Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние технологии финишной обработки деталей из особо труднообрабатываемых материалов. Цель и задачи исследований 13
1.1. Физико-механические свойства группы труднообрабатываемых материалов и область их рационального применения 13
1.2. Технологические возможности методов абразивной обработки применительно к рассматриваемым материалам 21
1.3. Методы комбинированной обработки на основе электрохимических систем и их технологические возможности 27
1.4. Технологические особенности реализации комбинированных методов финишной обработки: отечественный и зарубежный опыт 40
1.5. Выводы. Цель и задачи исследований 43
Глава 2. Основы теории интенсификации технологического воздействия на поверхность обработки в условиях использования энергии явлений, протекающих в контактной зоне 49
2.1. Повышение интенсивности технологического воздействия путём газовой активации контактной зоны 49
2.2. Внутренняя энергия обрабатываемого материала как критерий в управлении качеством обработки 51
2.3. Аналитическая оценка характера технологического воздействия на параметры качества обработки 53
2.4. Моделирование технологических систем электрохимической финишной обработки на сверхмалых межэлектродных зазорах 66
2.5. Выводы 69
Глава 3. Электроалмазное разрезание и профилирование в условиях активации контактной зоны 71
3.1. Оценка явлений активации в технологических процессах электроалмазного разрезания и профилирования 71
3.2. Интенсификация технологического воздействия в контактной зоне при гидродинамической активации 74
3.3. Явления кавитации как «дополнительный инструмент» в повышении эффективности обработки 82
3.4. Особенности анодного поведения обрабатываемого материала в условиях активации контактной зоны 85
3.5. Экспериментальная оценка технологических возможностей процесса обработки 92
3.6. Внутренняя энергия материала обрабатываемой детали как «дополнительный инструмент» при технологическом воздействии 107
3.7. Выводы 110
Глава 4. Комбинированное шлифование плоских поверхностей в сочетании с доводкой 112
4.1. Схематизация процесса 112
4.2. Кинематика режущих частей инструмента и производительность процесса обработки 117
4.3. Аналитическая оценка влияния характера технологического воздействия на параметры качества обрабатываемой поверхности 136
4.4. Экспериментальные исследования технологических возможностей процесса обработки 145
4.5. Выводы 164
Глава 5. Финишная обработка прецизионных поверхностей в технологических системах с развитым инструментальным контактированием 166
5.1. Моделирование электроабразивной обработки отверстий комбинированным инструментом с развитой электроконтактной частью 167
5.2. Схематизация электрохимической доводки полостей на сверхмалых межэлектродных зазорах 177
5.3. Моделирование технологической системы суперфиниширования в условиях граничного трения 186
5.4. Средства управления как "инструмент" обеспечения качества обрабатываемой поверхности 191
5.5. Выводы 199
Глава 6. Практическое использование результатов исследований 200
6.1. Разработка установки и типовой технологии на операцию электроалмазного разрезания 200
6.2. Реализация процесса комбинированного шлифования плоских поверхностей и опыт разработки технологии 206
6.3. Опытно-промышленная оценка технологических возможностей процесса комбинированной обработки отверстий инструментом
с развитой электроконтактной частью 211
6.4. Технологические возможности систем финишной обработки
с биполярным электродом 215
6.5. Разработка средств управления технологической системой биполярного суперфиниширования 218
6.6. Выводы 221
Заключение 225
Литература
- Технологические возможности методов абразивной обработки применительно к рассматриваемым материалам
- Внутренняя энергия обрабатываемого материала как критерий в управлении качеством обработки
- Интенсификация технологического воздействия в контактной зоне при гидродинамической активации
- Кинематика режущих частей инструмента и производительность процесса обработки
Введение к работе
Повышение требований к надежности и стабильности работы изделий современного машино- и приборостроения вызвало широкое применение в производстве материалов с особыми физико-механическими свойствами. Это высокопрочные никельсодержащие и титановые сплавы, материалы на основе вольфрама, молибдена и никеля в производстве авиаракетной техники, сложно-легированные стали в точном машиностроении, высокоэнергоемкие магнитные сплавы и композиционные материалы различных систем в электронном приборостроении, а также инструментальная металлокерамика. Основная часть указанных материалов характеризуется крайне низкой обрабатываемостью, высокими технологическими потерями и энергетическими затратами особенно на финишных операциях механической обработки.
Повышенная трудоемкость обработки показанной группы материалов обусловлена их экстремальными свойствами, то есть с одной стороны - твердыми и хрупкими, с другой - вязкими. Это вызывает необходимость модернизировать производство внедрением более эффективной наукоемкой технологии, в которой главным звеном, определяющим качество изделия, все еще остаются процессы финишной обработки.
В последнее десятилетие развитие финишной обработки в большей мере проявилось в комбинации алмазно-абразивного формообразования с методами электротехнологии, в частности, с электрохимическими процессами. Это методы комбинированного формообразования (КФ), известные по принятой классификации как электроалмазное шлифование (ЭАШ), разрезание (ЭАР), доводка, суперфиниширование (ЭАС) и другие, отличающиеся высокими интегральными характеристиками и экономичностью при обработке деталей из материалов с экстремальными свойствами. Сегодня направления развития методов КФ, основанных на электрохимических системах, характеризуются некоторым спадом разработок по новым научным программам. Это обеспечило на междуна 6 родном рынке приоритет ряда ведущих зарубежных фирм, таких как: «Anocut» и «Jones & Shipman» (США), «Tripet», «Charmilles» (Швейцария), «Friz Wendt», «Elb Shliff» (Германия), «Mitsubishi», «Hitachi», «Japax» (Япония) и ряд других. Вместе с тем, в производстве авиационного и электронного приборостроения испытывается потребность в передовой технологии и средствах её обеспечения, в совершенствовании методов формообразования в целом. Дефицит этой техники компенсируется приобретениями за рубежом, что требует существенных материальных затрат, и отраслевыми разработками, которые не всегда достойно конкурируют с зарубежными аналогами.
Однако опыт эксплуатации отечественной и зарубежной техники позволил выявить ряд общих технологических ограничений техники, основанной на электрохимических системах. В качестве таких ограничений можно выделить:
- традиционная электрохимическая система (электролизёр), представляющая собой основу технологической, содержащит два разнополярных электрода (заготовку и рабочий инструмент), характеризуется несколькими видами проводимости в межэлектродном зазоре (МЭЗ), в том числе - смешанной и электронной;
- повышенное электрическое сопротивление «несовершенной» базовой поверхности заготовки вызывает её «электрохимический износ»;
- электроконтактные явления в МЭЗ являются основными причинами высоких, более 30%, технологических потерь.
Показанные недостатки снижают эффективность перспективной технологии. Однако анализ особенностей методов КФ позволяет утверждать, что возможности этой техники далеко не исчерпаны и дальнейшее ее развитие связано с рациональным использованием электрической энергии в качестве «инструмента» при технологическом воздействии (ТВ) на материал обрабатываемой заготовки.
Цель работы состоит в разработке научных основ повышения эффективности финишной обработки деталей из материалов с экстремальными свойст 7
Цель работы состоит в разработке технологических основ высокоэффективной финишной обработки деталей из особо труднообрабатываемых материалов, создании конкурентоспособной технологии и средств её реализации.
Методы и средства исследования Теоретические исследования выполнены на основе теории поля, теории колебаний, гидро- и газодинамики, теории вероятности, методов математического анализа, с учетом достижений теории абразивной обработки, теории резания и технологии машиностроения, численных методов моделирования на ЭВМ.
Экспериментальные исследования проводились на модернизированном профи лешлифовальном электрохимическом станке мод. ЗЭ70ВФ2, специальном электрохимическом станке мод. СВЭ-901 (модернизация станка мод. ЗА227П), специальном полуавтомате для электроалмазной резки ОММ.3.154.019СБ, полуавтоматической установке для электроалмазного шлифования плоских поверхностей постоянных магнитов ОММ.3.154.021СБ, установке для электрохимической обработки прецизионных деталей мод. СЭХО-901. Обработка результатов исследований выполнена на основе математического аппарата статистики и регрессионного анализа. При этом использовались со-. временные средства измерения и контроля.
Автор защищает:
- технологические основы создания высокоэффективных процессов КЭХФ, базирующихся на сочетании, концентрации и комбинации энергии различных физико-химических и механических явлений, протекающих в контактной зоне, в качестве «дополнительного инструмента» в технологическом воздействии на обрабатываемый материал;
- высокоэффективные методы КЭХФ на основе сочетания: электроалмазного разрезания с газовой активацией контактной зоны; плоского шлифования с , доводкой; комбинированного процесса обработки в условиях развитого инструментального контактирования; суперфиниширования, доводки и удаления заусенцев в электрическом поле по технологической схеме с биполярным электродом;
- режимы функционирования высокоэффективных ТС при технологическом воздействии на генерируемую поверхность из особо труднообрабатываемых материалов;
- конструктивные решения, реализованные при создании специального оборудования, оригинальных инструментов и технологической оснастки, обеспечивающие реализацию высокоэффективных методов КЭХФ и достижение повышенных интегральных характеристик обработки.
Научная новизна По результатам комплекса теоретических и экспериментальных исследований обоснованы технологические условия рационального сочетания, комбинации и концентрации во времени электрофизико-химических воздействий, с использованием энергии электрического и магнитного полей в качестве «дополнительного инструмента» при обработке особо труднообрабатываемых материалов в условиях финишного формообразования.
Предложены и реализованы методы:
- электроалмазного разрезания магнитной металлокерамики, в состоянии остаточного намагничивания, в условиях газовой активации контактной зоны;
- электроалмазного шлифования, суперфиниширования, доводки и удалее-ния заусенцев при управляемой концентрации технологического воздействия на генерируемую поверхность;
- электроабразивного шлифования прецизионных поверхностей в условии-ях развитого инструментального контактирования.
Разработаны модели нетрадиционных электрохимико-механических систем, обосновывающих:
- исключение электроконтактных явлений при обработке на сверхмалых межэлектродных зазорах в условиях граничного трения;
- эффективное управление процессом обработки в технологических системах с биполярным электродом; - возможность расчета технологических параметров финишного формообразования в условиях развитого инструментального контактирования. Практическая ценность и реализация результатов работы
1. На основании комплекса теоретических и экспериментальных исследований предложено новое конструкторско-технологическое направление совершенствования методов финишной обработки деталей из особо труднообрабатываемых материалов, обеспечивающее повышение интегральных характеристик процессов формообразования в условиях интенсивного технологического воздействия на обрабатываемую поверхность.
2. Разработана и внедрена в производство технологическая схема для Электроалмазного разрезания, обеспечивающая управление качеством формообразования деталей из магнитной металлокерамики в состоянии остаточного намагничивания.
3. Разработана и внедрена в производство технологическая система для врезного электроалмазного шлифования плоских поверхностей миниатюрных деталей постоянных магнитов из сплава SmCoj, обеспечивающая повышение производительности в 3,5...5 раз, качество поверхности по параметру Ra=l,0...0,63 мкм и снижение технологических потерь на 15...20% при формообразовании в состоянии остаточного намагничивания.
4. На основе практической реализации технологических систем с биполярным электродом разработаны и внедрены в производство технология и оборудование для электрохимического удаления заусенцев деталей со сложным профилем: процесс доводки прецизионных поверхностей в условиях граничного трения деталей электронной техники на основе технологических систем с биполярным электродом.
5. Разработаны и внедрены в производство новые конструкции инструмента и технологической оснастки для реализации технологий формообразования, обеспечивающих условия: возбуждения явлений кавитации; совмещения во времени чернового и доводочного шлифования; электрической изоляции обрабатываемой заготовки от массы станка; формирования напряжённого состояния в материале заготовки в зоне разделения.
6. Экспериментально определены условия и режимы формообразования прецизионных деталей машин и приборов из материалов с особыми физико механическими свойствами, обеспечивающие повышение производительности более чем в 3 раза и снижение технологических потерь на 20...25% при доводке, например детали типа «волновод» из сплава НМ-40А.
7. Разработаны и внедрены в производство универсальные технологии об
работки различных поверхностей постоянных магнитов бортовых авиационных
систем и электронной техники.
По результатам работы разработано и изготовлено оборудование для формообразования отверстий в производстве ЗАО "НИТИ-ТЕСАР" (г. Саратов), внедрено в производстве ЗАО "Приборостроительный завод" (г. Тюмень), ЗАО "Завод электромеханизмов" {г.Москва). Разработано, изготовлено и внедрено в опытном производстве Федерального государственного унитарного предприятия "Алмаз" (г. Саратов) оборудование для разрезания и обработки плоских поверхностей миниатюрных магнитов.
Разработано, изготовлено и проходит опытно-промышленные испытания в производстве ЗАО "ТАНТАЛ-НАУКА" (г. Саратов) оборудование для финишной обработки прецизионных деталей электронной техники.
Внедрение результатов исследований на предприятиях авиационной и электронной промышленности позволило повысить качество изделий, снизить объем брака, энерго- и станкоемкость производства, существенно усовершенствовать его структуру и получить экономический эффект в ценах текущего года около 0,5 млн. руб.
Материалы исследований использованы в учебном процессе при чтении лекций по курсам: «Современные методы формообразования в машино- и приборостроении», «Технология и оборудование электрофизико-химических методов обработки»; при подготовке аспирантами кандидатских диссертаций : по специальностям 05.03.01 и 05.02.08.
Апробация работы. Основные научные положения и результаты исследований представлялись, докладывались и обсуждались на:
ВДНХ СССР — бронзовая медаль за промышленный образец технологического оборудования по а.с. № 1189613 -Москва, 1986 г.; всесоюзной научно-технической конференции «Нелинейные колебания механических систем» -Горький, 1987 г.; международной научно-технической конференции «100 лет российскому автомобилю» - Москва, 1996 г.; международной конференции «Композит - 98» - Саратов, 1998 г.; V Международной научно-технической конференции «Точность и надежность технологических и транспортных систем», - Пенза, 1999 г.; международной научно-технической конференции «Современные технологии в образовании и науке» (Высшая школа - 99) - Энгельс, Сарат. обл., 1999 г.; всероссийской научно-практической конференции «Современные технологии в машиностроении -2000», - Пенза, 2000 г.; всероссийской научно-технической конференции «Материалы и технологии XXI века», - Пенза, 2001 г.; международной конференции «Композит-2001» -Саратов, 2001 г.; международной научно-технической конференции «Современная электротехнология в машино- и приборостроении» - Тула, 2002 г.; всероссийской научно-практической конференции «Инновации в машиностроении» -Пенза, 2002 г.; международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы технологии машиностроения - Технология-2003» - Орел, 2003 г.; IV Международном научно-практическом семинаре «Современные электрохимические технологии в машиностроении» - Иваново, 2003 г.; V Международной научно-практической интернет-конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы технологии машиностроения - Техно логия-20 04» -Орел, 2004 г.; международной конференции «Композит-2004». -Саратов, 2004 г.; VII Международной научно-технической конференции по динамике технологических систем «ДТС-2004» -Саратов, 2004 г. Публикации. По теме диссертации опубликовано 80 работ, в том числе 5 авторских свидетельств на изобретение и 3 монографии.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованной литературы из 215 наименований, приложения и содержит 267 страниц машинописного текста, 6 таблиц, 108 рисунков.
Технологические возможности методов абразивной обработки применительно к рассматриваемым материалам
Анализ физико-механических свойств рассматриваемой группы материалов показывает, что основная их часть характеризуется крайне низкой обраба # тываемостью и относительно высокими технологическими потерями. Напри мер, в работе [111] показано, что применительно к процессу микрорезания литых магнитотвёрдых сплавов системы ЮНДКТ единичным абразивным зерном, тангенциальная составляющая Рг не должна материала; є и 3;, - степень пластической деформации и усадка стружки; у и превышать растягивающих напряжений вызывающих микротрещины. Это условие аппроксимировано в виде: cos( y) где Св - предел прочности обрабатываемого материала; do - диаметр зерна об-рабатываемого у - угол трения стружки и передний угол абразивного зерна; пр - число абразивных зёрен на единице поверхности режущего инструмента; В и L - высота режущей кромки круга и длина контакта.
Этот вывод можно отнести и к сплавам типа SmCo5. Однако разница в физико-химической активности элементов - составляющих фаз - накладывает некоторые особенности на решения технологических задач при шлифовании. Это подтверждается анализом брака на операциях механической обработки шлифованием, где объём технологических потерь, например сплавов типа ЮНДК35Т5, составляет 50-60% [101], а трудоёмкость шлифования сплавов типа SmCo5, по сравнению с ЮНДК35Т5, почти в 4 раза выше [64]. При этом в условиях традиционного абразивного шлифования неизбежны фазовые и структурные изменения приповерхностных слоев рассматриваемых сплавов на значительную глубину, растягивающие напряжения и микротрещины на поверхности обработки.
Распространёнными методами финишного формообразования магнитот-вёрдых сплавов всё ещё остаются традиционные способы абразивного шлифования. Эффективная реализация методов сопряжена с рядом технологических затруднений: низкая производительность и качество обработки, обусловленные достаточно сложным химическим составом и структурным состоянием материала; сколы и выкрашивания кромок, трещины и вырывы зёрен вызваны уровнем тепловой напряжённости и адгезионным взаимодействием компонентов сплава с режущей частью инструмента в зоне контакта; необходимость удаления всего припуска, в пределах 1-2 мм на сторону с заготовки после литья или спекания, только абразивным шлифованием; значительный расход абразивного инструмента, обусловленный высокой твёрдостью материала и частыми правками засаленной режущей части инструмента.
Из показанного видно, что форсирование режимов обработки является причиной технологических потерь; решение проблемы оптимальной взаимосвязи производительности и качества финишного формообразования может быть достигнуто путём снижения тепловой напряжённости на генерируемой поверхности.
На современном этапе развития технологической науки резервы финишных методов формообразования проявляются в изменениях характера технологического воздействия на поверхность обработки, что позволяет снизить тепловую и силовую напряжённость. Из анализа научной информации установлено, что в технологии абразивного шлифования особо труднообрабатываемых материалов определились направления интенсификации процесса съёма припуска материала, из которых можно выделить: механические, электрофизике химические и тепловые в комбинации с механическими приёмами воздействия на обрабатываемую поверхность, в частности, абразивным микрорезанием.
Механические приёмы интенсификации абразивного резания реализованы в отечественной и зарубежной практике в процессах однопроходного [81 ] шлифования и шлифования в нестационарных условиях [41,42,43,44,119].
В отечественной научной информации в качестве перспективного и высокопроизводительного рекомендуется глубинное (однопроходное) шлифование. Технологические возможности метода раскрываются рядом исследований [58,60], где характеризуются основные аспекты процесса, взаимосвязь режимов и характеристик абразивного инструмента с производительностью и качеством обработки.
В зарубежной научной информации отмечается [123,124,126,128,129], что процесс однопроходного шлифования или шлифование по технологической схеме с так называемой "ползучей подачей" (creep feed) вышел за пределы лабораторных исследований и находит широкое применение в авиационной и инструментальной промышленности, турбостроении и других отраслях, с успехом конкурирует с многопроходным шлифованием, часто используется при работе в режиме "абразивного фрезерования". В работе [129] показан принцип плоского глубинного шлифования и процесс сравнивается с фрезерованием, при этом обращается внимание на замедленные и стабилизированные скорости стола в пределах 10-500 мм/мин. В качестве преимуществ отмечается: однократный контакт инструмента с заготовкой, в результате чего снижается общий износ круга, увеличивается производительность и размерная точность обработки. Например, обработка штампа из хромистой стали в состоянии HRC3 60...62 на станке мод. МНРЕ 500 фирмы Tripet (Швейцария) занимает всего 5-6 мин., тогда как при многопроходном шлифовании операция длится 6-8 часов [124]. По данным зарубежной информации, рядом фирм разработано специальное оборудование для однопроходного шлифования. Отмечается, что фирмы "Snow Company" и "Jones Shipman" - (США), используя результаты исследова Ф ний Бристольского университета, работают над созданием современного оборудования для шлифования по схеме "creep feed". Фирмой "Elb Schliff - (Германия) [123] разработан специальный плоскошлифовальный станок с ЧПУ, и в настоящее время выпуск подобного оборудования составляет до 60% объёма производства этой фирмы [124].
Однако, несмотря на положительные стороны рассмотренного процесса шлифования, необходимо выделить и отрицательные аспекты, из них главный: имеют место колебания температуры, что приводит к образованию дефектов -у шлифованной поверхности. Границы колебаний могут быть от 180С до 1000С и выше [129]. Такие условия могут быть вызваны: неудовлетворительным ох-лаждением; увеличением размера зерна абразивного инструмента; форсированием скорости перемещения инструмента относительно обрабатываемой поверхности [97].
Внутренняя энергия обрабатываемого материала как критерий в управлении качеством обработки
Методы интенсификации технологического воздействия на генерируемую поверхность имеют целью повышение эффективности различных вариантов механической обработки деталей на операциях, условия выполнения которых известны. Однако достаточно часто востребованы технологические процессы "Г (ТП), условия реальзации которых не всегда поддаются расчету. В этих случаях необходимы критерии, на основании которых возможна обобщающая оценка эффективности технологии в целом. К таким критериям можно отнести энерге тические, которые позволяют разделить ТП на скачкообразные и монотонные.
Скачкообразные ТП характеризуются резким изменением механических свойств материала заготовки изделия в локальной зоне за счет создания напря жонного состояния. К таким процессам можно отнести, например раскалыва ние. А.В. Королевым доказано, что в условиях скачкообразного процесса г" управляющие параметры пропорциональны затраченной энергии А и характе ризуются коэффициентом полезной работы р [...]: С к Літіп У і max. (2.5) t„ шіл si min A Yj\vi ) \ \qi{x9y9t)dxdydt V P = t (2.6) где 0;(t) — скорость инструмента в момент времени t; q{(x, у, і) — удельная нагрузка на инструмент в произвольной точке рабочего пространства с координатами х, у в момент времени t; dx, dy, dt - элементарные пространства и момент времени, в которых рассматриваются работа г-го инструмента; хШгь хітах, уітахг Ушіп - границы области воздействия г -го инструмента на рабочее пространство; С - число работающих инструментов; Ар — полезная работа.
Показатели качества при этом можно характеризовать внутренней энергией насыщения материала заготовки изделия, единовременной технологической энергией Ае и единовременным объемом формообразования Ve. Известно, что внутренняя энергия насыщения материала Е0 — это полезная работа, затраченная на единицу объема формообразования, и обусловлена способом изготовления изделия, его физическими и геометрическими параметрами. Чем выше Eg, тем выше качество изделия. На формообразование изделия затрачивается единовременная технологическая работа Ае, адекватная полезной работе единичного инструмента. Следовательно, с увеличением единовременной работы качест во изделия будет снижаться.
Однако единовременный объем формообразования Ve представляет собой объем изделия, которому сообщается единовременная технологическая работа, и определяется соотношением: ив=Ае/Е0. (2.7)
В этой связи правомерно заключить - чем меньше единовременный объем формообразования, тем меньше дефектов изделия будет задействовано на операции, следовательно, тем выше будет качество обработки. В свою очередь единовременный объем формообразования Vc может быть связан с единовременной глубиной he формообразования зависимостью K=VjSe. (2.8) где Se - площадь сечения образца.
Параметр he может быть использован как критерий, определяющего эффективность и качество обработки. Например, при «разделении» заготовок из материалов с низким сопротивлением на изгиб, к которым относится магнитная металлокерамика систем Sm Fe-Nd-B, чем больше параметр he, тем больше вероятность появления дефектов, обусловливающих объем технологических потерь. При обработке изделий из указанных материалов параметр единовременной глубины формообразования he будет и параметром оптимизации, определяющим характер протекания обработки.
Аналитическая оценка характера технологического воздействия на параметры качества обработки
В работах представителей различных научных школ выдвигалась концепция, основы которой связывались с качеством обрабатываемой поверхности, которое обусловливалось характером технологического воздействия [159,160].
В условиях финишной обработки прецизионных деталей к качеству генерируемой поверхности предъявляются повышенные требования по физическим и механическим параметрам. Например, при формообразовании магнитной металлокерамики системы Sm-Co основные технические требования содержат следующее: V - уровень теплового насыщения не должен превышать критических значения в пределах 550...600 С, при которых происходит изменение микроструктуры с образованием слабомагнитной фазы 8т2Со17; - шероховатость должна быть в пределах Ra=1.25 ... 0.63 мкм; - микротрещины, сколы и выкрашивания допустимы на 10...15% поверхности обработки.
Показанные требования могут быть реализованы за счёт управления пара метрами технологического процесса, например скорости микрорезания vKp или "т" величиной продольной подачи Sn.
В соответствии с выдвинутой концепцией и для управления качеством обработки, предложен метод финишного формообразования деталей призматической формы, обеспечивающий охлаждение обрабатываемой поверхности в зоне, совмещенной с зоной шлифования. Реализация метода осуществляется изменением окружной скорости \кр абразивного инструмента по гармоничному закону в период Т, связанный с длиной заготовки /э, скоростью продольной подачи Sn по зависимости T l3/2Sn и амплитудой колебания скорости микрорезания в пределах 3...5 м-с". Управление выходным параметром - окружной скоростью инструмента v позволяет реализовать нестационарный характер микрорезания, при этом тепловое насыщение генерируемой поверхности в зоне контакта осуществляется импульсно [160]. С учётом характера микрорезания, предпринята попытка вывести уравнение, описывающее уровень температуры в контактной зоне от действия мгновенных тепловых источников.
В основе решения задачи использован математический аппарат теории мгновенных тепловых источников, разработанный С.Г. Редько, дополненный и развитый Д.Г. Евсеевым, А.Н. Сальниковым, А.В. Королёвым, А.В. Якимовым, А.Н. Резниковым. Для упрощения описания образования и распространения тепла, примем следующие допущения: - распределение тепла от плоского источника происходит равномерно по обра батываемой поверхности;
Интенсификация технологического воздействия в контактной зоне при гидродинамической активации
В работах Ф.В.Седыкина [] показано, что интенсивность электродных процессов обусловлена как давлением Р и расходом Q технологической среды, прокачиваемой через МЭЗ. Однако характер течения будет определять условия формирования скачка давления. Следовательно, и явления кавитации. Такие условия в наших работах реализованы путем центробежной прокачки среды через тороидальную камеру электрода-инструмента (рис. 3.2), где a priori установлены явления кавитационной эрозии в контактной зоне.
Принципиальная схема технологической системы комбинированного резания с газовой активацией контактной зоны 1- тороидальная камера ЭИ; 2 заготовка; 3 - насос; 4 - система магнитной очистки; 5 - ёмкость
Наиболее распространённой теорией кавитационной эрозии считают теорию Рэлея [...], основанную на предположении «охлаждения» пузырьков (каверн) в потоке жидкости при определённом давлении Р. Давление Р, развиваемое в пузырьке, обусловлено изменением его радиуса R и гидростатическим давлением Рг в объёме жидкости. В частности, для технологической среды на водной основе эта зависимость имеет вид [...]:
где Ro и R - соответственно, начальный и текущий радиусы пузырька; Рг — гидростатическое давление в объёме среды.
Из уравнения (3.1) видно, что интенсивность кавитационной эрозии материала, проявляющейся за счёт охлопывания каверн, определяется изменением их размеров и гидростатическим давлением в контактной зоне. В наших исследованиях предпринята попытка теоретического определения уровня давления Р и характера распределения этого параметра в МЭЗ (рис. 3.3).
Таким образом, выражения (3.8) и (3.9) определяют давление Р и расход Q среды по длине контакта.
Из анализа уравнения (3.8) можно сделать вывод, что рост гидростатического давления связан, со снижением динамического напора среды вследствие изменения гидравлического сопротивления, вызванного взаимодействием электродов, так называемой «пары трения». Давление на выходе из МЭЗ можно оценивать из условий, что сила давления среды на контактную поверхность обусловлена углом её "вхождения" (рис. 3.4).
Представление уровня давления на входе и выходе среды из зазора
Представим, что угол схода асх среды с боковой поверхности ЭИ формируется под действием центробежных сил по траектории схода. Этот угол можно представить углом между касательной к режущей кромке ЭИ и траекторией схода среды, например в точке А. (см. рис. 3.4), Если в рассматриваемых условиях силу давления струи F аппроксимировать давлением Р, то на входе в контактную зону, определяемую углом фь угол схода можно представить в виде otcxi = асх - фьа давление Р\ = Pcos(acxi).
Для выходного участка; Р2 = Psin(acx2), где azx% = асх - ср2. Тогда связь этих параметров в контактной зоне представим зависимостью: Р2 = PlSin(o 2) (3-Ю) cos(a„,)
Из выражения (3.10) видно, что давление среды по длине МЭЗ изменяется по гармоническому закону. В этих условиях правомерно ожидать скачок давления, что обусловит появление кавитационных явлений, энергию которых ис пользуем как "дополнительный инструмент", интенсифицирующий технологическое воздействие на обрабатываемую поверхность. Показанное, реализовано при центробежной прокачке среды, и путём монтажа дискового отрезного инструмента с эксцентриситетом, и роторным перемешиванием с газовой фазой, образующееся в результате электродных процессов и подсоса из атмосферы.
Рассматриваемая модель исследовалась экспериментально. Для оценки характера распределения давления по длине межэлектродного контакта моделировали величину МЭЗ с капиллярными трубками сечением 0,7 мм. Уровень давления оценивали по высоте водяного столба. Исследование проводились с использованием алмазного инструмента АСВ80/63 Ml 100 (0200x1.2), скорость на периферии оставалась постоянной VKp 23 м/с. Круг закреплялся в сборной конструкции с радиальными пазами для центробежной прокачки. Закон изменения величины зазора контактактной зоне выразим в виде: h = h0 + е cos(cp), где h0 - первоначальный зазор, вызванный вылетом зёрен круга над связкой; е -величина смещения круга относительно начального положения (рис.3.5).
Зависимость уровня начального давления Р] от расхода рабочей жидкости через инструмент, приведённый на рис. 3.6. По результатам получен в результате обработки экспериментальных данных исследуемый параметр Р[ и аппроксимирован функцией:
Кинематика режущих частей инструмента и производительность процесса обработки
При обработке по технологической схеме с полным съемом, когда Sn«V, значение —— - несущественно. Тогда (4.3) можно привести к виду: 1в » Rsinq яв RarcsinB/2R ,д ,ч Из выражения (4.4) видно, что длина дуги контакта принимает предельные значения 1в=тах с периодом я/2. С учетом показанного, скорость «силовой» ружущей части инструмента аппроксимируется в виде: Vc = 0,lRn. (4.5)
В реальных условиях, при формообразовании по технологической схеме «creep feed» рассматриваемым инструментом, влияние на уровень тепловой напряженности в зоне контакта возможно путем параметрической осцилляции доводочной части инструмента и за счет периодического изменения скорости микрорезания [7,10,98]. Процесс микрорезания на доводочной стадии инструментом с кольцевой режущей поверхностью, радиально смещенной относительно его геометрического центра, рассматривался в работе [60], где ограничились выводом выражения для текущего радиуса. Однако при этом не использована возможность управления каким-либо из параметров обработки. В этой связи предложен способ шлифования и устройства для его реализации, где квазидискретная доводочная часть может быть смонтирована неподвижно [8], то есть «заторможена» в направлении вектора скорости микрорезания и с возможностью свободного вращения [10]. Показанные технические решения обеспечивают регулирование скорости микрорезания на стадии доводки, в одном случае за счет периодического изменения траектории движения текущего радиуса rt квазидискретной доводочной части в течение одного оборота, в другом - за счет периодического изменения сил фрикционной связи «пары трения». Однако в наших исследованиях рассмотрено только частное 120 решение, когда квазидискретная доводочная часть «заторможена» относительно корпуса инструмента (рис. 4.6).
Рассмотрим кинематику движения точки М (см. рис. 4.3) на кольце, установленном с радиальным смещением относительно геометрического центра инструмента. С учетом смещения доводочной части, система уравнений точки М выразится: где г - условный радиус режущего кольца доводочной части; є=е/г«1 -приведенное радиальное смещение доводочной части, отнесенное к радиусу г; е - эксцентриситет.
Из выражения (4.8) видно, что дуга контакта доводочной части периодически изменяется в пределах радиального смещения. Отсюда можно заключить, что в пределах дуги контакта будет изменяться по азимуту и текущий радиус гь который находим из (4.6), выразив уравнение окружности с переменным радиусом: ri = j(rcosa + s)2 +r2sin2o: . (4.9) Решая (4.9), получим выражение текущего радиуса квазидискретной доводочной части инструмента в виде: ri«r(l±ecosa). (4.10)
Вследствие радиального смещения скорость микрорезания при контакте доводочного кольца будет складываться из тангенциальной VT и радиальной Vx составляющих: VT = шгі » 0,lr«(l + е cos а) (4 11) Vx = 0,ltte(sin a - l,5e sin 2a) Ґ4 12) Здесь радиальная составляющая Vx представляет собой суперпозицию гармонических колебаний с периодами, равными п и 2п, соответственно, амплитудами е и 1,5е.
Совместным решением уравнений (4,11) и (4.12) получим полную скорость микрорезания от воздействия доводочной части инструмента на поверхность заготовки: =0,l (r+ ecosa)2+(sitiQf-l,5esin2a)2 « 0Дгл(і + є cos a). (4.13) Из выражения (4.13) видно, что линейная скорость единичной режущей поверхности доводочной части регулируется с периодом, равным п, и совершает возвратно-поступательное движение по направлению подачи заготовки, классифицированное параметрической осцилляцией в контактной области Н, описываемой траекторией движения единичного режущего зерна. С учетом (4.10), область Н выразим в виде: H=2bq+ecosa, где bq - ширина режущей поверхности доводочной части инструмента.
Из анализа кинематики режущих частей предложенной конструкции инструмента видно, что доводочная часть в динамике вращения «работает» в режиме полной линейной скорости ее элементарной поверхности имеет периодический характер. В этой связи правомерно утверждать, что тепловые импульсы от взаимодействия ружущих зерен с обрабатываемой поверхностью -так называемой «пары трения» не смогут накапливаться, так как в течении технологического цикла, равного одному обороту, в контактной области Н (см. рис. 4.3) формируются фазы нагрева и охлаждения, длительность х которых адекватна.
Для аналитической оценки характера взаимодействия доводочной части инструмента с заготовкой представим величину изменения радиуса, как выходного или управляемого параметра в области Н, в виде некоторой функции р, определяющей координаты области регулирования: г. -г - ecosa = р, откуда a- arccos/?/e.
