Содержание к диссертации
Введение
1 Эксплуатационные свойства шлифовального круга и способы их описания 14
1.1 Взаимосвязь эксплуатационных показателей шлифовального круга с его характеристикой 14
1.2 Описание работоспособности шлифовального круга при помощи отдельных показателей 17
1.3 Комплексная оценка работоспособности шлифовального круга 21
1.3.1 Карта шлифования 21
1.3.2 Паспорт эксплуатационных показателей шлифовального круга 25
1.4 Особенности процесса шлифования 29
1.4.1 Нестационарность показателей процесса шлифования 29
1.4.2 Стохастичность процесса шлифования 34
1.4.3 Колебательный характер силы шлифования 39
1.5 Выводы, рабочая гипотеза, цель и задачи исследования 43
2 Разработка структуры технологического эксплуатационного паспорта шлифовального круга 45
2.1 Формирование комплекса эксплуатационных показателей с учетом нестационарности процесса шлифования 45
2.2 Вероятностная оценка работоспособности шлифовального круга 53
2.3 Исследование динамики формирования силы резания при шлифовании 58
2.3.1 Теоретический анализ импульсной природы силы шлифования 58
2.3.2 Исследование процесса шлифования акустическим методом 73
2.3.3 Динамическая характеристика шлифовального круга 81
3 Экспериментальные исследования эксплуатационных показателей шлифовального круга 85
3.1 Общий методический план исследования 85
3.2 Испытательный стенд 87
3.2.1 Оборудование для испытаний шлифовальных кругов 87
3.2.2 Контур измерения составляющих силы шлифования , 89
3.2.3 Контур регистрации динамической характеристики шлифовального круга 91
3.2.4 Контур измерения радиального износа шлифовального круга 94
3.2.5 Контур измерения шероховатости шлифованной поверхности 94
3.3 Методики измерения эксплуатационных показателей шлифовального круга 96
3.3.1 Условия испытаний 96
3.3.2 Методика измерения средних величин (тренда) составляющих силы шлифования „ 103
3.3.3 Методика регистрации АЧХ силы шлифования 103
3.3.4 Методика измерения шероховатости шлифованной поверхности 104
3.3.5 Методика измерения интенсивности съема металла и износа шлифовального круга 104
3.4 Методика статистической обработки результатов испытания круга 105
3.4.1 Регрессионный анализ для средних значений эксплуатационных показателей 105
3.4.2 Расчет доверительного коридора эксплуатационных показателей шлифовального круга 108
3.5 Обработка и анализ результатов стендовых испытаний шлифовальных кругов 108
3.5.1 Первичная обработка данных 108
3.5.2 Изменчивость эксплуатационных показателей во времени 109
3.5.3 Анализ динамической характеристики шлифовального круга 119
3.5.4 Статистическая обработка результатов стендового
испытания шлифовального круга 127
3.5.4.1 Регрессионный анализ для построения трендов эксплуатационных показателей шлифовального круга 127
3.5.4.2 Построение доверительного коридора эксплуатационных показателей круга — учет стохастичности процесса 129
4 Технологический эксплуатационный паспорт шлифовального круга 136
4.1 Эталонный технологический паспорт шлифовального круга 136
4.2 Графическое представление эталонного технологического паспорта шлифовального круга 136
4.3 Представление паспорта в виде таблиц 142
4.4 Компьютерное представление технологического эксплуатационного паспорта шлифовального круга 142
5 Практическое применение результатов исследования 150
5.1 Описание работоспособности шлифовального круга 150
5.2 Практические задачи, решаемые с помощью
технологического эксплуатационного паспорта шлифовального круга 152
5.2.1 Расчетное определение периода стойкости шлифовального круга 153
5.2.2 Расчетное определение режимов резания для выполнения шлифовальной операции 158
5.2.3 Эксплуатация круга определенной характеристики в разных технологических условиях 165
5.2.4 Выбор характеристики шлифовального круга для выполнения операции шлифования 168
5.2.5 Сравнение шлифовальных кругов разных производителей 171
5.2.6 Возможность сертификации качества шлифовальных кругов 174
5.3 Внедрение результатов исследования 177
5.3.1 Стандарт предприятия СТП 774-04-2004 «Круги шлифовальные. Эксплуатационные показатели» 177
5.3.2 Руководящий технический материал «Круги шлифовальные. Методика разработки технологического эксплуатационного паспорта» 178
5.3.3 Руководящий технический материал «Круги шлифовальные. Методика работы с технологическим эксплуатационным паспортом» 179
Общие выводы и основные результаты 180
Библиографический список
- Описание работоспособности шлифовального круга при помощи отдельных показателей
- Вероятностная оценка работоспособности шлифовального круга
- Контур измерения составляющих силы шлифования
- Компьютерное представление технологического эксплуатационного паспорта шлифовального круга
Введение к работе
В технологических процессах механической обработки высокие требования, предъявляемые к точности и шероховатости наиболее ответственных поверхностей деталей машин, чаще всего, обеспечивают на операциях шлифования. Так, например, на Волжском автомобильном заводе 38 % станков используют абразивный инструмент; р механосборочном производстве станки, работающие абразивами, занимают 50 %.
Стандартное обозначение шлифовального круга содержит в себе информацию о геометрии инструмента, а также из чего данный круг изготовлен (материал зерна, связки, их объемное соотношение и т.д.). Рекомендации по эксплуатации шлифовального круга в его маркировке отсутствуют.
Однако из практики шлифования известно, что выходные показатели процесса шлифования (точность обработки, шероховатость поверхности и т.д.) напрямую зависят от характеристики шлифовального круга. Функциональные связи характеристики шлифовального круга, условий его эксплуатации, а также режимов резания с выходными показателями обработки нашли отражение в справочниках нормативов режимов резания [88, 89, 90, 91, 92].
Имеющиеся в таких справочниках рекомендации по эксплуатации абразивного инструмента предполагают, что обработка деталей, с различными требованиями по точности, шероховатости, бесприжоговости и др. должна производиться кругами разных характеристик на определенных режимах резания. Такая структура и последовательность проектирования операции шлифования по нормативным справочникам общемашиностроительных нормативов режимов резания заведомо определили область возможного применения этих рекомендаций, а именно массовое или крупносерийное производство.
На практике граница применимости круга той или иной характеристики, очерченная нормативными рекомендациями, несколько размыта. Наличие
взаимосвязей эксплуатационных показателей шлифовального круга с параметрами его характеристики позволяет одним и тем же шлифовальным кругом путем управления режимами резания получать поверхности с разной шероховатостью и точностью при разной производительности процесса и интенсивности износа круга.
В настоящее время проблема эксплуатации шлифовального круга конкретной характеристики в разных технологических условиях (разные требования на обработку) стала актуальной. Это вызвано переходом машиностроительного производства в разряд среднесерийного и мелкосерийного. Машиностроительным предприятиям, вынужденным постоянно осваивать выпуск новых изделий и изготавливать их сравнительно небольшими партиями, не выгодно для каждой партии деталей подбирать (закупать) новую характеристику круга, как рекомендуют нормативы. Кроме того, переуста- . новка круга приводит к простою оборудования, так как вновь устанавливаемый на станок круг должен быть отбалансирован, заправлен, а поскольку ; правка нарушает предварительную балансировку круга, то круг необходимо вновь подвергнуть балансировке. Так, в соответствии с нормативами [89] время на замену круга составляет несколько десятков минут, время на одну правку круга 600x60*305 зернистостью 40Н для условий круглого шлифования составляет более двух минут.
В настоящее время пока нет работ, обобщающих опыт эксплуатации шлифовальных кругов разных характеристик в меняющихся технологических условиях. Из-за отсутствия таких данных режимы резания определяют экспериментальным путем, в подавляющем большинстве случаев наладчики устанавливают режимы, исходя из собственного опыта. В итоге результаты работы инструмента не устраивают потребителя по разным показателям (по стойкости круга, производительности процесса, качеству поверхности). Создается мнение, что качество инструмента низкое. На самом же деле просто круг эксплуатируется неправильно.
В табл. 1 приведены реальные режимы эксплуатации шлифовальных кругов, взятые из опыта АвтоВАЗа и КамАЗа, наглядно демонстрирующие факт нерациональной эксплуатации шлифовальных кругов.
Из табл. 1 видно, что марка материала абразивного зерна не всегда совпадает с нормативными рекомендациями; зернистость в ряде случаев занижена против рекомендуемой нормативами; твердость шлифовального круга в большинстве случаев соответствует нормативным рекомендациям. Приведенные в таблице примеры говорят о занижении режимов эксплуатации кругов. В итоге потери производительности (увеличение основного времени Т„) составляют от 1Д до 7,7 раза.
Таким образом, в случаях несовпадения характеристики реально работающего круга с характеристикой, рекомендованной нормативами, инструмент используется неэффективно, В связи с этим существует значительный резерв повышения производительности шлифовальных операций за счет определения области рационального использования шлифовальных кругов в разных технологических условиях в соответствии с их эксплуатационными возможностями. Тем самым обусловлена новая концепция построения рекомендаций по назначению режимов шлифования — учет эксплуатационных показателей шлифовального круга, работающего в разных технологических условиях. Зная, как шлифовальный круг ведет себя в меняющихся технологических условиях, можно наилучшим образом использовать его возможности и назначить максимально допустимые режимы шлифования, при которых гарантируется изготовление годных деталей. Изменяется направление проектирования операции шлифования: от инструмента варьированием режимами резания к готовой детали, а не от готовой детали к характеристике круга и режимам шлифования, как рекомендуют нормативы [90, 91, 92].
Таблица 1
Задача назначения режимов шлифования кругом конкретной характеристики для обеспечения определенного качества обработки решалась в Курганском государственном университете [2, 58]. В указанных работах принималась во внимание характеристика инструмента, задающаяся на начальном этапе, однако существует разброс эксплуатационных свойств шлифовальных кругов одной характеристики даже в небольшой партии.
Для эффективной эксплуатации шлифовального круга конкретной характеристики в разных технологических условиях необходимо знать его эксплуатационные возможности. Для численного описания работоспособности шлифовального круга рядом исследователей — Г.Б. Лурье [65], Е.Н. Масло-вым [70], Л.Н. Филимоновым [124], С.А. Поповым, Н.П. Малевским, Л.М. Терещенко [99] и др. — было предложено использовать отдельные показатели. Величины этих показателей зависят от режимов резания, а также от параметров характеристики шлифовального круга: зернистости, твердости, структуры, материала абразивного зерна и связки.
ГОСТ 2424-83 «Круги шлифовальные. Технические условия» рекомендует оценивать режущие свойства круга коэффициентом шлифования.
Однако отдельно взятый показатель работоспособности шлифовального круга может быть использован для сравнения шлифовальных кругов разных производителей, либо для оценки эффективности применения той или иной характеристики инструмента в конкретных условиях. Прогнозировать поведения инструмента при изменении технологических условий можно лишь приблизительно. Кроме того, отдельно взятый показатель не дает возможности назначить режим резания.
Режимы резания, необходимые для обеспечения заданного качества обрабатываемых поверхностей при определенных требованиях к технологической операции, можно определить только при наличии полной и объективной информации об эксплуатационных свойствах шлифовальных кругов. Таким образом, для учета эксплуатационных возможностей шлифовальных
кругов, работающих в меняющихся технологических условиях, необходима комплексная оценка их работоспособности.
Одной из первых работ, выполненных в области комплексного описания работоспособности шлифовального круга, стала работа французской школы шлифования (R. Snoeys, J. Peters, С. Smits, R. Aarens), которыми была предложена карта шлифования [139, 147], содержащая изменение основных, на их взгляд, показателей шлифования в зависимости от величины скорости подачи круга. Эта идея была продолжена Ленинградскими учеными ВНИИ-АШа — Г.Ш. Ройтштейном, Б.А. Глаговским, которые создали автоматизированный стенд для получения карт шлифования в автоматическом режиме. Это было вызвано существенной трудоемкостью создания карт шлифования, поскольку последние строились по результатам большого количества экспериментов.
В 90-е годы в Челябинском государственном техническом университете под руководством проф. C.IL Корчака В.М. Исаковым, Д.В. Исаковым [32, 34, 35], был предложен документ, представляющий собой трансформацию карты шлифования — паспорт эксплуатационных показателей круга. Отли- *. чиє последнего от карты шлифования состояло в том, что для определения некоторых эксплуатационных показателей были применены расчетные модели, позволяющие без выполнения экспериментальных исследований прогнозировать эти показатели.
Все эти работы объединяет то, что величины эксплуатационных показателей шлифовальных кругов представляют собой среднюю величину за все время работы круга на конкретном режиме шлифования. Однако, как показывают исследования, в начале периода стойкости круг имеет показатели, существенно отличающиеся от тех, что ему присущи в конце периода стойкости — со временем работы круга его производительность падает, шероховатость ухудшается, силы резания возрастают и т.д. В связи с этим, усредненные за период стойкости значения показателей шлифования, на наш взгляд, являются не совсем адекватными сущности шлифования, как процес-
су с быстроменяющимися показателями. Нестационарность показателей процесса шлифования рассмотрена в п. 1.4.1.
В силу особенностей устройства шлифовального круга и случайного расположения абразивных зерен на рабочей поверхности шлифовального круга, процесс удаления металла с обрабатываемой поверхности носит случайный характер, т.е. второй особенностью процесса шлифования является его стохастический характер.
В силу особенностей изготовления (неравномерное распределение абразивных зерен в круге), устройства (абразивные зерна в круге имеют различные размеры и расположены на разном расстоянии друг от друга) и работы шлифовального круга (дискретный контакт с заготовкой) сила шлифования имеет колебательный характер.
Таким образом, в перечисленных работах по комплексной оценке работоспособности шлифовальных кругов не учтен ряд особенностей, присущих процессу шлифования, а именно:
нестационарность;
стохастичность;
колебательный характер силы резания.
В настоящей работе решена задача комплексного описания работоспособности шлифовальных кругов в разных технологических условиях с учетом нестационарности, стохастичности процесса шлифования, а также колебательного характера силы резания.
В первой главе диссертации рассмотрено действующее обозначение характеристики круга; приведен обзор существующих работ, посвященных учету эксплуатационных показателей шлифовальных кругов как отдельными показателями, так и в комплексе. Установлено, что изменение показателей за время эффективной работы шлифовального круга существенно, исследована стохастичность процесса шлифования, а также колебательный характер силы шлифования. Сформулирована рабочая гипотеза, цель и задачи работы.
Во второй главе диссертации сформирован комплекс показателей, входящих в технологический эксплуатационный паспорт; описана вероятностная оценка эксплуатационных показателей шлифовального круга для учета стохастического характера процесса в виде трендовой составляющей показателя (среднее значение) и коридора разброса его величины. Выполнено исследование динамики формирования сил резания при шлифовании, а также предложены показатели динамической характеристики инструмента для учета колебательного характера силы шлифования.
В третьей главе приведен общий методический план исследования; описан испытательный стенд, оборудование, применяемое для определения эксплуатационных показателей шлифовальных кругов; разработана методика проведения стендового испытания шлифовального круга, а также методика статистической и аналитической обработки полученных данных. Приведены экспериментальные зависимости, выполнен регрессионный анализ и интервальная оценка; проведен анализ полученных данных по интенсивности изменчивости эксплуатационных показателей во времени, а также получены амплитудно-частотные характеристики шлифовальных кругов.
В четвертой главе приведены технологические эксплуатационные паспорта шлифовальных кругов, в графическом, табличном виде, а также приведен компьютерный вариант технологического эксплуатационного паспорта шлифовального круга.
Пятая глава диссертации содержит описание практических задач технологического проектирования операции шлифования, решаемых с помощью технологического паспорта шлифовального круга; приведены примеры внедрения полученных результатов исследования.
Диссертация выполнена в рамках НИР, проведенных на кафедре «Технология машиностроения» Южно-Уральского государственного университета, а также «Уральского научно-исследовательского института абразивов и шлифования».
Описание работоспособности шлифовального круга при помощи отдельных показателей
Эксплуатационные свойства шлифовальных кругов количественно оценивают по показателям, величины которых определяют путем шлифования образцов испытываемыми кругами. В настоящее время известно около 30 специальных показателей, предлагаемых для оценки эксплуатационных свойств шлифовальных кругов. Наиболее часто встречающиеся показатели представлены в табл. 1.2. В общем случае результаты выполнения операции характеризуются следующими величинами: производительностью шлифования, стойкостью и износом круга; точностью, шероховатостью и физико-механическими свойствами обрабатываемых поверхностей (наличие или отсутствие прижога). Отметим, что использовать тот или иной показатель для проектирования операции шлифования можно лишь в том случае, когда по нему можно назначать режимы резания и прогнозировать результаты выполнения операций.
В табл. 1.1 приведены формулы для расчета показателей и необходимые для их определения параметры. Эти данные дают наглядное представление об информации, которую несет тот или иной показатель. Поэтому, не рассматривая каждый из них в отдельности, отметим лишь общие особенности присущие всем показателям:
1. Величины показателей устанавливают путем испытаний шлифовального круга в определенных условиях обработки, поэтому прогнозировать величину показателей для других условий шлифования можно лишь приблизительно.
2. При определении величины каждого из рассматриваемых показателей ограничиваются измерением лишь части параметров, необходимых для расчета конкретного показателя.
Для прогнозирования результатов выполнения шлифовальных операций, на которых необходимо обеспечивать требования по точности, шероховатости и физико-механическим свойствам обрабатываемых поверхностей, данных, содержащихся в показателях, оказывается недостаточно. Как правило, рассматриваемые показатели используются для оценки качества изготовления шлифовальных кругов и для сравнения работоспособности кругов различных производителей в определенных условиях обработки. При этом выбор того или иного показателя зависит от конкретных условий решаемой задачи.
Для учета нескольких выходных параметров процесса шлифования Г.Б. Лурье [65] и Н.И. Веткасовым [14], были предложены комплексные показатели. По мнению Г.Б. Лурье комплексный показатель R (см. табл. 1.1) количественно характеризует работоспособность круга при выполнении отдельных операций и требует создания минимального количества стендов для испытаний кругов. Предложенные Н.И. Веткасовым комплексные критерии представлены как постоянные величины для определенных условий эксплуатации кругов, однако параметры, входящие в расчетные формулы (см. табл. 1.1) интенсивно изменяются во времени шлифования (см. п, 1.4.1). В связи с этим, критерии Р и Kj можно использовать для оценки влияния того или иного технологического фактора на выходные показатели процесса шлифования. ГОСТ 2424-83 «Круги шлифовальные. Технические условия» рекомендует оценивать режущие свойства шлифовальных кругов при помощи коэффициента шлифования К, который рассчитывается по формуле: К= , (1.1) где WM — объем снятого за период стойкости круга металла; Wa — объем израсходованного за период стойкости круга абразива, с учетом расхода круга на правку,
Величина коэффициента шлифования приведена в ГОСТе для конкретных условий испытаний кругов определенных характеристик (вид шлифова ния, обрабатываемый материал, твердость заготовки, режимы шлифования и Л правки).
Оценка режущих свойств шлифовального круга при помощи коэффициента шлифования не дает возможности учесть многообразие сочетаний характеристик кругов и обрабатываемых материалов. Кроме того, для описания режущих свойств той или иной партии кругов, необходимо точно повторять условия испытаний, описанные в нормативно-технической документации. В
ряде случаев это просто невозможно.
Таким образом, определение одного отдельно взятого эксплуатационного показателя шлифовального круга может служить лишь поводом для сравнения с кругом другого производителя, либо с тем же кругом, но работающим в других технологических условиях (на этапе подбора рациональной характеристики шлифовального круга). В связи с этим, наиболее верным способом учета эксплуатационных свойств кругов на этапе проектирования операции шлифования является комплексная оценка их работоспособности.:;
Поэтому ряд авторов предлагают оценивать эксплуатационные свойства шлифовальных кругов не по одному показателю, а по их набору [10, 30, 59, 72]. Задаче комплексного описания работоспособности шлифовальных кругов посвящено большое число работ, при этом изучалось внутреннее [140], круглое наружное центровое шлифование[145], а также бесцентровое шлифование [149]. Основным результатом указанных работ стало установление взаимосвязи между режимами резания и выходными показателями процесса — силой и шероховатостью поверхности [151].
Одним из первых решений комплексного учета эксплуатационных свойств шлифовальных кругов на этапе проектирования шлифовальной операции стали карты шлифования [139, 146], разработчиками которых являлись французские ученые — J.Peters, A.Decneut, R. Aarens. Пример карты шлифования приведен на рис. 1.1.
Карта шлифования представляет собой совокупность графиков изменения величин показателей эксплуатационных свойств шлифовального круга в зависимости от режима резания. На основе данных карт шлифования можно построить рациональный двухступенчатый цикл шлифования, обеспечивающий требуемую шероховатость шлифованной поверхности. Методика построения оптимального двухступенчатого цикла шлифования по картам шлифования описана в работе Р. Аренса [139]. Кроме того, по данным карты можно рассчитать коэффициент шлифования, режущую способность круга, период его стойкости и др. К числу эксплуатационных показателей шлифовального круга, которые учтены в карте шлифования относятся: шероховатость шлифованной поверхности, обеспечиваемая при постоянной скорости подачи круга Ra; шероховатость, достигаемая на этапе выхаживания Иад; составляющая силы резания при шлифовании Ру; составляющая силы резания при шлифовании Pz; суммарный объем снятого за период стойкости металла WM; суммарный объем изношенного за период стойкости круга Wa. Набор показателей отвечает основным требованиям, предъявляемым к операции шлифования, связанных с получением годных деталей.
Вероятностная оценка работоспособности шлифовального круга
Как показано в п. 1.4.2 процесс шлифования, в связи с хаотичным расположением режущих зерен на рабочей поверхности круга, носит случайный характер. Процесс удаления с обрабатываемой поверхности припуска при помощи шлифовального круга можно назвать «неравномерным вычесыванием».
Несмотря на многочисленные исследования параметров рельефа рабочей поверхности шлифовального круга, не существует ни аналитических зависимостей, ни достоверных экспериментальных способов определения количества работающих зерен, расстояния между ними, величин площадок затупления и т.д. Подавляющее большинство работ в этом направлении основаны на статистических оценках.
Например, А.Н. Резников [109], занимаясь теплофизикой шлифования, учитывая законы случайного распределения зерен в круге и принимая зерна в форме эллипсоида, получил выражение для расчета количества зерен, распо-лагающихся на 1 мм высоты круга. А.В. Королев и Ю.К. І Іовоселов [44] на основе системного анализа и вероятностного подхода описали параметры рельефа рабочей поверхности шлифовального круга с учетом разброса размеров и разновысотности абразивных зерен. Г.Б. Лурье [65] для определения количества абразивных зерен, участвующих в процессе резания, учитывая вероятностный характер их распределения, также пользуется закономерностями теории вероятностей.
Существуют экспериментальные исследования, направленные на изучение характеристик поверхностного слоя шлифовального круга — среднего количества работающих зерен и расстояния между ними (табл. 2.1, 2.2).
Как видно из табл. 2.1 и 2.2, между экспериментальными данными существует значительное расхождение. Это объясняется случайным характером расположения абразивных зерен в поверхности рабочего слоя шлифо вального круга. Приведенные в табл. 2.1 и 2.2 данные подтверждают факт стохастичности характера взаимодействия зерен с обрабатываемой поверхностью.
Кроме того, случайный характер расположения зерен в абразивном круге объясняется особенностями технологического процесса изготовления инструмента.
Например, существуют допуски на содержание основной фракции зерен в абразивной массе, применяемой для изготовления круга (табл. 2.3). Наиболее применяемой степенью рассева в машиностроении является нормальный рассев — Н. Из табл. 2.3 видно, что более половины всех зерен в рассеве, применяемом для изготовления круга, являются меньшего размера, чем зернистость, указанная на этикетке круга. Этот факт существенно сказывается на характере взаимодействия рабочей поверхности круга с обрабаты ваемои поверхностью — резание осуществляют как зерна регламентированного размера, так и примеси размером, не соответствующим замаркирован ному.
В настоящее время для определения твердости полученного круга применяется звуковой метод, либо используется пескоструйный прибор, где по размеру выщербленной лунки определяется твердость круга. Замер производится в трех местах на торце круга. Зачастую, твердость круга на периферии — его рабочей поверхности, отличается от твердости на торце круга. Это объясняется тем, что прессование абразивной массы происходит с торцов, поэтому на торцовых поверхностях круга твердость несколько выше, чем на периферии.
Из практики эксплуатации кругов известно, что твердость круга, особенно большого диаметра (500-600 мм), по мере его износа, уменьшается. Это также объясняется особенностями изготовления кругов: после прессования массы плотность расположения абразивных зерен и частиц связки на поверхностях круга выше, чем в сердцевине. В процессе обжига заформованного круга образование мостиков связки на его поверхности происходит быстрее и в полной мере, нежели в середине абразивной массы. Поэтому сердцевина круга всегда чуть мягче, чем периферия.
Для подтверждения факта неравномерности распределения зерен по рабочей поверхности круга, а также разброса размеров работающих зерен круга совместно с А.А. Дьяконовым было проведено исследование поверхности круга методом фотометрии. Фиксировалось состояние острого круга и круга, проработавшего 5 минут по схеме круглого наружного шлифования с радиальной подачей круга 0,3 мм/мин. Участок измерения фиксировался карандашом на неработающей части круга. Затем в программе Photoshop накладывалась измерительная сетка и измерялась величина площадки затупления вдоль скорости круга, В результате установлено, что количество зерен, одновременно участвующих в резании на элементарном участке рабочей поверхности круга, существенно изменяется, причем изменяется хаотично.
Получены данные по величинам площадок затупления на работающих абразивных зернах (табл. 2.4).
Средний разброс размеров площадок затупления составляет от 130 до 800 %. Это значит, что в процессе резания принимают участие зерна с площадками затупления, размеры которых существенно различаются.
На основе описанных в литературе данных (табл. 2.1, 2.2), а также проведенных экспериментальных исследований можно заключить, что взаимодействие абразивных зерен с обрабатываемым материалом носит случайный, вероятностный характер. В работе резания через неравные промежутки времени принимают участие зерна, случайным образом расположенные на рабочей поверхности шлифовального круга и существенно различающиеся по размеру.
В связи с этим, при комплексной оценке работоспособности шлифовального круга необходимо учитывать случайный, вероятностный характер контакта абразивных зерен с обрабатываемой деталью.
Контур измерения составляющих силы шлифования
Измерение величин радиальной и нормальной составляющих силы резания осуществляется при помощи специальных индуктивных преобразователей, спроектированных на базе измерительной электронной системы модели БВ-6134, предназначенной для регистрации линейных перемещений. Техническая характеристика измерительной системы БВ-6134: Ход измерительного наконечника преобразователя, мм +0,5 Цена деления шкалы, мм 0,001 и 0,005 Погрешность показаний системы от нулевого штриха, мм на участке +10 делений 0,0005 на всей шкале 0,0025
Индуктивные преобразователи монтируются в специальный кронштейн, установленный на столе станка. В прямоугольное отверстие кронштейна входит центр задней бабки, на котором сделаны лыски (рис. 3.2). В процессе шлифования, под действием силы резания происходит смещение центра. Индуктивные преобразователи, упираясь своими наконечниками в лыски, фиксируют величину перемещения заднего центра в направлении действия радиальной и нормальной составляющей силы шлифования. Одновременное измерение перемещения двумя датчиками, расположенными на одной оси и направленными в противоположные стороны обеспечивает двукратное усиление сигнала.
Тарировка датчиков измерения составляющих силы резания производится с помощью устройства, схема которого показана на рис. 3.3.
Кронштейн 1 (рис. 3.3) закрепляется на столе станка. Центр пиноли задней бабки 2 имеет лыски. В центрах устанавливается оправка, к которой прикреплен тросик 3, перекинутый через блок 4. На другом конце тросика закреплен диск 5, на который в процессе накладываются мерные грузы. Общий вид установки датчиков для измерения составляющих силы резания
Схема устройства для тарировки датчиков Рис. 3.3 Тарировка датчика измерения составляющей силы резания Pz производится при помощи стержня 6, на который надеваются мерные грузы. В кронштейне неподвижно закреплены индуктивные преобразователи, наконечники которых упираются в лыски на центре. При установке грузов на диск 5 или стержень 6 происходит упругая деформация заднего центра, величина которой регистрируется показывающим прибором измерительной системы. По показаниям прибора строится тарировочные график. Тарировочные графики показаны на рис. 3.4 и 3.5, по которым определяются величины составляющих силы шлифования.
Контур регистрации динамической характеристики шлифовального круга
В ходе исследования установлено (п.п. 1.4, 2.3), что неотъемлемым показателем стабильности работы шлифовального круга является его динамическая характеристика, численно характеризующаяся двумя составляющими: законом изменения во времени амплитуды колебаний силы шлифования; законом изменения во времени частотного диапазона колебаний силы шлифования.
Динамическую характеристику шлифовального круга предлагается оценивать по колебаниям центра пиноли задней бабки станка.
Для решения поставленной задачи разработанный стенд был оснащен дополнительной аппаратурой — измерительными датчиками и регистрирующим прибором.
Как указано ранее, на заднем центре станка имеются лыски (см. рис. 3.2). На кронштейн устанавливаются датчики, чувствительной частью обращенные к лыске заднего центра. Были опробованы три типа датчиков: индуктивные контактные, пьезодатчики и индуктивные бесконтактные. Тарировочный график составляющей силы шлифования
Число делений Рис. 3.5 Результаты экспериментов показали, что инерционность индуктивных контактных датчиков крайне высока. В контактном датчике имеется упругий элемент — пружина. Жесткости пружины недостаточно для своевременного возврата контактного наконечника в исходное положение после прохождения первого колебания. Вследствие этого график изменения амплитуды колебаний во времени представляет собой прямую линию, что, естественно, не решает поставленную задачу.
Пьезодатчик конструктивно выполнен также, как и контактный индуктивный, но ответным элементом является пьезокристалл. Контактный элемент упирается в пьезоэлемент и, перемещаясь, деформирует его. Однако контактная часть датчика (стержень) должна постоянно находиться в контакте с колеблющейся поверхностью, что в данном случае невозможно в связи с частой сменой заготовок. Кроме того, жесткости возвратной пружины недостаточно для своевременного возврата контактного элемента в исходное положение.
Индуктивный бесконтактный датчик конструктивно представляет собой аналог контактного, за исключением того, что сигнал в нем вырабатывается не за счет относительного смещения катушек, а за счет изменения воздушного зазора между чувствительной частью датчика и колеблющейся поверхностью.
Бесконтактные индуктивные датчики приклеивались к торцовой части кронштейна, будучи обращенными ч вствительной частью к лыске заднего центра (рис. 3.6). Сигнал, вырабатываемый этими датчиками, напрямую подавался в персональный компьютер, оснащенный звуковой картой. При помощи программы Sound Forge производилась регистрация входящего сигнала.
Компьютерное представление технологического эксплуатационного паспорта шлифовального круга
Технологический паспорт шлифовального круга содержит данные, позволяющие прогнозировать его поведение в разных технологических условиях в любой момент времени работы, а также описательную характеристику эксплуатационных свойств инструмента, в связи с их изменением за время работы круга.
Например, рассмотрим технологический эксплуатационный паспорт шлифовального круга 24А 25Н СМ2 7 К (табл. 4,1).
За время шлифования эксплуатационные показатели шлифовального круга интенсивно изменяются. Паспорт позволяет установить функциональную взаимосвязь выходных показателей шлифования (производительность, интенсивность износа круга, шероховатость поверхности и др.) со временем работы круга. Так, например, при шлифовании с подачей 0,2 мм/мин за время работы круга от 1 до 6 минуты шлифования производительность процесса (интенсивность съема металла) падает на 15%, а интенсивность износа круга возрастает на 577%. В то же время нагрузка на технологическую систему со стороны круга увеличивается на 57%, удельная мощность резания возрастает на 95%. При этом шероховатость шлифованной поверхности без выхаживания и с выхаживанием увеличивается на 130 и 212% соответственно.
Динамические характеристики шлифовального круга, отражающие пульсирующий характер силы резания при шлифовании, со временем работы инструмента также изменяются. Амплитуда колебаний силы резания увеличивается на 62%, частота — на 10 %. Характеристика круга, режим, а также время его работы оказывают существенное влияние на величину амплитуды колебаний силы резания.
Эксплуатационные показатели шлифовальных кругов разных характеристик существенно различаются.
Так, при шлифовании на малых подачах (0,2, 0,25 мм/мин) время работы круга из хромтитанистого электрокорунда в 1,5-2 раза больше, чем время работы круга из белого электрокорунда (табл. 4.1, 4.4). При этом для всего ряда подач, производительность круга из хромтитанистого электрокорунда уменьшается в 1,1 раза медленнее, силовое воздействие круга на заготовку меньше в 1,5 раза и энергозатраты меньше в 2 раза.
Шероховатость шлифованной поверхности примерно одинакова, т.к. она в основном определяется зернистостью инструмента.
Характеристика круга оказывает доминирующее влияние на выходные показатели процесса шлифования: твердость круга определяет нагрузку на технологическую систему, мощность резания; зернистость круга — шероховатость поверхности и т.д. В технологических паспортах прослеживается взаимосвязь эксплуатационных показателей с характеристикой круга. Например, для кругов со степенью твердости С1-СТ1 зернистостью 25 нагрузка на технологическую систему имеет величину большую и увеличиваются более интенсивно, чем для кругов СМ2 (см. табл. 4.1-4.5). Увеличение зернистости с 25 на 40 (с одинаковым рассевом — Н) увеличивает в 1,5-2 раза шероховатость шлифованной поверхности заготовки.
Таким образом, технологический паспорт шлифовального круга является комплексной оценкой его работоспособности в разных технологических условиях и содержит полную информацию об изменении основных показателей шлифования в течение времени работы круга.
Наличие технологического эксплуатационного паспорта шлифовального круга для каждой продаваемой партии шлифовальных кругов позволяет потребителю на этапе покупки инструмента объективно оценивать эксплуатационные возможности круга, применительно к своим, конкретным условиям обработки. Кроме того, технологический эксплуатационный паспорт шлифовального круга, в качестве сопроводительной документации, является рекламным средством и привлекает потребителей. Так, для позиций шлифо
вальных кругов, испытанных в настоящей работе, было изготовлено несколько комплектов паспортов и руководящих материалов к ним (приложение 5). В результате этого, объемы продаж шлифовальных кругов на рассмотренные пять характеристик несколько возросли, что подтверждается актом внедрения научно-исследовательской работіл на Челябинском абразивном заводе (см. приложение 5).
Практическая значимость разработанных технологических паспортов шлифовальных кругов заключается в наборе задач, решаемых при помощи комплексного описания работоспособности шлифовального круга. Наиболее распространенными задачами, с которыми приходится сталкиваться технологам еще на этапе проектирования операции шлифования, являются следующие: 1. Расчетное определение периода стойкости шлифовального круга. 2. Расчетное определение режимов резания для выполнения операции шлифования. 3. Эксплуатация круга определенной характеристики в разных технологических условиях. 4. Выбор характеристики шлифовального круга. 5. Сравнение шлифовальных кругов разного качества, 6. Возможность сертификации качества шлифовальных кругов. В общем случае, порядок работы с технологическим эксплуатационным паспортом круга сводится к следующей последовательности: Этап 1. Формирование комплекса требований, предъявляемых к операции шлифования. Этап 2. Выделение ограничений, накладываемых на условия выполнения операции шлифования.
