качения [127].
В результате ряда исследований установлено влияние технологической оснастки на показатели качества обработанных отверстий [4, 5, 127, 129, 156, 157, 176, 181]. Также изучено влияние точности наладки станка на отклонения формы отверстий в поперечном сечении обрабатываемой детали [181]. В данной работе рассмотрено действие поперечной силы на рабочую часть хонинго-вальной головки, возникающей под влиянием осевой силы резания и силы разжима брусков при несовпадении осей шпинделя и обрабатываемого отверстия. В то же время не изучено действие данных факторов на изменение нагруженно-сти брусков по длине и неравномерность их износа.
Вопросы анализа функциональных подсистем хонинговального оборудования с автоматическим управлением с точки зрения повышения стойкости формы брусков и точности деталей до проведения данных исследований не рассматривались.
Для изготовления хонинговальных брусков применяются алмазные шлифпорошки марок АСР, АС 15 (АСВ), АС20 (АСК), АСС и микропорошки АС32 (АСМ) [7, 9,. 35, 236]. Выбор марки алмазов должен производиться в зависимости от состава и свойств обрабатываемого материала [133, 208, 231,, 255]. 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, что может привести к появлению вырывов металла на обрабатываемой поверхности, а также к поломке брусков. При обработке ряда материалов также эффективным является применение эльбора [94, 95].
Зернистость алмазных хонинговальных брусков характеризуется относительно небольшими диапазонами размеров зерен, так как в этом случае обеспечивается более высокая однородность состава, что улучшает эксплуатационные свойства инструмента. Зернистость алмазов оказывает значительное влияние на производительность процесса и шероховатость поверхности. С целью обеспечения повышенной производительности процесса зернистость брусков должна приниматься наибольшей, что также соответствует более высокой износостойкости брусков [7, 43, 101, 102, 104, 202, 228, 229, 233]. 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 целесообразно алмазное хонингование производить в виде двух или нескольких операций [31, 202, 222]. Причем, на предварительной операции алмазное хонингование рекомендуется осуществлять брусками с крупной зернистостью алмазов и обеспечивать необходимый съем металла, а на промежуточных и окончательной операциях применять бруски с меньшей зернистостью для обеспечения требуемой шероховатости поверхности.
Связка алмазных брусков является одним из параметров характеристики, оказывающим влияние на технологические показатели процесса хонингования [27, 28, 35, 43, 45, 86, 98, 100,.209, 228]. При алмазном хонинговании применяется широкая номенклатура связок алмазных брусков, к числу которых относятся:
Математическое моделирование процесса резания алмазным бруском
Моделирование процесса резания имеет целью определение закономерностей нагруженности режущих зерен алмазного бруска и съема металла его рабочей поверхностью. Целесообразно рассматривать данные характеристики в сечениях перпендикулярных направлению движения, что позволяет с учетом траектории движения бруска охарактеризовать работоспособность любого участка его рабочей поверхности. Для анализа формообразования поверхности является важным определение толщины съема металла на конечной кромке бруска по отношению к направлению движения, а в целях определения характера износа бруска - установление закономерности изменения нагруженности режущих зерен по его длине. Данное моделирование необходимо для последующего анализа процесса формообразования детали при алмазном хонинговании, уточнения принципов выбора элементов режима резания и параметров наладки станка в целях повышения эффективности обработки деталей.
В результате исследования установлено, что толщина срезаемого слоя металла бруском зависит от длины рабочей поверхности бруска в направлении движения и глубины внедрения зерен. Глубина внедрения зерен определяется давлением, оказываемым на обрабатываемую поверхность. Влияние длины ра бочей поверхности бруска должно оцениваться с учетом расположения зерен и перекрытия образованных режущих контуров.
Ниже приведены результаты математического моделирования для определения зависимости толщины срезаемого слоя металла от длины рабочей поверхности бруска при заданной глубине внедрения зерен. В связи с тем, что форма алмазных зерен принята сферической, при нахождении основных характеристик работы бруска использовались математические зависимости для шарового и кругового сегментов.
Площадь кругового сегмента, соответствующая наибольшей активной площади зерна в процессе обработки [50]
Площадь контакта зерна с обрабатываемой поверхностью является функцией от глубины внедрения, которая зависит от физико-механических свойств материала детали и состояния обрабатываемой поверхности, характеристик брусков и других условий обработки. Глубина внедрения зерен носит характер вероятной величины. В данном случае целесообразно использование стандартной характеристики шероховатости поверхности Ra среднеарифметического отклонения профиля, характеризующего установившееся значение шероховатости поверхности, обработанной бруском. При этом вероятная глубина внедрения зерен в обрабатываемую поверхность детали с учетом наплывов металла соответствует 2Ra.
Анализ отклонений профиля поверхности с установившейся шероховатостью поверхности, обработанной участком алмазного бруска, свидетельствует об их подчинении закону нормального распределения с характеристиками: математическим ожиданием равным Ra, дисперсией Д= 1,88 и среднеквадратичным отклонением ст= 1,37. Плотность распределения имеет вид [52]
Область плотности нормального распределения ± За, учитывающей все отклонения с погрешностью менее одного процента, соответствует удвоенному значению другого стандартного параметра Rz, который характеризует наибольшую глубину внедрения зерен. Средняя ширина канавки Ъ (рис.2.1), образованной одним зерном, соответствует длине основания сегмента, определяемой по формуле (2.2).
Алмазные зерна характеризуются наличием множества различно направленных режущих кромок, которые при работе соскабливают и вытесняют металл. Производимая работа при обработке детали затрачивается на деформирование обрабатываемого материала, трение, нагрев и удаление металла. При предварительной обработке, характеризующейся повышенной глубиной внедрения зерен, по аналогии с другими процессами механической обработки, например точением, можно предположить, что основная часть производимой работы соответствует силе резания.
В качестве показателя нагруженности зерна алмазного бруска принята площадь поперечного сечения металла, смещаемого зерном, которая определяется по формуле (2.1). С учетом формулы (2.4)
Анализ расположения следов хонинговальных брусков относительно обрабатываемой поверхности детали
Характерной особенностью процесса хонингования является применение в качестве инструмента связанного абразива в виде хонинговальных брусков. Разделение рабочей поверхности инструмента на отдельные участки (бруски) и определенная траектория их движения при резании предполагает взаимное влияние брусков друг на друга и возможность неравномерного съема металла рабочей поверхностью бруска. Для определения условий достижения повышенной точности обработки деталей необходимо проведение анализа расположения следов хонинговальных брусков в процессе хонингования и определение его влияния на характер съема металла и точность обработки [79, 106, 108, 184, 191]. Особенно важное значение эти вопросы приобретают при использовании хонинговального оборудования с автоматическим управлением, обеспечивающего осуществление исполнительных движений со стабильными параметрами.
Реализация того или иного способа закрепления брусков определяет жесткость их базирования в хонинговальной головке. Неодинаковый съем металла отдельными участками брусков при недостаточной жесткости базирования приводит к возможности самоустанавливания брусков в хонинговальной головке. Сравнение показателей точности обработки, достигаемых при алмазном хонинговании в случае применения инструментов различных конструкций, показывает явные преимущества инструментов с повышенной жесткостью рабочей части. Возможность изменения положения брусков в хонинговальнойголовке под действием динамических сил вносит свои коррективы в закономерности съема металла рабочей поверхностью и отражается на характере нагруженное брусков.
Следы движения рабочих поверхностей хонинговальных брусков при точном движении представляют собой винтовые поверхности, относительное расположение которых зависит от размеров брусков и кинематики процесса, в частности - соотношения скоростей вращательного и возвратно-поступательного движений. При одном ходе инструмента возможно различное расположение следов обработки, оставляемых отдельными брусками на обрабатываемой поверхности - без касания друг относительно друга - с касанием и перекрытием.
При последующих ходах возможны различные положения следов брусков - с совпадением или смещением фаз их положений. Под совпадением фаз понимается такое расположение следов брусков, когда конечное положение следа одного бруска совпадает с первоначальным его положением или положением любого другого бруска.
Если следы брусков при одном ходе несоприкасающиеся и имеет место полное совпадение фаз их положений, на обработанной поверхности (рис. 3.9) появляется несколько углубленных винтовых поверхностей - показано в виде заштрихованной зоны А, также будут оставаться непрохонингованные участки Б. В данном случае процесс обработки будет характеризоваться появлением новых отклонений профиля поверхности отверстия в продольном и поперечном сечениях.
В случае несовпадения фаз положений следов брусков имеет место их чередование относительно первоначального положения. При этом возможно равномерное расположение следов относительно обрабатываемой поверхности или их сгущение на определенных участках.
С учетом указанных признаков составлена классификация вариантов об работки, характеризующихся различным расположением следов брусков (рис.3.10). Буква в обозначении варианта означает характер расположения следов движения брусков при одном ходе, а цифра - характер расположения фаз положений в результате повторных ходов брусков. Например, вариант ЕП - характеризуется расположением следов движения брусков при одном ходе без касания друг с другом, несовпадением фаз положений в результате повторных ходов и равномерным расположением следов относительно обрабатываемой поверхности детали.
В том случае, если следы брусков при одном ходе инструмента располагаются без касания (варианты EI, ЕП, ЕШ), на обработанной поверхности наблюдаются непрохонингованные участки с большой площадью, которые при последующих ходах брусков могут полностью сохраниться (вариант EI.) или уменьшиться (варианты ЕП и ЕШ). Наличие непрохонингованных участков обусловливает наибольшие отклонения формы обработанных поверхностей деталей.
Если следы движения брусков при одном ходе соприкасающиеся (варианты FI, FII, Fill), на обработанной поверхности также остаются непрохонингованные участки (рис. 3.11, зона А). При увеличенной ширине брусков и большом их количестве в хонинговальной головке размеры непрохонингованных участков уменьшаются. Для устранения отклонений профиля на этих участках необходимо определенное суммарное смещение фаз положений брусков с учетом величины их перебега.
В случае расположения следов брусков с перекрытием возможность сохранения непрохонингованных участков существенно уменьшается. Характер расположения следов хонинговальных брусков при одном ходе оказывает влияние на количество следов обработки, находящихся в зоне движения одного бруска. Расположение следов с перекрытием обусловливает возможность производительной обработки при повышенных значениях скорости вращательного движения шпинделя.
При этом достигается меньшая точность деталей вследствие повышениянеравномерности нагруженности брусков и их износа. В связи с этим можно сделать вывод о том, что для производительной обработки деталей целесообразно применение вариантов обработки, характеризующихся расположением следов движения брусков с касанием или с небольшим перекрытием. В этих случаях равномерное расположение следов обработки относительно обрабатываемой поверхности может достигаться за счет обеспечения определенного чередования фаз положений брусков в процессе хонингования.
После одного двойного хода положение брусков может полностью совпадать с исходным или частично, если бруски будут занимать исходные положения других брусков, также возможно попадание бруска в зону между исходными положениями двух других брусков (рис. 3.11). Следовательно, совпадение фаз положений хода брусков при хонинговании может осуществляться с относительным смещением на целое число зон.
Смещение фазы положения следов брусков по окружности в результате одного двойного хода определяется как С/ = а- т, где: а - расстояние по дуге окружности между соответствующими кромками брусков, например, - встречными направлению движения, т - целое число.
Случаи обработки, имеющие такую закономерность чередования фаз положений следов брусков, относятся к вариантам EI, FII, НИ. Величина их относительного смещения зависит от угла подъема траектории движения а. При уменьшении данного угла в случае применения вариантов Н повышается степень перекрытия следов брусков относительно обрабатываемой поверхности детали. Изменяя величину угла а можно изменить положение брусков в результате двойного хода на несколько зон, при этом порядок чередования следов брусков остается прежним.
Поэтому целесообразно рассматривать закономерности чередования положений следов брусков только в одной зоне на участке окружности а = п d0 /z и учитывать степень перекрытия хода.
Моделирование съема металла при алмазном хонинговании поверхностей сквозного и глухого отверстий деталей
Процесс съема металла при алмазном хонинговании характеризуется уравнением (4.8), которое составлено с учетом результатов моделирования процесса резания алмазным бруском и на основании исследования факторов, оказывающих влияние на работу брусков. Эти факторы учитываются при помощи коэффициентов, характеризующих неравномерность съема металла в продольном и поперечном сечениях обрабатываемой поверхности (см. п. 4.1).
Моделирование проводилось применительно к алмазному хонингованию типовой детали, в качестве которой выбран силовой цилиндр гидравлического привода (см. Приложение 3, вариант обработки 1). Деталь изготавливается из серого чугуна и имеет сквозное отверстие диаметром 85 мм и длиной 220 мм. Технологический процесс предусматривает предварительное и окончательное алмазное хонингование поверхности отверстий.
На основании сведений об алмазном хонинговании чугуна [228], а также результатов моделирования процесса резания алмазным бруском установлены степенные показатели формулы (4.4) w = 0,44, q = 0,24. Определение остальных коэффициентов для формулы (4.8) проводилось по приведенным методикам (см. п. 4.1).
На рис. 4.7, 4.8, 4.9 показано изменение расчетных значений средних коэффициентов кді, кпбі, кті и ктбі Для сечений обрабатываемой поверхности. Характерные положения брусков, показанные на рисунках, условно смещены по вертикали. С помощью формулы (4.8) определены расчетные значения толщины снимаемого слоя металла в поперечных сечениях по длине отверстия.
Значения коэффициента ктбік, указанные для сечений, откорректированы с учетом перераспределения давления в результате неравномерного съема металла, обусловленного задержками хода.
На основании расчетных значений коэффициентов определено изменение давления, оказываемого на обрабатываемую поверхность детали, по ее длине. Приведенные результаты показывают, что при рекомендуемых условиях алмазного хонингования процесс обработки сопровождается существенным изменением давления, что отражается на неравномерной нагруженности брусков. Повышение давления в средних сечениях обрабатываемой поверхности отверстия детали обусловлено дополнительным съемом металла в конце хода шпинделя. Это изменение давления оказывает правящее действие на бруски при условии достаточной длины обрабатываемого отверстия.
В связи с тем, что происходит исправление формы наиболее выступающих участков брусков, величина наименьшего контурного давления может быть откорректирована с учетом среднего контурного давления на участках (рис. 4.10 а)гдерз яр4- контурное давление, оказываемое на обрабатываемую поверхность в местах сечений III и IY.
На рис. 4.10 б показано изменение откорректированного давления по длине поверхности обрабатываемого отверстия. Это перераспределение давления должно учитываться при анализе неравномерности износа брусков и определении стойкости их формы.
Результаты расчета характеристик распределения следов брусков относительно обрабатываемой поверхности по формулам, приведенным в п. 3.5, пока зывают, что в данном случае осуществляется деление за два перехода, из которых второй переход является неполным (табл. 4.1).
Количество ходов шпинделя, необходимое для точного деления обрабатываемой поверхности следами брусков к превышает в 1,2 раза количество двойных ходов, необходимое для съема заданного припуска, что отражается на распределении следов брусков при обработке участков поверхности детали, а следовательно и равномерности рельефа поверхности.
С учетом данного фактора и колебания величины припуска на обработку в пределах 20 % наибольшая разница в количестве следов в поперечном сечении обрабатываемого отверстия определяется на длине дуги а/к і какАк = (\± 0,1) п2, где к j - количество двойных ходов шпинделя, необходимоедля осуществления первого перехода деления, п2 =п2- Тхон1.
Обработка глухого отверстия отличается отсутствием перебега брусков с одной стороны, что отражается на распределении давления по длине обрабатываемого отверстия. При моделировании приняты исходные данные для алмазного хонинго-вания отверстий блока двигателя внутреннего сгорания (см. Приложение 2, вариант обработки 2).На рис.4.11 -г- 4.13 показано изменение коэффициентов кді, кпбі, кті и ктбі по длине обрабатываемого отверстия. Под действием факторов, оказывающих влияние на изменение данных коэффициентов, происходит перераспределение давления по длине брусков. Наиболее существенно изменяется давление под влиянием перекрытия хода брусков (рис.4.13 и 4.14).
В данном случае по сравнению с обработкой сквозного отверстия детали соотношение откорректированных значений наибольшего и наименьшего давления брусков увеличивается в 1,2 раза.
Результаты моделирования процесса съема металла при алмазном хонин-говании детали с учетом реализации исправляющих свойств применяемого инструмента позволяют определить распределение фактического давления по рабочей поверхности инструмента, которое зависит от элементов режима хонин-гования, точности станка и его наладки.
С практической точки зрения необходимо определение неравномерности распределения давления по длине рабочей поверхности инструмента, что оказывает влияние на стойкость их формы. Особенности определения данного показателя заключаются в необходимости учета съема металла рабочей поверхностью брусков и действия внешних нагрузок на рабочую часть хонинговальной головки.
Изменение расчетного значения толщины срезаемого слоя металла рабочей поверхностью бруска с учетом перекрытия хода и перераспределения контурного давления определяется по формуле
