Содержание к диссертации
Введение
1. Исследование процесса механической обработки шлифовальных кругов
1.1. Исследование процесса разрушения абразивного материала
1.2. Исследование критериев разрушения абразивного материала
1.3. Исследование влияния структурных параметров на прочность абразивного материала
1.4. Исследование показателей эффективности процесса разрушения
1.5. Исследование способов обработки шлифовальных кругов 28
1.6. Феноменологическая модель процесса механической обработки шлифовальных кругов
2, Исследование эксплуатационных показателей алмазного инструмента в процессе механической обработки
2.1. Техническое оснащение экспериментальных исследований 38
2.2. Исследование работоспособности алмазного инструмента в зависимости от структурных параметров абразивного круга
2.3. Исследование коэффициента работоспособности алмазного инструмента в зависимости от твёрдости абразивного круга
2.4. Анализ влияния технологических параметров процесса на эффективность обработки и коэффициент работоспособности ал- 53 мазного инстру мента
2.5. Характер износа алмазных зёрен 61
2.6. Анализ полученных результатов и определение рациональных режимов процесса механической обработки шлифовальных кру- 62 гов
3. Разработка устройства активного контроля на основе рациональных режимов механической обработки
3.1. Анализ устройств активного контроля 66
3.2 Исследование характеристик элементов устройства активного контроля
3.3. Исследование первичных преобразователей, построенных на основе струйных элементов
3.4. Исследование вторичных преобразователей устройства активного контроля
3.5. Аппаратурная реализация устройства активного контроля геометрических размеров шлифовальных кругов
4. Статистическая оценка результатов исследования 94
4.1. Исследование динамических погрешностей первичных преобразователей сигналов
4.2. Сравнительно - статистическая оценка погрешностей размеров в процессе механической обработки шлифовальных кругов Общие выводы 100
Литература 102
- Исследование критериев разрушения абразивного материала
- Исследование работоспособности алмазного инструмента в зависимости от структурных параметров абразивного круга
- Исследование характеристик элементов устройства активного контроля
- Сравнительно - статистическая оценка погрешностей размеров в процессе механической обработки шлифовальных кругов Общие выводы
Введение к работе
Актуальность темы. Современное развитие абразивной обработки характеризуется, прежде всего, резким повышением интенсивности съёма металла. Это, в свою очередь, требует либо значительного увеличения окружных скоростей абразивных кругов, либо увеличения продольных и поперечных подач. В работах Л.Н. Филимонова, П.И. Ящерицына, Э.В. Рыжова, Г.Б. Лурье отмечается, что при скоростном шлифовании необходимо применение шлифовальных кругов обладающих повышенной точностью и малым дисбалансом, что в результате неуравновешенности масс и высокой скорости шлифования приводит к появлению вибраций и увеличению тепловых полей в зоне контакта, и как следствие неравномерного распределения микротвёрдости на поверхности обрабатываемой детали.
Шлифовальные круги на основе белого электрокорунда 25А нашли своё применение при обработке деталей из закалённых углеродистых, быстрорежущих и нержавеющих сталей, хромированных и нитрированных поверхностей, а также при обработке тонких деталей и инструментов, когда отвод тепла образующегося при шлифовании затруднен (штампы, зубья, шестерни, резьбовой инструмент, тонкие ножи, лезвия, стальные резцы, сверла, деревообрабатывающие ножи и тлі.).
Применяемые методы и режимы механической обработки абразивных кругов оказывают, впоследствии, существенное влияние на технико-экономические показатели шлифовальных кругов [1,2,3,4].
Эффективность процесса обработки зависит от обоснованного выбора правильного обрабатывающего инструмента. Основными критериями выбора инструмента, отмечаемыми в работах Р.Ф. Романова, И. В. Иванова,
Н.В. Никиткова [5,6,7,8] являются: точность обработки, волнистость поверхности, что в целом определяет класс точности абразивного круга.
Проведённые исследования Ю.М. Буки, В.К. Камулыиевским, В.А. Федотовым, П.Н. Томовым по применению правящих инструментов из сверхтвёрдых материалов и инструментов, в состав которых входит синтетический алмаз, показали, что стойкость таких правящих инструментов уступает стойкости инструмента на основе природного алмаза. При этом точность обработки абразивного круга алмазным инструментом значительно выше.
Актуальность темы исследований определяется следующими соображениями. В настоящее время режимы, обеспечивающие высокий уровень работоспособности алмазного инструмента назначаются эмпирическим путём. Резервы повышения эффективности механической обработки заключаются в установлении зависимостей между параметрами процесса и свойствами абразивного круга (физико-механическими, структурными).
Актуальность темы определяется и тем, что вопрос контроля точности обработки кругов может быть решен, при применении устройства активного контроля геометрических размеров шлифовальных кругов. Используя данное устройство на шлифовальных станках можно получить требуемую точность обработки при высокой производительности или повысить производительность при сохранении заданной точности. Обработка шлифовальных кругов на предприятиях отрасли до сих пор осуществляется способом пробных замеров или по копиру, что также не обеспечивает необходимой точности, так как в первом случае имеет место влияние человеческого фактора, а во втором - жесткости системы СПИД (станок - приспособление - инструмент - деталь). Недостатком указанных способов является то, что снижается производительность оборудования из-за необходимости остановок для измерения кругов и невозможность автоматизации процесса.
Устройство активного контроля механической, обработки шлифовальных кругов является важным средством автоматизации технологического процесса и повышения качества выпускаемой продукции машиностроения. Об этом свидетельствуют многочисленные проекты решения этой задачи: серийно выпускавшиеся инструментальной промышленностью устройства позволяющие проводить контроль геометрических параметров в процессе обработки (скобы, тензометрические устройства) [9, 10, 11, 12, 13, 14, 15,
16].
При проведении исследований нами были установлены недостатки, присущие известным устройствам. Устройства активного контроля, работающие контактным способом, не способны обеспечить требуемую точность измерений вследствие того, что абразивный инструмент со временем истирает наконечник датчика. Перспективно было бы решать данную задачу с применением бесконтактных датчиков, к числу которых относятся датчики, работающие на сжатом воздухе.
Однако, уже существующие пневматические устройства контроля геометрических размеров [17, 18, 19] обладают инерционностью пневмопривода, что сказывается на точности измерения и надёжности их работы из-за наличия подвижных механических частей в системе измерения.
Недостатком другого известного устройства является невозможность абсолютного контроля размера обрабатываемого круга и ограниченность предела измерения.
Разработанное устройство активного контроля [20] отличается тем, что оно ликвидирует указанные недостатки и может быть внедрено, как на станках с ручным управлением, так и на станках с автоматическим или полуавтоматическим циклом работы.
Так в первом случае, устройство активного контроля проводит измерение обрабатываемого круга в процессе обработки и по показаниям прибора оператор может регулировать режимы, а при достижении требуемого размера подается сигнал об окончании процесса.
Во втором случае, устройство регистрирует изменение геометрических размеров обрабатываемого круга и через блок преобразователей, выводит результаты о ходе технологического процесса при помощи индикационного табло и параллельно подаёт сигналы на изменение заранее выбранных режимов обработки в цепь управления станком.
Цель работы - повышение эффективности и качества механической обработки абразивных кругов, путём определения и назначения рациональных режимов при оптимальных характеристиках алмазного инструмента, реализуемых в системе автоматизированного и автоматического управления процессом.
Научная новизна. Разработаны и обоснованы критерии выбора рациональных режимов механической обработки шлифовальных кругов, при максимальной работоспособности алмазного инструмента.
Описано влияние структурно-механических параметров обрабатываемого круга на коэффициент работоспособности алмазного инструмента.
Разработана феноменологическая модель процесса механической обработки шлифовального круга, учитывающая его структурные и физико-механические параметры и режимы процесса.
Практическая ценность и реализация результатов работы. Разработан и апробирован в условиях Волжск ИСИ новый технологический процесс механической обработки шлифовальных кругов. Разработанная технология позволяет изготавливать шлифовальные круги класса точности АА, повысить эффективность алмазного инструмента.
Разработано новое устройство активного контроля, на которое получено свидетельство на полезную модель РФ «Пневматическое измерительное устройство» № 24280.
Производственные испытания алмазного инструмента с применением устройства активного контроля в условиях производства ОАО «Волжский абразивный завод» показали увеличение выхода кругов класса точности АА.
Применение рациональных режимов, в процессе механической обработки алмазным инструментом позволило сократить величину припуска на обработку шлифовальных кругов.
Исследование критериев разрушения абразивного материала
Эквивалентная теоретическая прочность на сдвиг может быть рассчитана в предположении синусоидальной зависимости для сдвиговых перемещений и касательных усилий.
Максимальное приведенное касательное напряжение при испытании на растяжение равно половине растягивающего напряжения тмакср =\/2ар.
Таким образом, в случае изотропного образца трудно решить, произошло ли разрушение путем отрыва или сдвига под действием растягивающей нагрузки.
Возвращаясь к вопросу о несовершенстве внутренней структуры абразивного материала и используя, теорию Гриффитса [21], которая описывает условия, необходимые для распространения существовавших в теле трещин, К. Е. Инглис [21] теоретически показал, что в упругом теле у кончика малой трещины возникает концентрация напряжений. Именно эта работа привела Гриффитса к предположению об «ответственности» микротрещин за низкую прочность материалов. Идея заключается в том, что рост приводит к непрерывному понижению свободной энергии композиционного материала. Свободная энергия, по мнению Гриффитса включает в себя: поверхностную энергию трещины и упругую энергию деформации. Причём с ростом длины трещины поверхностная энергия возрастает, а упругая энергия уменьшается. Энергия, необходимая для образования двух новых поверхностей определяется из выражения: Us=2yt\ (1.11) где с - длина трещины, м; у - удельная поверхностная энергия, Дж/м . Упругую энергию, запасенную в нагруженном абразивном материале, а затем освобожденную вследствие образования трещины, можно определить: 2 2 ие = т _ (1Л2) Е где о - среднее напряжение до образования трещины, Па. Упомянутое выше условие роста трещины, выражается зависимостью (1ЛЗ) ОС ОС Следовательно, используя выражения (1.11) и (1.12) получим: а-{Еу!ж г (1.14)
Таким образом, напряжение, необходимое для распространения трещины, обратно пропорционально квадратному корню из длины трещины. Особое достоинство такого подхода к вычислению прочности состоит в том, что при этом не требуется никакой информации относительно формы кончика трещины. На практике длину трещины можно приблизительно взять равную глубине резания.
В некоторых теориях зарождения трещин основное предположение состоит в том, что концентрация напряжений возникает в головной части плоских скоплений дислокаций или в результате слияния дислокаций [34, 35, 36], а также на таких препятствиях, как взаимно пересекающиеся полосы скольжения, границы зерен и т. д. Независимо от конкретной ситуации критерий зарождения трещин полученный А.Н. Стро [37], будет равен: ЪтР-у, / п= %г, (1.15) где п - число сливающихся дислокаций; /] - эффективная поверхностная энергия, Дж; Ъ - вектор Бюргерса; г - касательное напряжение, МПа.
Образование трещин в результате скопления краевых дислокаций у границ зерен было предложено в качестве гипотезы К. Зинером [36] и наблюдалось затем Р. Стоксом [21] и А.Р. Вествудом [23]. Зарождение трещин в керамических материалах связано с сильной неоднородностью деформации, когда полоса скольжения блокируется структурным барьером (границей зерна, концентрацией напряжений, возникающей в плоском скоплении) и не может быть снята за счет скольжения в окружающем материале.
Детальное исследование зарождения трещин в керамических материалах, проведенное А.С. Аргоном и Е. Орованом [23] показало, что образование трещин в этом материале есть следствие макронапряжений, но не напряжений, возникающих при слиянии дислокаций. В этой работе показано, что внутренние макронапряжения возникают в результате сопротивления дислокационной полосы внедрению в нее встречной полосы скольжения. Авторы отмечают три типа взаимодействий полос скольжения, которые ведут к зарождению трещины; 1) случай, когда имеются различия в поперечных размерах сегментов одной и той же дислокационной полосы, лежащих между разными пересекающимися полосами; 2) остановка узкой полосы очень широкой полосой, расположенной под прямым углом к ней; 3) образование границы, на которой встречаются две одновременно расширяющиеся полосы.
Исследование работоспособности алмазного инструмента в зависимости от структурных параметров абразивного круга
Проведённые теоретические исследования процесса разрушения абразивного материала в главе 1, позволили определить зависимости эффективности процесса механической обработки от основных параметров круга и технологического процесса.
Используя техническое оснащение и изменяя параметры технологического процесса механической обработки шлифовальных кругов, экспериментально определим их влияние на показатели коэффициента работоспособности алмазного инструмента, удельной производительности и мощности потребляемой в процессе обработки.
Характеристика оборудования, обрабатывающих инструментов и абразивных кругов (заготовок) приводятся ниже. Экспериментальные исследования определения эффективности процесса механической обработки, проводились в лаборатории Механической Обработки Волжского инженерно-строительного института и на ОАО «Волжский абразивный завод». Оборудование Выполнение экспериментов проводилось на универсальном токарно— винторезном станке мод. 163 М и внутришлифовальном станке мод. ЗА227 (обработка алмазным роликом). Краткая характеристика станка модели 163 М Основные размеры Наибольший наружный диаметр обрабатываемого изделия, мм 630 Высота центров, мм 315 Число оборотов шпинделя, об/мин. 10... 1250 Мощность электродвигателя, 10 Вт. 14 Число ступеней подач на один оборот шпинделя, мм продольной 0,1-.-3,2 поперечной 0,04.,.1,08
Станок оснащён дополнительными узлами и приспособлениями: защитным кожухом; шлифовальным суппортом, для принудительного вращения режущего, инструмента на суппорте установлен шпиндель завода «Калибр», который приводится во вращение через клиноремённую передачу от электродвигателя. Техническая характеристика шлифовального суппорта Электродвигатель привода шпинделя Мощность, 103 Вт 1,7 Число оборотов, об/мин 2860 Число оборотов шпинделя, об/мин. " 8500 Краткая характеристика внутришлифовального стайка модели ЗА227 Диаметр отверстия обрабатываемого изделия, Наибольший, мм. 100 Наименьший, мм. 20 Наибольший наружный диаметр обрабатываемого из- 300 делия, мм. Расстояние от оси шпинделя до стола, мм. 230 Техническая характеристика шлифовальной бабки Электродвигатель привода шпинделя Мощность, 103 Вт 2,8 Число оборотов, с"1. 2880 Число оборотов шпинделя, с"1. 8400, 9600, 12600, 18500,24400
Скорость шлифовальной бабки, м/мин. 0,4... 12 Инструмент, применяемый для обработки абразивных кругов Правильный выбор вида обрабатывающего инструмента связан с необходимостью учёта значительного количества факторов технического и экономического порядка [84,85,86,87,88].
К ним относятся: требования к точности и геометрии поверхности обрабатываемых кругов. Высокая износостойкость алмазных инструментов, сделали их незаменимыми для эффективного автоматизированного производства. Необходимо отметить, что в качестве обрабатывающих инструментов нами также были выбраны для сравнения инструменты, выполненные на основе материала карбида кремния 54С.
Для экспериментального исследования процесса механической обработки шлифовальных кругов, были применены следующие три типа алмазного инструмента: - ролик алмазный нерегулируемый типа РАН - 40К, К - для кругов на керамическом связующем с наружным диаметром 40мм представлен на рис. 2.1; - фреза алмазная нерегулируемая типа ФАН - 110-А с 15-ю напаянными штабиками, с наружным диаметром ПО мм, изображена на рис. 2.2; - фреза алмазная нерегулируемая типа ФАН - 110-Б с наружным диаметром 110 мм, представлена в трёх видах на рис.2.3.
Исследование характеристик элементов устройства активного контроля
При выборе устройства активного контроля, необходимо учитывать характерные особенности измерительных элементов, контролирующих процесс механической обработки шлифовальных кругов, например высо кую устойчивость работы при воздействии колебательных процессов и высокой запылённости окружающей среды.
Влияние колебаний на работоспособность оптических приборов, фотоэлементов в устройствах активного контроля, не позволит эффективно выполнять процесс контроля обработки. Данные явления сильно сказываются на точности электрических приборов.
В связи с вышеперечисленным, пневматические элементы и приборы, характеристики которых представлены в работах[109, ПО, 111, 112], обладают большим числом достоинств: 1 малая чувствительность к влаге и загрязнениям; 2 самоочистка датчиков, благодаря выходящему из них воздуху; 3 возможность бесконтактного измерения; 4 нечувствительность к вибрациям; 5 возможность сложения и вычитания двух измеряемых величин с помощью простых по конструкции устройств; 6 простота изготовления малогабаритных датчиков; 7 высокая надежность при простоте ухода. Для выполнения функций автоматического управления, в специализированных производствах, используют высоконадёжные струйные и другие пневматические элементы и устройства.
Опыт эксплуатации струйных систем управления этого типа в течение 30 лет в тяжёлых условиях абразивной и алмазной промышленности подтвердил надёжность выбранных устройств.
Отрицательной стороной механической обработки шлифовальных кругов, с использованием инструментов типа ФАН-110-А, ФАН-110-Б, РАН-40К, является необоснованный расход алмазного инструмента.
Данная проблема имеет многократные попытки решения, связанные с применением устройств активного контроля [97]. Применение активного контроля именно на операциях обработки посадочного отверстия шлифовальных кругов, обеспечивает получение высокотехнологичных кругов, обладающих малыми величинами дисбаланса и неуравновешенности масс, а также существенно сократить припуск на обработку.
Анализируя работу [96], нужно отметить, что устройство активного контроля не давало сведений об абсолютном размере посадочного отверстия шлифовального круга, а установочная мера, по которой была проведена предварительная настройка, использовалась для сравнения с текущим размером.
Измерительная оснастка устройства представляет собой измерительную головку, включающую два пневматических следящих датчика и два преобразователя, В качестве отсчетно-командного устройства использовался контактный пневмоэлектрическии преобразователь БВ 6060 - 4К - 2.
В качестве упругих чувствительных элементов использовались силь-фоны, обладающие большой инерционностью и, в конечном итоге, погрешностью обработки. Основой работы [96] является то, что линейные измерения следящих датчиков передаются через толкатели на преобразователи, которые, в свою очередь, обеспечивают подачу электрического сигнала на отсчетно-командное устройство.
По мере снятия припуска посадочного отверстия шлифовального круга, измерительные сопла, следуя за профилем, все больше расходятся друг от друга, приводя при этом на выходе с преобразователей к увеличению сигнала.
При увеличении суммарного сигнала происходит перемещение силь-фона. В моменты, соответствующие заранее определенным значениям размера посадочного отверстия круга, происходит срабатывание электрических контактов преобразователя. Когда текущий размер отверстия совпадает с размером установочной меры, выдается команда на прекращение обработки и отвод шлифовальной бабки. В процессе обработки шлифовального круга текущее значение размера отверстия определяется по шкале отчетного устройства.
При выходе измерительной головки из зоны обработки измерительный зазор датчика положения вновь становится «бесконечным». Сигнал с датчика блокируется усилителем, сопла датчиков втягиваются вовнутрь измерительной головки, отсчетно-командное устройство приводится в исходное состояние: сбрасываются показания по шкале устройства, схема устройства контроля приходит в исходное состояние, устройство активного контроля подготовлено к обработке следующего круга.
Устройство [98] предназначено для контроля посадочного отверстия шлифовального круга в процессе обработки и размещается на станке РТ-103. Данное устройство обеспечивает бесконтактное измерение отклонений размера шлифовального круга в процессе механической обработки. Настройка на точный размер осуществляется дополнительной регулируемой скобой.
В основу работы прибора положен бесконтактный пневмоэлектриче-кий принцип действия. Измерительное устройство вместе с кареткой станка попадает в зону обработки отверстия шлифовального круга, где посредством датчиков размера производятся измерения зазоров между торцами сопел датчиков и контролируемой поверхностью. По мере увеличения диаметра отверстия круга в процессе обработки происходит увеличение зазоров, которые регистрируются датчиками.
Сравнительно - статистическая оценка погрешностей размеров в процессе механической обработки шлифовальных кругов Общие выводы
Отличие критериев оценки погрешностей обработки и измерения обуславливается различием целей, которые ставятся при получении размеров и при их изменении [131,132,133,134,135,136]. Основная задача, которая ставится при обработке шлифовальных кругов, заключается в том, чтобы размеры обработанных кругов не выходили за пределы назначенных на обработку допусков. Отсюда следует, что основным критерием оценки по 96 грешности обработки партии кругов, должна явиться величина поля суммарного рассеивания размеров деталей, входящих в состав партии.
Достоверность значений погрешностей, определяемых по формуле, тем больше, чем больше партия обрабатываемых кругов и чем меньше интенсивность изменения во времени функциональных погрешностей обработки. При небольших партиях и при интенсивно изменяющихся функциональных погрешностях величину предельной погрешности обработки следует определять по формуле, т.е. на основе квадратичного сложения собственно случайных погрешностей.
Всякое отклонение результатов измерения от действительного значения контролируемой величины следует рассматривать как погрешность измерения. Поэтому предельная погрешность измерения размеров должна характеризоваться наибольшим практически возможным отклонением результатов измерения от действительного размера контролируемого круга. Основная задача, которая ставится при активном контроле размеров, заключается в том, чтобы рассеивание размеров кругов по — возможности с большим запасом вписывалось в предельные поля допуска на обработку.
Погрешности самих измерительных приборов являются одной из составляющих суммарных погрешностей устройства активного контроля. При активном контроле измерительное устройство фиксирует отклонение размеров кругов от настроечного круга. В этом смысле средства активного контроля принципиально не отличаются от средств послеоперационного автоматического контроля.
Если активный контроль не компенсирует какие-либо технологические погрешности, то это является его недостатком, т.е. свидетельством того, что данное средство недостаточно качественно решает основную точностную задачу, стоящую при обработке кругов. Поэтому суммарная погрешность активного контроля должна в первую очередь складываться из некомпенсируемых или технологических погрешностей. Исследование проводилось в три этапа: 1 определение погрешностей механической обработки без устройства активного контроля на производстве; 2 определение погрешностей работы устройства активного контроля в лабораторных условиях; 3 определение погрешностей механической обработки с устройством активного контроля на производстве. Статистическая обработка результатов испытаний показала, что распределение точности размеров шлифовальных кругов соответствует нормальному закону распределения и определяется из зависимости: /( ) = т==ехр (х хт f 2 а2 dx ; (4.8) где а- среднеквадратическое отклонение; Хт- математическое ожидание случайной величины. = Jjjx-M(xff(x)dx\ (4.9) 1С ОД і —оо Хт = Е Рх = jxf{x]dx , (4-Ю) где Р - —1- - вероятность появления случайного значения
Графическое изображение распределения плотности вероятности погрешности геометрического размера круга, представлено на рис. 4.1. Расчёты сведены в таблице 4.1. Различие теоретических расчётов и данных полученных в результате проведения эксперимента, при сравнении кривых 2 и 3, объясняется влиянием упругих деформаций системы СПИД, возникающих в процессе обработки. 4 -г 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 0,55 0,6 погрешность, мм Рис. 4.1. Изменение плотности вероятности погрешности геометрического размера круга, относительно классов точности АА, А и Б по ГОСТ 2424-83 . 1 распределение плотности вероятности погрешности механической обработки без устройства активного контроля; 2 распределение плотности вероятности погрешности работы устройства в лабораторных условиях; 3 распределение плотности вероятности погрешности механической обработки с применением устройства активного контроля.
Надо отметить, что применение устройства активного контроля обеспечивает получение кругов повышенного класса точности АА на 30% больше, чем при обработке шлифовальных кругов без устройства активного контроля [137]. Полученные данные представлены в приложениях Е, Ж.
