Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Влияние конструктивных особенностей абразивного инструмента на формирование эксплуатационных характеристик цилиндрических деталей
1.1. Технические требования, предъявляемые к цилиндрическим деталям 13
1.1.1. Анализ условий эксплуатации и технических требований, предъявляемых к валкам листопрокатных станов 14
1.1.2. .Анализ влияния параметров качества и точности валков листопрокатных станов на их эксплуатационные показатели 21
1.2. Особенности формирования эксплуатационных показателей при обработке абразивным инструментом различных конструкций
1.2.1. Обработка периферией шлифовального круга со сплошной рабочей поверхностью 30
1.2.2. Шлифование кругами с прерывистой режущей поверхностью 40
1.2.3. Возможности повышения качества и точности обработки абразивом на эластичной основе 47
1.2.4. Особенности абразивной обработки брусками 50
1.2.5. Круглое наружное шлифование торцом круга 55
1.2.6. Влияние на качество обработки импрегнирования абразивного инструмента 57
1.3. Возможности абразивных инструментов по формированию топологии шлифованной поверхности 59
1.4. Моделирование рабочей поверхности абразивного инструмента 62
1.5. Выводы. Цель изадачи исследования 65
Глава 2. Влияние конструкции инструмента кинематической схемы круглого наружного шлифования на шероховатость поверхности и производительность процесса
2.1. Системное представление процессов формирования топологий деталей с повышенными эксплуатационными свойствами
2.2.1. Анализ формирования требований к качеству поверхности пр окатных валков 69
2.2.2. Кинематический анализ и синтез методов получения заданной топологии поверхности валков 19
2.3. Анизотропия шероховатости поверхности и методы ее определения 88
2.4. Аналитическое исследование вида распределения параметров шероховатости по поверхности 96
2.5. Исследование влияния положения линии реза торцового абразивного круга на формирование топологии обрабатываемой поверхности 109
2.6. Аналитическое определение длины контакта абразивного зерна с обрабатываемой поверхностью 116
2.7. Номинальные объемы срезаемого слоя при круглом шлифовании периферией и торцом абразивного круга 126
2.8. Выводы 134
Глава 3. Обеспечение повышения точности формы поперечного сечения цилиндрических деталей при шлифовании
3.1. Динамическая модель влияния на точность формообразования положения оси инструмента при круглом шлифовании 136
3.1.1. Исследование крутильных колебаний методом Крылова — Боголюбова 150
3.2. Аналитическое исследование возможностей повышения точности формообразования крупногабаритных цилиндрических изделий
3.2.1. Особенности обеспечения точности формы крупногабаритных цилиндрических изделий 158
3.2.2. Моделирование процесса формообразования при обработке крупногабаритных цилиндрических изделий 161
3.3. Выводы 172
Глава 4. Моделирование поверхности абразивного инструмента и ее взаимодействия с обрабатываемым изделием
4.1. Моделирование взаимодействия единичного абразивного зерна с обрабатываемой поверхностью 174
4.2. Моделирование рабочей поверхности абразивного инструмента 193
4.3. Моделирование шероховатости обработанной поверхности 211
4.4. Моделирование маслоемкости поверхности, обработанной шлифованием 220
4.5. Выводы 230
Глава 5. Теоретические основы проектирования сборного торцового абразивного инструмента с некруговым контуром рабочей поверхности
5.1. Влияние конструкции сборного торцового абразивного инструмента на точность формы поперечного сечения цилиндрической детали 232
5.1.1. Определение коэффициента локальной полноты контакта 237
5.1.2. Влияние конструкции инструмента и условий обработки на коэффициент локальной полноты контакта 238
5.1.3. Аналитические исследование формообразования при обработке сборным торцовым абразивным инструментом 241
5.2. Влияние конструкции торцового абразивного инструмента на формирование микрорельефа поверхности 248
5.3. Исследование влияния условий обработки на длину и площадь контакта 253
5.4. Прочностные характеристики сборного торцового абразивного инструмента 260
5.5. Выводы 265
Глава 6. Управление параметрами качества поверхности при круглом торцовом шлифовании
6.1. Влияние конструкции абразивного инструмента на состояние по-верхностного слоя изделия 266
6.2. Опытно-промышленные испытания конструкций абразивного инструмента
6.2.1. Обеспечение повышенных эксплуатационных свойств прокатных валков 291
6.2.2. Обработка сборным торцовым абразивным инструментом направляющих цапф 303
6.3. Выводы 306
Основные выводы 308
Библиографический список 311
Приложения 356
- Особенности формирования эксплуатационных показателей при обработке абразивным инструментом различных конструкций
- Анизотропия шероховатости поверхности и методы ее определения
- Аналитическое исследование возможностей повышения точности формообразования крупногабаритных цилиндрических изделий
- Моделирование шероховатости обработанной поверхности
Введение к работе
Актуальность проблемы. Развитие машиностроения постоянно выдвигает все более высокие требования по обеспечению качества деталей машин различного назначения. Качество поверхности и точность формы изделия, определяющие многие эксплуатационные показатели машин и механизмов, окончательно формируются на финишных операциях, из которых абсолютное большинство составляют операции абразивной обработки. До настоящего времени абразивная обработка является одной из самых точных и производительных среди других методов окончательной механической обработки.
Исследованию процесса шлифования и абразивного инструмента (АИ) посвящены многочисленные исследования отечественных и зарубежных ученых. Вместе с тем сложность процессов, протекающих при шлифовании, многообразие применяемых конструкций и характеристик абразивного инструмента до настоящего времени не позволяют проводить теоретическое прогнозирование параметров точности и качества обработки, а существующие методики их назначения, построенные на экспериментально-статистических исследованиях, имеют преимущественно рекомендательный характер.
Одной из причин этого является недостаточное развитие теоретических основ расчетно-имитационных методов проектирования инструментов для операций абразивной обработки, позволяющих решать задачу выбора рациональной конструкции и характеристики инструмента на стадии проектирования, кинематической схемы обработки, режимов резания, параметров настройки оборудования, исходя из заданных эксплуатационных параметров обработанной поверхности.
Дополнительные сложности по достижению требуемых эксплуатационных показателей возникают при обработке крупногабаритных изделий, например, валков листопрокатных станов, имеющих диаметр обработки до 1600 мм и массу до 40 тонн, которые сами являются инструментом, формирующим качество поверхности проката. Рыночные отношения требуют увеличения производительности прокатных станов и повышения качества листового проката, идущего на нужды автомобильной, электротехнической промышленности, изготовление бытовой техники. Интенсификация производства приводит к повышенному расходу прокатных валков и необходимости повышения их эксплуатационных характеристик. Восстановление эксплуатационных свойств валков производится на операциях шлифования.
Шлифование прокатных валков имеет характер массового производства, в связи с чем задача разработки и исследования конструкций абразивного инструмента, обладающего повышенной производительностью, процесса обработки этим инструментом, обеспечивающего повышенные эксплуатационные характеристики обрабатываемого изделия, является актуальной.
Исследования проводились в соответствии с научными направлениями ГОУ ВПО МГТУ «Станкин», ГОУ ВПО Липецкий государственный технический университет и грантом (Т02-6.06-208 «Компьютерное моделирование процесса обработки для синтеза абразивного инструмента») Министерства образования и науки Российской Федерации.
Целью работы является разработка шлифовальных инструментов с некруговой рабочей поверхностью и технологии торцового шлифования, обеспечивающих повышение эксплуатационных характеристик прокатных валков.
Методы исследований. Теоретические исследования проводились на базе фундаментальных положений теории резания, теории шлифования материалов, теории колебаний, дифференциального и интегрального исчислений, с использованием численно-аналитических методов вычислительной математики, имитационного моделирования, теории вероятностей и математической статистики.
Научная новизне диссертационной работы заключается в:
- выявленном влиянии рабочей поверхности абразивного зерна на фор
мирование шероховатости поверхности валков с различным типом на
правлений неровностей;
выявленных особенностях обработки валков торцовым абразивным инструментом с некруговой рабочей поверхностью на основе моделирования процесса шлифования;
- выявленных погрешностях формы поперечного сечения валка в зави
симости от относительных нелинейных крутильных колебаний инстру
мента и изделия при шлифовании;
сниженной технологической наследственности поверхности валков при шлифовании инструментом с некруговым контуром рабочей поверхности в зависимости от схемы обработки, характеристик инструмента, параметров оборудования, режимов обработки, эксплуатационных требований к обработанной поверхности. Практическая значимость работы заключается в:
- повышении эксплуатационных свойств прокатных валков и увеличении
производительности шлифования в 1,2 ...1,3 раза при применении ин
струментов с некруговой рабочей поверхностью;
практических рекомендациях по выбору параметров и правил эксплуатации сборных торцовых абразивных инструментов с некруговым контуром рабочей поверхности.
Реализация работы. Результаты диссертационной работы нашли практическое применение при выполнении программ научно-исследовательских работ в области подготовки листопрокатного производства, что позволяет существенно расширить область применения абразивных инструментов при финишной обработке цилиндрических изделий (ОАО «Новолипецкий металлургический комбинат»), а также в сельхозмашиностроении (АО «Завод пус-
ковых двигателей», г. Липецк), ремонтном производстве (Муниципальное учреждение Липецкого предприятия горэлектротранспорта, г. Липецк) и др.
Результаты исследований представлены в виде опытно-промышленных установок, материалов методического, информационно-программного обеспечения, практических рекомендаций по рациональному выбору инструмента и средств технологического оснащения, расчету режимов обработки и параметров настройки оборудования.
Изданное учебное пособие и монография используются в учебном процессе кафедры технологии машиностроения Липецкого государственного технического университета при подготовке инженеров по направлению 151000.65 (657800) "Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств" при чтении лекций, проведении лабораторных работ, выполнении курсовых и дипломных проектов, подготовке аспирантов.
Апробация и публикация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на:
Всесоюзной школе молодых ученых и специалистов «Проблемы оптимизации в машиностроении», Харьков, 1983 г., Всесоюзной научно-технической конференции «Современные проблемы технологии машиностроения», Москва, 1986 г., Всесоюзной конференции «Интенсификация технологических процессов механической обработки» Ленинград, 1986 г., Республиканской научно-технической конференции «Прогрессивные процессы механической обработки труднообрабатываемых материалов», Мариуполь, 1989 г., международной научно-технической конференции «Точность технологических и транспортных систем», Пенза, 1998, международных научно-технических конференциях «Процессы абразивной обработки, абразивные инструменты и материалы», Волжский, 1998, 2000, 2001, 2003, 2004 гг., международной научно-технической конференции «Машиностроение и техносфера на рубеже XXI века», Севастополь, 1998 г., научно-практических конференциях «Современные технологии в машиностроении», Пенза, 1999 г.
2000 г, Третьем конгрессе прокатчиков, Липецк, 1999 г., международной на
учно-технической конференции «Актуальные проблемы машиностроения»,
Владимир, 2001 г., Всероссийской научно-технической конференции «Ма
териалы и технологии XXI века, Пенза, 2001 г., Всероссийской научно-
технической конференции «Инновации в машиностроении -2001», Пенза,
2001 г., Всероссийской научно-технической конференции «Прогрессивные
технологии и оборудование в машиностроении и металлургии», Липецк,
2002 г., международной научно-технической конференции «Технологические
системы в машиностроении», Тула, 2002 г., Всероссийской научно-
технической конференции «Теория и практика прокатного производства»,
Липецк, 2003 г.; международных научно-технических конференциях «Фун
даментальные и прикладные проблемы технологии машиностроения», Орел,
200, 2004 гг.; международной научно-технической конференции «Инстру
ментальные системы - прошлое, настоящее, будущее», Тула, 2003 г., IX Ме-
ждународной научно-технической конференции «Современные тенденции развития транспортного машиностроения и материалов», Пенза, 2004.
В полном объеме диссертация заслушана и одобрена на заседаниях кафедр «Инструментальная техника и технология формообразования» ГОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН», «Технология машиностроения, металлорежущие станки и инструменты» ГОУ ВПО ОрелГТУ.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 59 печатных работ, в том числе авторское свидетельство, 3 положительных решения о выдаче патентов РФ, монография и учебное пособие.
Структура и объемработы. Диссертационная работа изложена на 394 страницах машинописного текста, содержит 114 рисунков, 18 таблиц и список литературы из 371 наименования. Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов и приложений.
Особенности формирования эксплуатационных показателей при обработке абразивным инструментом различных конструкций
По мнению профессоров Ермакова Ю.М. и Степанова Ю.С. [73], на процесс абразивной обработки влияют около 20 различных,,не зависимых друг от друга факторов, а их комбинация дает огромное количество различных вариантов обработки и конструкций инструментов. Это обуславливает наличие резервов в проектировании абразивных инструментов и совершенствовании процесса абразивной обработки.
Основным видом круглого наружного шлифования является обработка деталей цилиндрической формы шлифованием кругом прямого профиля с продольной подачей. В этом случае траектория резания единичным зерном является перициклоидой [201]. Этот способ не требует специальной наладки, одним шлифовальным кругом можно обработать поверхности разной длины. При продольном шлифовании круг изнашивается более равномерно и этот процесс не оказывает заметного влияния на точность формы обрабатываемой поверхности, в частности, на отклонение от цилиндричности обрабатываемой детали.
Режимы, на которых ведется круглое наружное шлифование и достигаемые при этом параметры точности и качества обработанной поверхности представлены в таблице 1.2.
Скоростное и глубинное шлифование.
Повышение производительности процесса абразивной обработки можно достигнуть интенсификацией процесса за счет изменения режимов обработки, в частности, применением скоростного шлифования [87].
Изменение скорости резания позволяет повысить эффективность процесса шлифования и значительно расширить его технологические возможности. Согласно ГОСТ 23505-79, при скоростном шлифовании круг работает со скоростями от 35 до 60 м/с, а при высокоскоростном шлифовании - свыше 60 м/с.
Повышение скорости резания в 1,5 ... 2 раза в некоторых случаях приводит к увеличению скорости съема металла от 5 до 20 раз. Это происходит вследствие того, что количество режущих абразивных зерен, проходящих через зону контакта с обрабатываемой поверхностью в единицу времени значительно увеличивается. Установлено также [86], что при скоростном шлифовании происходит охрупчивание стружки, что позволяет вести обработку с меньшей величиной удельного расхода энергии на срезание единицы объема металла.
Увеличение частоты вращения шлифовального круга приводит к уменьшению площади сечения среза и силы резания, приходящихся на режущую кромку единичного зерна; снижается высота микронеровностей об работанной поверхности, расход абразива, повышается стойкость шлифовального круга. Увеличение скорости резания позволяет повысить производительность обработки за счет уменьшения основного времени шлифования в 2 ... 3 раза.
В связи с этим скоростное шлифование целесообразно применять для повышения производительности процесса обработки деталей или качества обработки, а также при условии, что основное время составляет не менее 50 % штучного времени. Следует отметить, что исследования по повышению скорости резания при шлифовании продолжаются и в настоящее время. Имеются примеры промышленного применения шлифовальных кругов, работающих со скоростями 80 ... 120 м/с [366]. Известны исследования, в которых скорость шлифовального круга достигает 300 м/с [201].
Для реализации скоростного шлифования могут использоваться или специализированные, или универсальные станки. Универсальные станки в этом случае требуют модернизации, направленной на повышение скорости вращения круга, обеспечение необходимой жесткости шпиндельного узла и шлифовальной бабки в целом, снижения уровня вибраций и т.п.
При высоких скоростях вращения в шлифовальных кругах возникают большие напряжения, вызываемые центробежной силой, причем наибольшие напряжения наблюдаются на внутренней поверхности отверстия круга [349]. Обеспечение безопасных условий эксплуатации абразивного инструмента требует создания достаточного запаса прочности шлифовальных кругов.
Повышение рабочей скорости круга вызвало значительный рост напряжений в круге, что потребовало повысить прочность абразивного инструмента. С этой целью, для шлифовальных кругов, работающих со скоростями более 80 м/с, применяют связку марки К43 на основе литийсодержа-щего борного стекла с добавкой фтористых соединений.
Как известно, при шлифовании свойства поверхностного слоя и микрорельеф обработанной поверхности формируются в результате снятия мельчайших стружек большим количеством режущих зерен круга и пластических деформаций от контакта с зернами, геометрия которых не позволяет им участвовать в процессе резания.
Исследователи отмечают [201], что увеличение скорости резания приводит к уменьшению глубин шлифовочных рисок и наплывов по их боковым сторонам, сопровождается меньшими пластическими деформациями и наклепом, способствует образованию более чистой поверхности риски. В работе [164] Е.Н. Маслов отмечает, что большинство рисок, полученных при относительно низкой скорости (28 м/с), имеют на краях навалы и заусенцы. Такие результаты наблюдали при микрорезании деталей из стали ШХ15 и Р12, а также из алюминия зернами электрокорунда, алмаза и кубического нитрида бора. Риски, полученные при скорости резания 90 м/с, имеют обычно гладкие края. При обработке деталей из стали LLLX15 и алюминия во всем диапазоне изменения скоростей резания риски образуются в результате пластического деформирования и срезания металла с отделением стружки.
При увеличении скорости круга радиальная и тангенциальная составляющие силы резания во всем диапазоне изменения глубины резания и скорости продольной подачи уменьшаются в 1,5 ... 2 раза. С увеличением подачи и глубины резания составляющие силы резания увеличиваются для всех исследуемых материалов. Электронно-микроскопические исследования образцов из стали ШХ15 показали, что во всех случаях поверхность шлифованных образцов имеет линейчатую структуру с ярко выраженными следами воздействия абразивных зерен в форме рисок. При скорости 19 м/с обработанная поверхность покрыта глубокими рельефными, но сравнительно однородными рисками (царапинами). При скорости 90 м/с поверхность выглядит более гладкой, на ней просматривается гораздо меньше царапин, причем их глубина значительно меньше, поверхность царапин не имеет надиров, на краях отдельных рисок почти нет навалов. Таким образом, внешний вид поверхности, обработанной с высокой скоростью, подтверждает локализацию
Анизотропия шероховатости поверхности и методы ее определения
При абразивной обработке микрорельеф, близкий к изотропному, будет образовываться в том случае, когда следы обработки, т.е. направления реза ния зерен, будут иметь произвольное, относительно друг друга, расположение [197]. При обработке цилиндрических деталей формирование микрорельефа, в некоторой степени приближающегося к изотропному, возможно -при определенных режимах резания - при хонинговании, суперфинишировании, круглом наружном шлифовании торцом чашечного круга, а также при шлифовании периферией круга прямого профиля при скрещивании осей круга и детали.
Для определения степени приближения реальной шероховатости к изотропной применяют коэффициент анизотропии [90, 318], причем разные авторы предлагают различные формулы для определения этого коэффициента.
Анализ литературных источников, посвященных описанию параметров шероховатости поверхности и их зависимости от направления измерения, показывает, что единого подхода, надежно характеризующего указанные распределения, нет. Достаточно широко известна работа [327], в которой профиль поверхности, обработанной шлифованием, представлен в виде случайного процесса, однако слолаюсть предложенных моделей не позволяет использовать их на практике.
Спектральный анализ шероховатости поверхности, обработанной шлифованием, предложен в работе [318], где авторы предлагают рассматривать анизотропную шероховатую поверхность в виде изотропной, растянутой вдоль одной из координатных осей в С раз. Основным параметром, характеризующим изменение параметров шероховатости в зависимости от направления измерения, выбрано среднее значение тангенса угла наклона микронеровностей профиля, которое пропорционально среднему квадратическому отклонению первой производной профиля ov (2.2) где Лар - среднее арифметическое отклонение профиля, измеренное под углом р к поперечной шероховатости (сохранены термины первоисточника),
Rax - значение среднего арифметического отклонения профиля в направлении поперечной шероховатости,X - среднее число пересечений профилем своей средней линии на единице длины,(р - угол между направлением поперечной шероховатости и направлением измерения.
Авторы работы [136] в качестве коэффициента неизотропности (термин первоисточника) поверхности предлагают использовать величину:где п;(0), П2(0) — средние числа пересечений средней плоскостью двух взаимно перпендикулярных сечений шероховатости на единице длины. При этом учитывают, что п}(0) - максимальное число пересечений, а щф) - минимальное.
В работе [251] показано, что большинство параметров шероховатости взаимосвязаны, напримергде tm — относительная опорная длина профиля на уровне средней линии, %, Rp - расстояние от линии выступов до средней линии профиля, мкм,b, v, г - параметры, необходимые для нахождение предложенной B.C. Комбаловым [121] и И.В. Крагельским [301] комплексной характеристики шероховатости, которая используется для оценки износостойкости поверхности:где Rmax - наибольшая высота микронеровностей, мкм,г — средний радиус закруглений вершин неровностей, мкм, Ъ, v - параметры, связывающие относительную фактическую опорную поверхность А(р и сближение є :А(р — Ь еу Значения параметров Ъ и є получают в результате аппроксимацииначала опорных кривых ветвью параболы.
Для методов обработки металлов резанием в работе [251] приведеныследующие экспериментальные данные:
Следует отметить, что полученные зависимости учитывают только параметры шероховатости в направлении, перпендикулярном вектору скорости резания.
Для определения параметров шероховатости авторы ряда работ [44,46, 327] предлагают характеризовать шероховатость поверхности при помощи корреляционных функций. Корреляционная функция является одной из основных характеристик случайного процесса. В работе [327], используя корреляционную функцию К(х) для характеристики микропрофиля поверхности, получены следующие зависимости для параметров шероховатости на единичном интервале:число нулей где г - переменная разность между абсциссами двух сечений профилограм-мы,Су - коэффициент, зависящий от закона распределения случайной составляющей по высоте, у - коэффициент неоднородности профиля, е - основание натурального логарифма, а - показатель частотного состава случайных неровностей, Ср - коэффициент, зависящий от формы периодически расположенных неровностей,ft -коэффициент однородности профиля, Тр - шаг между периодически расположенными неровностями. Из этого уравнения можно определить корреляционные характеристики: среднее арифметическое отклонение профиля Ra, средний шаг неровностей Т, коэффициент случайности профиля поверхности у .
Аналитическое исследование возможностей повышения точности формообразования крупногабаритных цилиндрических изделий
Отклонения от правильной геометрической формы обрабатываемых поверхностей приводят к колебаниям срезаемого припуска и, соответственно, сил резания. Уменьшение отклонений формы обрабатываемых поверхностей позволяет не только обеспечить повышенные эксплуатационные показатели по геометрическим параметрам, но и повысить стабильность физических параметров процесса резания. Уменьшение колебаний сил резания, в свою очередь, приводит к уменьшению разброса физико-механических свойств поверхностного слоя обработанной детали и обеспечивает повышение стабильности ее эксплуатационных свойств.
Повышению точности формы при абразивной обработке цилиндрических деталей уделяется внимание многими учеными [127, 292, 314, 352 и др.], поскольку эта проблема возникает не только при круглом наружном шлифовании, но и при доводке, суперфинишировании [33, 81], наружном хо-нинговании. Для повышения точности обработки предлагаются различные подходы, в том числе формирование различных циклов обработки, вариантов выхаживания [127, 292].
Обеспечение требуемой точности обработки крупногабаритных изделий цилиндрической формы имеет свои особенности, начиная с операций разметки [291], и включая финишные.
Перешлифовку поверхностей бочек валков производят в зависимости от типоразмера на круглошлифовальных или вальцешлифовальных станках с установкой или на центрах с применением поддерживающих люнетов, или на неподвижных люнетах.
При шлифовании с установкой на жестких центрах точность формы обрабатываемой поверхности зависит от отклонения формы и расположения центровых отверстий и центров. Вызываемые ими отклонения формы обрабатываемой поверхности велики и зачастую превосходят допускаемые.
Фактическая площадь контакта пары «центровое отверстие-центр» всегда меньше номинальной поверхности соприкосновения. На степень дискретности и расположение контакта пары «центровое отверстие-центр», кроме погрешностей формы сопрягаемых поверхностей, оказывают большое влияние упругие перемещения переднего и заднего центров и точность взаимного расположения центровых отверстий и центров. Так, при несовпадении осей центровых отверстий возникает кромочное касание центров с отверстиями.
Так как реальная площадь контакта поверхностей центра и центрового отверстия мала, а контактное давление велико, то смазка либо выдавливается, либо смазочная пленка недолговечна, быстро изнашивается и происходит сухое трение. При этом шероховатость поверхности и точность формы центровых отверстий и центров ухудшается, прогрессивно увеличивается сила трения, ухудшается плавность вращения, что в свою очередь порождает погрешности формы обрабатываемых поверхностей, как в поперечном, так и в продольном направлениях;
Таким образом, в месте контакта сопряженных поверхностей «центр-центровое отверстие» в процессе обработки будут действовать непрерывно изменяющиеся силы трения и контактные напряжения. Компенсирование этих изменений представляет весьма сложную задачу из-за значительной инерционности масс соответствующих узлов станков и отсутствия данных о закономерности этих изменений.
При шлифовании валков с установкой на жестких центрах и поддерживающих люнетах ось валка в каждый момент времени будет занимать неопределенное положение, вследствие применения двух видов установочных элементов (центров) и подводимых опор (люнетов). При этом на точность формы обрабатываемых поверхностей значительное влияние оказывают отклонения формы и износ сопрягаемых поверхностей пары центровое отверстие-центр, отклонения формы базовых шеек, характер взаимодействия базовых поверхностей (центровых отверстий и шеек под люнеты) с опорными элементами центров и люнетов при вращении валка.
При шлифовании валков наиболее широкое применение находят двух-опорные люнеты с углом расположения установочных элементов 9=105... 115и люнеты типа призм с углом 9 = 90. В этом случае обрабатываемое изделие устанавливается на неподвижных люнетах по предварительно обработанным шейкам. Требования к отклонению от круглости изделий массой до 40 т и диаметром до 1600 мм составляют в ряде случаев не более 0,030 мм. В то же время исследователи [212] отмечают, что при обеспечении минимального биения шлифовальных кругов, отклонение от круглости поперечного сечения обработанной детали может не превышать 0,1 ... 1,0 мкм.Значительное влияние на точность обработки при шлифовании на неподвижных люнетах оказывает взаимное расположение абразивного инструмента и опор изделия [212, 314, 365].
Форма профиля поперечного сечения деталей, полученная в результате шлифования на неподвижных люнетах, существенно зависит от формы траекторий, по которым в процессе обработки перемещаются точки этого сечения. В технической литературе отсутствуют данные об определении указанных траекторий, а без знания о них невозможно точно описать профили сечения деталей, получаемые в результате обработки.
Определим возможность управления колебаниями величины срезаемого припуска при обработке вала на проход за счет управления взаимным угловым расположением базирующих элементов и линии реза шлифовального круга.
Принципиальная схема обработки цилиндрической детали торцом чашечного круга с установкой на неподвижных двухопорных люнетах приведена на рис.3.6. С целью исключения передачи радиального биения шпинделя на обрабатываемую поверхность вал, в общем случае, приводится во вращение или самоустанавливающимися кулачками планшайбы, или шарнирным поводком.
Погрешность обработки зависит от принятой схемы взаимного расположения точки контакта режущего инструмента, опорных элементов изделия и точности выполнения базовых поверхностей изделия. Приведенная схема базирования характеризуется углами цпл. а расположения установочных элементов люнетов и точки контакта режущего инструмента с обрабатываемой поверхностью и конструкцией опор.
При обработке цилиндрических деталей с установкой на неподвижных люнетах, кроме движений, необходимых для осуществления процесса резания и образования формы, возникают еще и добавочные движения, вследствие отклонений формы обеих базовых шеек и характера взаимодействия базовых поверхностей с опорными элементами люнетов. Эти добавочные движения ведут к искажению формы обрабатываемых поверхностей. Изменение формы характеризуется отклонением положения рассматриваемой точки реального профиля от круговой траектории, которая была бы получена при вращении точки контакта режущего инструмента с обрабатываемой поверхностью вокруг теоретической оси.
Моделирование шероховатости обработанной поверхности
На операциях финишной обработки весьма важными параметрами, характеризующими правильность выбора характеристик инструмента и в значительной степени влияющими на показатели эффективности выполнения технологической операции обработки, являются параметры шероховатости. Важность параметров шероховатости для эксплуатационных показателей обработанной поверхности [196] приводит к необходимости создания все более широкой номенклатуры различных методов ее контроля, которые позволяли бы получать информацию более быстро, в большем объеме и т.д. Кроме традиционных для настоящего времени методов измерения шероховатости ощупыванием алмазной иглой [179, 226 и др] на профилографах-профилометрах, предлагаются усовершенствованные оптические методы измерения [123], измерения лазером [261], создания комплексов, состоящих из профилометров и вычислительных машин [228] и др.
Идеальным вариантом измерения параметров шероховатости было бы их определение непосредственно в процессе обработки, без остановки станка. Это позволило бы существенно экономить время на выполнении вспомогательных операций, в частности, на измерении шероховатости. Однако до настоящего времени создать надежные приборы для измерения шероховатости во время выполнения операции механической обработки не удалось. Предпринимаются определенные попытки автоматизировать процесс измерения шероховатости, например, при помощи лазера с целью максимального сокращения затрат времени на эту операцию. При этом методе измерения луч лазера сканирует поверхность в течение относительно короткого, порядка секунды, промежутка времени. Однако такой временной интервал неприемлем при определении шероховатости па работающем оборудовании, поскольку движение поверхности внесет весьма значительную погрешность в полученные данные. Другим сдерживающим фактором является недопустимость за грязнения измеряемой поверхности, поскольку любые дефекты изменяют картину отражения луча [261].
В этой связи становится актуальным другой путь повышения производительности обработки - прогнозирование параметров шероховатости, в частности, при шлифовании, путем моделирования шероховатости обработанной поверхности, что позволит минимизировать время обработки.
Шероховатость поверхности, обработанной шлифованием, характеризуется сложностью профиля, описываемого целым набором параметров. На начальных этапах исследования формирования шероховатости поверхности, обработанной шлифованием, рассматривали поперечное сечение профиля как результат многократного наложения профиля абразивного круга. Е.Н. Маслов [165] представляет режущий профиль шлифовального круга как совокупность равномерно распределенных абразивных зерен, имеющих в поперечном сечении форму треугольника. В работе [242] профиль поперечного сечения шлифованной поверхности представляется совокупностью следов отдельных зерен, оставленных в данном сечении после выхода из зоны контакта. При этом считается, что форма этих следов в точности соответствует форме режущей части абразивных зерен. Аппроксимацию единичной риски предлагается также проводить прямыми, окружностями, кривыми и их комбинациями при введении соответствующих поправочных коэффициентов [168, 176, 242]. Поперечное сечение рельефа шлифованной поверхности представляют и в виде многократного наложения «условного режущего профиля» [237], «элементарного режущего профиля» [194, 266, 347, 265].
Дальнейшие исследования проводились с учетом того, что расположение единичных абразивных зерен на поверхности шлифовального круга подчиняется вероятностным законам, а сам процесс шлифования является стохастическим [24, 31, 141, 150, 226, 243, 280, 327, и др]. В этих случаях образование поперечного сечения микропрофиля учитывает вероятность прохождения абразивного зерна через заданную площадку [189]. В последнее время наметилась явная тенденция моделирования процесса абразивной обработки,Х и расчета параметров шероховатости [284, 112], в том числе и с использова ния компьютерных программ. В работах [151, 268] описываются математические модели оптимизации режимов резания при шлифовании на основании обобщения и статистической обработки литературных и экспериментальных данных. Имея хорошее совпадение с результатами экспериментальных исследований, расширяя представление о формировании профиля поперечного сечения, такой подход, тем не менее, имеет ограниченные возможности по представлению шероховатости шлифованной поверхности в целом,
В реальных условиях контакт шероховатых поверхностей происходит не по линии, а по поверхности, что приводит к необходимости знать параметры шероховатости в различных направлениях. Это становится особенно важным при моделировании поверхностей с наклонным, или перекрещивающимся микрорельефом обработанной поверхности.
В работе [295] отмечается, что «большой интерес представляет составление микротопографических карт поверхностей. С их помощью можно достаточно полно оценивать микрорельефы, типичные представители которыхдают наилучшие результаты работы сопрягающихся деталей в конкретныхусловиях. Карты позволяют не только наглядно представлять полученныйрельеф, но и производить необходимые расчеты, например, для определенияжесткостных параметров неровностей. Однако получение карт пока являетсясложным процессом, требующим наличия специальной литературы. Несмотря на очевидную полезность карт ... наука за последние 30 лет практическине сделала ощутимых шагов.» Применение топографии для характеристикиэксплуатационных показателей обработанной поверхности вместо традиционных параметров шероховатости обосновано в работе [39]. Отдельные шагив направлении исследования топографии обработанной поверхности были .., сделаны при использовании методов профилографирования [109], примене нии методов растровой электронной микроскопии [104], описания математи
