Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 13
1.1 Способы повышения эффективности шлифования без СОТЖ 13
1.2 Органические связки на основе бакелита для эльборовых кругов 20
1.3 Основные закономерности работы эльборового круга на бакелитовой связке при шлифовании торцом круга и влияния режимов шлифования на выходные параметры процесса шлифования 22
1.4 Анализ экспериментальных зависимостей для определения выходных параметров процесса от режимов резания и состава связки круга 34
ВЫВОДЫ 37
ГЛАВА 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА ШЛИФОВАНИЯ 38
2.1 Математическая модель процесса торцевого шлифования 38
2.2 Расчет глубины прижогового слоя при торцевом шлифовании 48
ВЫВОДЫ 53
ГЛАВА 3. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ АППАРАТУРА ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ 54
3.1 Аппаратура для испытаний 54
3.1.1 Выбор характеристик абразивного инструмента и исследуемых марок сталей 54
3.1.2 Экспериментальная установка 55
3.2 Методика планирования экспериментов при исследовании зависимости выходных параметров процесса шлифования от режимов резания 69
3.3 Методика планирования проведения экспериментов для определения зависимости выходных параметров процесса шлифования от состава связки круга 74
3.4 Последовательность проведения эксперимента и обработка экспериментальных данных 83
ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ...9О
4.1 Результаты исследования зависимости выходных параметров процесса шлифования от режимов обработки 90
4.1.1 Зависимость относительного расхода круга от режимов обработки 90
4.1.2 Зависимость эффективной мощности шлифования от режимов обработки 98
4.1.3 Зависимость шероховатости обработанной поверхности от режимов обработки 102
4.1.4 Исследование появления прижогов в зависимости от режимов обработки 107
4.2 Результаты проведения исследований по установлению
зависимости выходных параметров процесса шлифования от состава связки круга 112
4.2.1 Результаты исследования зависимости относительного расхода круга от состава связки круга 112
4.2.2 Результаты исследований зависимости эффективной мощности обработки и шероховатости обработанной поверхности от состава связки круга 115
4.2.3 Определение оптимального состава органической связки для эльборового круга 119
4.3 Вывод единого уравнения зависимости выходных параметров процесса шлифования от режимов обработки и состава связки 122
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 129
ЛИТЕРАТУРА 130
ПРИЛОЖЕНИЯ 147
- Способы повышения эффективности шлифования без СОТЖ
- Математическая модель процесса торцевого шлифования
- Аппаратура для испытаний
- Результаты исследования зависимости выходных параметров процесса шлифования от режимов обработки
Введение к работе
Обработка резанием остается доминирующим методом формообразования в современном машиностроении, эффективность которого в значительной степени определяется применением СОТЖ. Роль СОТЖ в обработке резанием постоянно возрастает. Интенсификация традиционных и внедрение новых более производительных методов обработки, возрастающее применение труднообрабатываемых материалов, усложнение конструкций и повышение требований к точности и качеству обработки - эти тенденции так или иначе связаны с увеличением объемов применения СОТЖ.
Известно, что эффективность составов современных СОТЖ определяется оптимальным сочетанием их разнообразных функциональных свойств, включая охлаждающий, смазывающий, моющий и защитный эффекты, способность уменьшать энергию диспергирования обрабатываемого материала и упрочнять рабочие поверхности режущего инструмента. Поэтому современные СОТЖ представляют собой сложное сочетание таких многочисленных компонентов, как присадки высокого давления на основе серы, хлора, фосфора, азота и других, различные мыла, ПАВ, хладагенты, антикоррозийные и моющие добавки, антивспениватели, биоциды и многие другие.
Абразивная обработка, и в частности процессы шлифования имеют свои особенности, которые выделяют их среди других методов обработки резанием. Процессы шлифования отличаются высокой интенсивностью теплообразования, которая может приводить к нежелательным структурно-фазовым превращениям в поверхностном слое обрабатываемой детали и повышенному расходу инструмента. Для снижения температуры резания наиболее эффективным и распространенным методом в настоящее время остается применение различных СОТЖ с оптимально подобранным составом, расходом и способом подачи в зону шлифования. Расход СОТЖ при шлифовании как правило больше, чем при аналогичных по производительности методах лезвийной обработки.
Стремление интенсифицировать процессы шлифования путем увеличения скорости и глубины резания приводит к пропорциональному возрастанию теплонапряженности в зоне обработке и необходимости увеличения расхода СОТЖ с целью снижения риска термических повреждений обрабатываемой детали. Реализация современных высокопроизводительных методов шлифования обеспечивается при подаче СОЖ под давлением 2-5 МПа с расходом до 200-400 л/мин и связана с применением специальных устройств для фильтрации и охлаждения, что осложняет конструкцию станочной системы и повышает стоимость обработки детали.
От применения СОТЖ часто отказываются при шлифовании ответственных деталей высокой точности, когда нежелательны температурные деформации от смены режима нагрев - охлаждение. Сухое шлифование используют и при необходимости обработки сборочных узлов или комплектов, когда применение СОТЖ недопустимо по техническим требованиям. В ряде производств электронной, электротехнической и других видов продукции применение СОТЖ запрещено из-за возможного загрязнения обрабатываемых поверхностей и их стыков.
Таким образом, шлифование без охлаждения применяется либо как средство повышения точности и качества прецизионной обработки, либо как вынужденная мера при особых требованиях к обрабатываемым изделиям. Задачи повышения производительности и экономичности при этом не ставится и научно обоснованные предпосылки широкого внедрения в промышленности методов шлифования без охлаждения в настоящее время отсутствуют.
Особенностью процесса шлифования является также образование после обработки мелкодисперсного шлама, который трудно поддается утилизации. По данным некоторых работ после шлифования образуется смесь абразива (до 15% по массе) и металлической стружки (от 37 до 92%), в состав которой входят вода, твердые и жидкие нефтяные фракции - масла, парафины и др. Шлам представляет собой весьма устойчивую мелкодисперсную систему, стабилизированную парафинами и стеарином. Технические трудности утилизации шлама предопределены степенью его окисленности, особенностями структуры и удельным содержанием компонентов.
В результате повышается негативное влияние на окружающую среду по причинам вредности СОТЖ и отсутствия рациональных методов утилизации образующегося после обработки шлама. За рубежом эта проблема давно вышла на первый план. Ужесточающиеся регламентации в отношении охраны окружающей среды уже во многих случаях заставили пересмотреть стратегию обработки и разработать технологические процессы, предусматривающие использование минимального количества СОТЖ или полный отказ от СОТЖ. В результате в последнее время вышло много работ, посвященных повышению эффективности сухого шлифования [17, 18, 19, 29, 51 и т.д.].
В нашей стране экологические требования менее строги и пока не вынуждают снижать потребление СОТЖ. Однако в целях повышения конкурентоспособности отечественного абразивного инструмента и технологий на мировом рынке необходимо уже сейчас проводить полномасштабные исследования шлифования без охлаждения.
Кроме того, анализ отечественного рынка сбыта абразивного инструмента, проведенный в ОАО «НПК» Абразивы и шлифование» показал, что сухое шлифование, в частности заточка инструмента абразивными кругами без СОТЖ, имеет большое распространение. Это обусловлено тем, что на машиностроительных предприятиях используется широкая номенклатура инструментов, и для восстановления их режущих свойств наиболее целесообразно применение универсальных заточных станков. Указанное оборудование не оснащено индивидуальными устройствами для подачи и очистки СОТЖ. Поэтому при заточке с СОТЖ требуется частая её замена, что в свою очередь требует наличия на предприятии системы утилизации СОТЖ. Следовательно, использование процессов «сухой» заточки позволяет снизить внутренние затраты предприятия за счет отсутствия затрат на приобретение, хранение и утилизации СОТЖ.
Целью работы является исследование влияния технологических факторов и состава органической связки на выходные параметры процесса шлифования быстрорежущей стали торцом эльборового круга без применения СОТЖ.
Для достижения этой цели решались следующие задачи: исследование влияния технологических факторов на выходные параметры процесса торцевого шлифования; исследование влияния состава связки на изменение характера зависимости выходных параметров процесса торцевого шлифования от технологических факторов; исследование влияния состава органической связки эльборового круга на выходные параметры процесса торцевого шлифования; разработка алгоритма расчета единой зависимости выходных параметров процесса торцевого шлифования от состава связки и технологических факторов.
Методы исследования. При решении поставленных в работе задач проводились теоретические и экспериментальные исследования, оценивалась точность и адекватность полученных результатов. Экспериментальная часть планировалась и проводилась с использованием методов математической статистики, теории вероятностей и многофакторного планирования. Исследовалось влияние технологических факторов и состава связки круга на изнашивание абразивного инструмента, эффективную мощность и качество обработанной поверхности. При этом применялись стандартные методики (измерение шероховатости обработанной поверхности), оригинальные (измерение эффективной мощности шлифования) и специально созданные (измерение износа круга). Исследования проводились как с использованием стандартной аппаратуры, установок, приспособлений, компьютерных программ, так и оригинальных измерительных приспособлений (ИВК «СИТОН»).
Научная новизна заключается в следующем: представлена математическая модель описания процесса шлифования; предложена и обоснована методика измерения износа эльборового круга; разработана методика исследования новых видов органических связок эльборовых кругов; получены аналитические и эмпирические зависимости, позволяющие рассчитывать выходные параметры процесса торцевого шлифования в зависимости от состава связки круга и режимов обработки; разработана методика расчета единой зависимости выходных параметров процесса торцевого шлифования от состава связки и режимов резания.
Основные положения, выносимые на защиту:
Предложенная математическая модель описания процесса шлифования;
Предложенная и математически обоснованная методика измерения износа эльборовых кругов.
Теоретические и экспериментальные зависимости, позволяющие рассчитывать выходные параметры процесса шлифования от состава связки и режимов обработки.
Методика расчета единой зависимости выходных параметров процесса заточки инструмента из быстрорежущих сталей от состава связки эльборовых кругов и режимов обработки.
Практическая ценность. Проведенные исследования являются составной частью научно-исследовательских работ, проводимых в ОАО «НПК»Абразивы и Шлифование». В результате разработана методика исследования новых видов органических связок эльборовых кругов. Разработан рецепт новой связки.
Результаты работы (методики исследования и эльборовые круги на новой органической связке) опробованы и приняты к внедрению на ОАО «ЛМЗ» и ОАО «Завод прецизионного станкостроения» в инструментальных цехах при заточке инструмента из быстрорежущих сталей.
Методика и алгоритм расчета единой зависимости выходных параметров процесса торцевого шлифования от состава связки и режимов резания прошла испытания на ОАО «НИТИ Энергомаш» и рекомендована для внедрения в производство (концерн «Силовые машины», Санкт-Петербург).
Результаты исследований используются в учебном процессе при чтении лекций и проведении практических занятий по дисциплине «Технология инструментального производства» в ПИМаш.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на международных и республиканских конференциях: «Шлифабразив - 2004», г. Волжский 2004г., «Шлифабразив - 2005», г. Волжский 2005г., «Шлифабразив - 2006», г. Волжский 2006г., «Современные технологические процессы, оборудование, инструмент и оснастка», Санкт-Петербург 2005 г., «Современные технологические процессы, оборудование, инструмент и оснастка», Санкт-Петербург 2006 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 работ.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 145 страницах, содержит 23 рисунка, 29 таблиц и состоит из 4 глав, списка литературы, включающего 128 наименований и приложений.
Способы повышения эффективности шлифования без СОТЖ
Характерной особенностью процесса шлифования является высокая температура в зоне контакта шлифовального круга с деталью, источником которой служат пластическая деформация удаляемого материала с детали (20%) и работа трения абразивных зерен и связки об обрабатываемую поверхность (80%) [30]. Следствием этого являются структурные изменения в поверхностном слое обрабатываемой детали - прижог.
Тепловые явления и возможность появления прижога является основным фактором, ограничивающими повышение производительности процесса шлифования [65]. При шлифовании с применением СОТЖ появляется возможность решить проблему повышения производительности путем совершенствования их состава, применения различных способов подвода охлаждающей жидкости в зону резания, в том числе через круг, повышения давления подачи [98]. При шлифовании без применения СОТЖ данные возможности отсутствуют. В то же время, как показано выше, актуальность данного вида обработки с течением временем все увеличивается, что делает решение проблемы высоких температур в зоне контакта круга с деталью важной задачей. Одним из способов решения данной проблемы является усовершенствование конструкции шлифовального круга с целью уменьшения теплоты, создаваемой им при работе. В настоящее время существует несколько основных направлений развития данного способа.
а) Применение высокопористых шлифовальных кругов [5, 30, 22, 88 и т.д.].
Решением проблемы высокой температуры в зоне контакта круга с деталью в данном случае является наличие минимального количества режущих зерен на рабочей поверхности и максимальной эффективности их использования. В высокопористом инструменте содержание зерен в объеме снижается с 50 до 30%, а на рабочей поверхности их количество уменьшается в 1,5 раза. Меньшее количество абразивных зерен в сочетании с порами между ними создает предпосылки не только снижения их работы трения об обрабатываемую поверхность, но и более эффективное участие в удалении материала.
Однако, высокопористый инструмент обладает меньшей прочностью и износостойкостью по сравнению с традиционным.
В настоящее время разработана технология создания высокопористых кругов на бакелитовой связке [53, 88].
б) Применение прерывистых и композиционных шлифовальных кругов [84,119,128].
Одним из лучших способов повышения эффективности шлифования без СОТЖ является применение прерывистых шлифовальных кругов. Создавая круги с необходимой длиной выступов и впадин можно регулировать температуру в зоне шлифования, поскольку величина контактной температуры зависит от времени действия теплового источника. В момент резания элементарной площадки детали происходит ее нагревание, а когда эта площадка находится в зоне впадины, она остывает. При шлифовании прерывистым кругом температура поверхности снижается примерно на 40%.
Математическая модель процесса торцевого шлифования
Процесс шлифования характеризуется следующими группами показателей [115]: параметрами обрабатываемого материала (состав, физико-механические свойства, термическая обработка), параметрами абразивного инструмента (марка абразива, зернистость, твердость, материал связки, форма и размер круга), режимами резания (скорость продольной подачи, подача на глубину, поперечная подача, скорость вращения круга), выходными параметрами (качество металла поверхностного слоя, точность обработки и производительность обработки).
Для построения математической модели процесса шлифования необходимо учесть влияние выше перечисленных параметров, на основе сочетания теоретических и экспериментальных исследований. Разработка и проектирование систем автоматизированного управления технологическими процессами шлифования связана с наличием достоверной математической модели процесса, как объекта управления.
Процесс шлифования представляет собой сложную техническую систему, состоящую из следующих основных подсистем:
1) подсистема преобразования подводимой энергии в управляющие воздействия на процесс шлифования с целью его осуществления и оптимизации;
2) непосредственно шлифования (рис. 2.1). Первая подсистема включает в себя систему электропитания, регулирования и управления приводами станка, автоматический регулятор системы автоматического управления (САУ), приводы шлифовального круга, продольной и поперечной подач.
Вторая подсистема процесса включает в себя локальные процессы: образование съема металла, действие составляющих силы резания, образование размеров и формы заготовки, качество поверхностного слоя (шероховатость, микротвердость, фазово-структурное состояние).
Системный подход выявил ряд характерных особенностей шлифовальных операций, одна из которых - непрерывное изменение параметров качества обрабатываемой поверхности, состояния инструмента, взаимного расположения элементов технологической системы. Текущее значение шероховатости поверхности, отклонение формы, физико-механического состояния поверхностного слоя находится в прямой связи с закономерностями функционирования всей технологической системы, которая при каждом новом контакте поверхности с инструментом принимает новое состояние [41]. Радиальная и тангенциальная составляющие силы резания, размеры и форма зоны контакта, силы резания единичным зерном, число зерен, участвующих в резании - являются связующими параметрами при математическом описании процесса шлифования.
Аппаратура для испытаний
Для проведения исследований использовались круги 12А2 125x26x32x5x3 ЛКВ 160/125 100% с различным содержанием компонентов органической бакелитовой связки.
Внешний вид кругов представлен на рис. 3.1.
Образцы для исследований были изготовлены из закаленной стали Р6М5 твердостью HRC 62...64. Размеры пластин: 8x21x100 мм.
Испытания проводились на установке, созданной на базе универсально-заточного станка модели ЗД642Е (см. рис. 3.2). Основные характеристики этого станка приведены в табл. 3.1. Таблица 3.1
Характеристики станка ЗД642Е Класс точности по ГОСТ 8-77 2
Скорость продольного перемещения, м/мин 0,2...8
Частота вращения шпинделя, мин" 2240;3150;4500;6300
Наибольший диаметр устанавливаемого круга по ГОСТ 2424-75, мм 150
На рисунке указаны следующие элементы установки:
1. Электродвигатель привода вращения шпинделя
2. Шлифовальный круг
3. Тиски с обрабатываемой пластиной
4. Стол
5. Устройство поперечной подачи
6. Устройство для отсасывания пыли
7. Счетчик ходов
8. Стойка приспособления для измерения износа
1 - Шлифовальный круг; 2 - Обрабатываемая пластина; 3 - Тиски. Станок оснащен устройством для автоматической осевой подачи круга, схема которого представлена на рис. 3.4.
с Рис. 3.4 Устройство для автоматической осевой подачи
На валу привода поперечной подачи были смонтированы маховик (1) с нарезанными по периметру зубьями и вилка (2). Продольное перемещение стола станка передавалось на вилку через закрепленный на столе палец. На вилке закреплена храповая собачка (3), которая, входя в зацепление с зубьями на маховике, вызывала поворот вала поперечной подачи. Поворот маховика на один зуб соответствовал поперечной подаче 0,01мм. Угол поворота, а с ним и величина поперечной подачи регулировался перемещением кожуха маховика (4).
В процессе выбора способа измерения износа круга было рассмотрено множество различных вариантов [43]. В результате был выбран метод, разработанный ВНИИАШ для измерения кругов ПП. Для проверки точности измерений было изготовлено специальное приспособление.
Измерение износа круга осуществлялось индикатором, показывающим изменение расстояния от рабочей поверхности круга до выбранной базовой поверхности. Индикатор крепился в оправке на столе станка. Базовой поверхностью служили пластинки из плексигласа, наклеенные на торец круга на расстоянии 3 мм от его периферии. После каждого останова станка измерительная ножка индикатора подводилась к базовой пластине и шкала индикатора устанавливалась на ноль. Затем ножка индикатора оттягивалась и подводилась при продольном перемещении стола к рабочей поверхности круга по радиусу.
Износ по радиусу круга измеряли в 4...5 точках по высоте круга индикатором с точностью до 0,001 мм.
При экспериментальном определении зависимости износа круга от съема металла погрешности возникают:
а) при измерении величины износа при настройке индикатора после каждого периода шлифования;
б) за счет колебаний условий обработки в разных периодах шлифования.
Результаты исследования зависимости выходных параметров процесса шлифования от режимов обработки
В соответствии с методом планирования эксперимента были проведены испытания эльборовых кругов на экспериментальных связках Bl, В2 и ВЗ. Результаты замеров относительного расхода кругов (q 10 ) приведены в табл. 4.1.
Для оценки дисперсии воспроизводимости опытов с каждым кругом была произведена серия из пяти параллельных испытаний на следующих режимах обработки: VK - 20 м/с, Vnp = 2 м/мин, t = 0,03 мм/дв.ход. Для полученных значений была проведена проверка на наличие выбросов согласно критерию Романовского [52], Результаты параллельных испытаний (q-10-3), проверки наличия выбросов и значения дисперсии воспроизводимости для каждого круга приведены в табл. 4,2. Таблица 4.2 Оценка испытаний
В соответствии с методикой расчета уравнений для ортогонального плана проведения эксперимента для круга на связке В1 была получена зависимость относительного расхода круга от режимов обработки.
Поскольку в состав связки всех трех испытываемых кругов входят одни и те же компоненты, но в различных пропорциях, была выдвинута гипотеза о том, что состав связки не влияет на характер зависимости ВППШ от режимов резания, изменяя лишь их величину.
Для подтверждения этой гипотезы данные испытаний кругов на связках В2 и ВЗ были аппроксимированы выражением (1), со значениями Cq = 5,84 10 і и Cq = 5,65 10"5 для кругов В2 и ВЗ соответственно. Результаты проверки адекватности аппроксимаций экспериментальным данным представлены в табл. 4.3. В таблице приняты следующие обозначения: S дисперсия воспроизводимости, вычисляемая по результатам параллельных испытаний, S -остаточная дисперсия, Fa0Jf f - критерий Фишера.
Таким образом, уравнение (1) имеет одинаковый вид для разных составов связки и отличается только коэффициентами пропорциональности. Следовательно, условия протекания процесса шлифования не зависят от состава связки, который влияет только на величину износа.
Итоговые уравнения зависимости относительного расхода круга от режимов обработки для всех испытанных кругов представлены в табл. 4.4.
Для оценки точности вычисления значений относительного расхода круга по данным уравнениям был рассчитан доверительный интервал, который составил ±5%. Из таблицы 4.4 видно, что при максимальном содержании в связке термопоглощающего наполнителя В1 относительный расход круга в 1,5 раза меньше чем для кругов на связках В2 и ВЗ.
По полученным уравнениям были построены графики (см. рис. 4.1), представляющие собой зависимости относительного расхода круга от глубины резания и скорости круга при постоянной скорости продольной подачи.
Как видно из указанных рисунков влияние глубины резания и скорости круга на его износ усиливаются с увеличением скорости продольной подачи. Если при Vlip=3 м/мин увеличение скорости круга приводит к значительному снижению износа, а увеличение глубины резания приводит к его росту, то при Vnp=l,5 м/мин влияние скорости круга и глубины резания на износ практически отсутствует.
Указанное явление объясняется следующим.
Малая скорость продольной подачи приводит к увеличению времени контакта шлифовального круга с обрабатываемой поверхностью, вследствие чего увеличивается количество тепла, переходящего в заготовку [128] и круг. При увеличении скорости продольной подачи время контакта уменьшается а с ним и количество переданной теплоты. Это явление отражается в обоих зависимостях, представленных на рисунках.
