Введение к работе
Актуальность проблемы. Актуальной проблемой в настоящее время является проблема обеспечения заданного качества и высокой производительности шлифования заготовок из сплавов на основе титана и других сплавов, склонных к возникновению тепловых дефектов. Недостатками традиционных методов шлифования при обработке таких материалов являются: невозможность получения поверхностей требуемого качества как по геометрическим, так и по физико-механическим характеристикам, возникновение прижогов, повышенный износ шлифовального круга, низкая производительность обработки.
Труднообрабатываемые материалы, такие, как титановые сплавы, обладающие уникальным комплексом физико-механических свойств, широко применяются при изготовлении деталей авиационной и космической техники. Наиболее распространенной операцией окончательной обработки таких деталей является шлифование, при котором вследствие высокой температуры в зоне резания происходит повышение химической активности обрабатываемого материала к кислороду, азоту и водороду, и возможно возникновение прижогов и микротрещин на поверхности заготовки, что снижает эксплуатационные характеристики деталей: усталостную прочность, износоустойчивость. Снижение эксплуатационных свойств для указанных деталей недопустимо.
Шлифование указанных материалов сопровождается адгезией, диффузией и химическим взаимодействием обрабатываемого и материала и зерен шлифовального круга, что приводит к повышенному износу круга и увеличению затрат времени на его правку.
Требуемое качество шлифованных поверхностей деталей из рассматриваемых материалов обеспечивается, как правило, подбором режимов шлифования в ущерб производительности обработки. Однако на настоящий момент не существует методов шлифования, обеспечивающих полное отсутствие тепловых дефектов шлифованной поверхности. Повышение требований к качеству поверхностного слоя изделий требует изыскания новых, более прогрессивных методов окончательной обработки, обеспечивающих получение требуемых параметров качества при высокой производительности.
В связи с этим актуальным направлением современной металлообработки можно считать совершенствование существующего или разработка нового шлифовального инструмента, позволяющего регулировать температуру в зоне резания, что позволит повысить качество обработанных поверхностей, а также стойкость шлифовальных кругов. Диссертационная работа, направленная на решение указанных проблем, актуальна в условиях современного машиностроения.
Цель диссертационной работы: обеспечение условий бездефектного шлифования сплавов, склонных к возникновению тепловых дефектов и увеличение периода стойкости круга за счет использования прерывистых кругов с упругодемпфирующими элементами (УДЭ).
Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:
-
Разработать математические модели для определения изменения параметров срезаемого слоя с учетом неравномерного износа прерывистого круга, неравномерности припуска под обработку и вибраций в технологической системе.
-
Провести исследования деформации УДЭ за время прохода режущего сегмента прерывистого круга через зону резания, учитывающие переходный процесс деформации и поворот сегмента.
-
Разработать математические модели изменения сил резания и температуры в зоне резания с учетом коэффициентов динамичности, геометрической точности поверхности при использовании прерывистых кругов с УДЭ.
-
Разработать методику и алгоритм расчета параметров прерывистых шлифовальных кругов с УДЭ, реализующих управление силой резания и снижение уровня вибраций в зоне резания.
-
Разработать конструкции, определить технологические возможности, составить технологические рекомендации по применению прерывистых шлифовальных кругов с УДЭ.
Методы исследований. Теоретические исследования проводились на базе теории процесса шлифования, теории механических колебаний, средств вычислительной техники, численных методов интегрирования, решения нелинейных и дифференциальных уравнений, условной оптимизации. Для математической обработки экспериментальных данных и проверки адекватности математических моделей использовались методы математической статистики, спектрального анализа гармонических сигналов.
Экспериментальные исследования проводились с использованием методов планирования эксперимента на основе известных методик в лабораторных и производственных условиях на специально спроектированных и изготовленных установках. В экспериментальных исследованиях применялись разработанные автором шлифовальные круги прогрессивных конструкций, модернизированные станки и современная контрольно-измерительная аппаратура.
На защиту выносятся результаты теоретических и экспериментальных исследований процесса шлифования ПШК, конструкции, методики расчета и решение задачи выбора рациональных параметров ПШК с УДЭ, обеспечивающих повышение эффективности и расширение технологических возможностей процесса плоского шлифования периферией круга за счет снижения уровня вибраций и управления мгновенными величинами составляющих сил резания.
Научная новизна работы заключается в следующем.
Разработаны компоненты динамической модели шлифования ПШК с УДЭ:
1) математические модели изменения параметров срезаемого слоя, учитывающие влияние динамических факторов (неравномерный износ ПШК, вибрации в технологической системе и неравномерность припуска под обработку) и возможность нарушения контакта круга с заготовкой; исследования деформации УДЭ за время прохода режущего сегмента через зону резания с учетом переходного процесса деформации и поворота сегмента. Проведенные исследования и разработанные математические модели позволяют описать изменение составляющих сил резания и определить геометрическую точность обработанной поверхности при шлифовании ПШК с УДЭ;
2) математические модели изменения сил резания, геометрической точности поверхности, износа круга и температуры в зоне резания при шлифовании ПШК с УДЭ, учитывающие степень затупления круга, упругую деформацию УДЭ и влияние динамических факторов, и позволяющие установить степень влияния каждого из факторов и разработать рекомендации по проектированию ПШК с УДЭ;
Практическая полезность заключается в следующем:
- разработаны конструкции, методика и алгоритм расчета параметров ПШК с УДЭ, обеспечивающих снижение уровня вибраций в зоне резания до 4 раз, снижение контактной температуры до 20% и вероятности возникновения тепловых дефектов всех видов, особенно при износе и затуплении круга, требуемую геометрическую точность и шероховатость шлифованной поверхности, снижение неравномерности износа круга до 1,5 раз и повышение стойкости до пяти раз при обеспечении высокой производительности обработки, соответствующей текущей режущей способности круга.
Реализация результатов. Разработанные конструкции ПШК с УДЭ и технологические рекомендации по их применению внедрены на ООО ПКФ «Техновек» и ЗАО «Базальтовое волокно».
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на научно-технических и научно-методических конференциях «Шлифабразив - 2006», «Шлифабразив - 2007», «Шлифабразив - 2008» (г. Волжский, Волгоградской обл.), «Научные и методические проблемы подготовки конкурентоспособных специалистов для Удмуртии» (г.Ижевск, 2007).
В полном объеме диссертация заслушана и одобрена на совместном заседании кафедр «Производство механизмов и машин» ИжГТУ и «Технология машиностроения и приборостроения» Воткинского филиала ИжГТУ в 2008 году.
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано двенадцать работ (статей) в центральной печати, в том числе пять статей в журналах, включенных в перечень ВАК - «Технология машиностроения» (2 статьи), «Вестник ИжГТУ», «Металлообработка», «СТИН».
Структура и объем диссертации. Диссертация содержит введение, четыре главы, заключение, список литературы из 105 наименований, одно приложение, акты внедрения. Работа изложена на 131 листе машинописного текста, содержит 43 рисунка и 9 таблиц.
