Шлифования периферией круга за счет использования прерывистых кругов с упругодемпфирующими элементами
На правах рукописи
СМИРНОВ ВИТАЛИЙ АЛЕКСЕЕВИЧ
УДК 621. 923
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПЛОСКОГО ШЛИФОВАНИЯ ПЕРИФЕРИЕЙ КРУГА ЗА СЧЕТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПРЕРЫВИСТЫХ КРУГОВ С УПРУГОДЕМПФИРУЮЩИМИ ЭЛЕМЕНТАМИ
Специальность 05.03.01 – Технологии и оборудование механической и физико-технической обработки
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Ижевск – 2008
Работа выполнена на кафедре «Технология машиностроения и приборостроения» Воткинского филиала Ижевского государственного технического университета (ИжГТУ)
Научный руководитель – доктор технических наук
Репко Александр Валентинович
Официальные оппоненты – доктор технических наук, профессор
Макаров Владимир Федорович
– кандидат технических наук
Мурзин Юрий Павлович
Ведущая организация – ФГУП «Воткинский завод», г. Воткинск
Защита состоится 12 декабря 2008 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.065.02 в Ижевском государственном техническом университете по адресу: 426069, г. Ижевск, ул. Студенческая 7, ИжГТУ.
Отзыв на автореферат, заверенный гербовой печатью, просим выслать по указанному адресу.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ижевского государственного технического университета.
Автореферат разослан “…” ………… 2008 г.
Общая характеристика работы
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.
Содержание работы.
Во введении обосновывается актуальность темы, дается общая характеристика работы и направленность исследований.
В первой главе рассматриваются причины возникновения и способы устранения тепловых дефектов при шлифовании, а также существующие исследования в области динамики процесса шлифования.
Рассмотрены разновидности тепловых дефектов, которые могут возникнуть при шлифовании и факторы, оказывающие влияние на их формирование. В результате анализа работ П.И.Ящерицына, В.А.Сипайлова, А.В.Якимова и др. можно выделить 4 фактора, определяющих температуру в зоне резания и процессы, определяющие значение каждого из четырех факторов (рис. 1).
Рис. 1. Классификация процессов, определяющих возникновение тепловых дефектов
Проведен анализ существующих теоретических и экспериментальных исследований изменения параметров срезаемого слоя, сил резания, теплонапряженности шлифования обычными и прерывистыми кругами, проведенных А.Н.Резниковым, В.И.Островским, Е.Н.Масловым, Д.Г.Евсеевым, Ф.Ю.Свитковским, В.А.Сипайловым, А.В.Якимовым и др. Установлено, что мало внимания уделяется учету влияния некоторых факторов динамики процесса: затупление, неравномерный износ круга, вибрации в технологической системе, неравномерность припуска, увеличение сил резания при работе торца абразивного сегмента прерывистого шлифовального круга (ПШК) (рис. 1). Моделирование динамики шлифования сводится, как правило, к абстрактному качественному описанию происходящих явлений, но существующих теоретических и экспериментальных исследований в данной области явно недостаточно.
Различные способы подвода смазывающе-охлаждающего технологического средства (СОТС) при плоском шлифовании периферией круга, их достоинства и недостатки рассмотрены в работах А.Н.Резникова, Л.В.Худобина, А.В.Репко, Д.Г.Евсеева и др. Одним из способов подачи СОТС при шлифовании сплавов, склонных к возникновению тепловых дефектов, является подача СОТС через впадины на поверхности ПШК, что позволяет снизить теплонапряженность процесса и уменьшить вероятность появления шлифовочных дефектов. Основными недостатками ПШК, ограничивающими их технологические возможности, являются:
1) большой размерный износ круга из-за меньшей рабочей площади периферии круга и ударного характера сил резания;
2) более высокий уровень вибраций в технологической системе;
3) некоторые причины возникновения тепловых дефектов не могут быть устранены с помощью известных ПШК, например, неравномерность свойств материала заготовки, недостаточный подвод жидкости в зону резания, износ или засаливание инструмента, вибрации в зоне резания, нарушение припуска или геометрической точности поступающей заготовки и др.
На основании обзора и анализа существующих методов снижения вероятности возникновения тепловых дефектов при шлифовании определено, что весьма перспективными направлениями повышения эффективности обработки являются снижение уровня вибраций в зоне резания и управление динамикой процесса шлифования.
Среди рассмотренных способов управления процессом шлифования следует отметить управление по величинам сил резания и использование упругой схемы шлифования. Перспективным направлением повышения эффективности шлифования сплавов, склонных к возникновению тепловых дефектов, можно считать разработку ПШК с упруго закрепленными режущими элементами.
В заключение первой главы, на основании анализа состояния проблемы и выбранного направления исследований, сформулированы цель работы и задачи исследований.
Во второй главе разрабатываются компоненты динамической модели процесса шлифования и разрабатываются методика и алгоритм расчета ПШК с УДЭ.
К факторам динамики процесса шлифования относятся следующие: неравномерность припуска под обработку, изменение режущей способности круга вследствие затупления или засаливания абразивных зерен, эксцентриситет и неравномерный износ круга, относительные вибрации круга и заготовки (рис. 2).
При разработке компонентов динамической модели шлифования исходим из следующих допущений: предполагаем, что динамические факторы, рассмотренные выше, односторонне влияют на изменение параметров срезаемого слоя, составляющих сил резания, температуру в зоне резания и точность обработки. Рассматривается влияние каждого из динамических факторов независимо друг от друга. Это позволяет установить степень влияния каждого из факторов в отдельности.
Основными факторами, определяющими все показатели процесса шлифования, являются параметры срезаемого слоя: толщина среза и длина дуги контакта круга с заготовкой. С целью учета совместного влияния динамических, статических и кинематических факторов на показатели процесса шлифования, проведены исследования изменения параметров срезаемого слоя.
Исследования показали, что тангенциальные (z) и крутильные (окр) колебания круга относительно заготовки можно в дальнейшем не учитывать, так как их совместное влияние по результатам расчета составляет не более 1% от влияния радиальных колебаний (y).
Механизм влияния динамических факторов на изменение параметров срезаемого слоя одинаков. Степень их влияния зависит не только от некруглости шлифовального круга, амплитуды и частоты вибраций, но и от глубины резания, радиуса, окружной скорости вращения круга и скорости подачи заготовки.
При определенных параметрах колебаний и кинематических соотношениях может нарушаться непрерывность контакта круга и заготовки, что необходимо учитывать при нахождении закона изменения толщины срезаемого слоя за период колебаний. Получено граничное условие непрерывности контакта круга и заготовки (рис. 3):
, (1)
где Vз – скорость подачи заготовки, t – фактическая глубина резания, R – радиус шлифовального круга, Ai, i – соответственно амплитуда и частота i-ой гармоники колебаний.
Для случая прерывистого контакта круга с заготовкой получены трансцендентные уравнения для нахождения координат точек выхода и входа шлифовального круга в заготовку xвх и хвых и соответствующих им углов поворота круга вх и вых.
(2)
Для определения толщины срезаемого слоя, приходящегося на некоторый сектор круга, вводится величина, характеризующая скорость изменения толщины срезаемого слоя:
, (3)
где – угол поворота шлифовального круга.
Величина срезаемого слоя сектором круга aZсект может быть найдена интегрированием величины vZ на заданном интервале 
:
(4)
Степень влияния радиальных вибраций шлифовального круга относительно заготовки на соотношение пиковой и средней величины срезаемого слоя характеризуется коэффициентом kv (рис.4):
(5)
Получена математическая модель для определения изменения длины дуги контакта круга с заготовкой за один оборот круга:
(6)
; 
где 
- безразмерная скорость, – коэффициент, характеризующий отставание максимума длины дуги контакта от максимума толщины срезаемого слоя, r – коэффициент, зависящий от радиуса круга,
Vкр – окружная скорость вращения круга.
Разработанные математические модели позволяют осуществить переход от изменения параметров срезаемого слоя к изменению составляющих сил резания, которые являются наиболее важными факторами процесса шлифования. Работа сил резания при шлифовании в основном превращается в теплоту, а износ круга и температура поверхности заготовки пропорциональны величинам составляющих сил резания.
С целью учета влияния факторов динамики процесса на его эффективность получены и апробированы математические модели, позволяющие рассчитать тангенциальную и радиальную силы резания с учетом затупления шлифовального круга как при отсутствии влияния динамических факторов (формула (7)), так и в динамике (формула (8)). Сила резания определяется силой микрорезания единичным зерном, пропорциональной мгновенной толщине срезаемого слоя, и количеством участвующих в резании зерен, зависящем от длины дуги контакта круга с заготовкой, степени затупления и характеристик инструмента.
(7)
, (8)
где kPy, k’Py, kPz, k’Pz – эмпирические коэффициенты, определяющие силы микрорезания единичным зерном, N – зернистость по ГОСТ 3647-80, nреж – число режущих зерен на периферии шлифовального круга, B – высота круга.
Для учета влияния динамических факторов получены формулы (9) – (11) для расчета коэффициентов динамичности, величина которых определяется спектром колебаний шлифовального круга относительно заготовки, некруглостью шлифовального круга, волнистостью обрабатываемой поверхности и длиной впадины ПШК.
Коэффициенты динамичности, учитывающие влияние вибраций в технологической системе (отношение пиковой и средней величины силы резания):
(9)
Коэффициенты динамичности, учитывающие прерывистость периферии круга получены исходя из условия, что при наличии впадин толщина среза зернами, находящимися на торце сектора, увеличивается на величину 
:
, (10)
где l2 – длина впадины прерывистого шлифовального круга.
Коэффициенты, учитывающие волнистость поверхности заготовки и геометрическую неточность шлифовального круга:
, (11)
где hв – отклонение от плоскостности шлифуемой поверхности, hкр – неравномерность износа шлифовального круга.
Разработанные математические модели адекватны в следующем диапазоне изменения исходных данных: R=62,5…250 мм, Vкр=10…50 м/с, Vз=1…20 м/мин, t=0,001…0,05 мм, А до 0,05 мм, до 1000 Гц, hкр до 0,02 мм, hв до 0,05 мм.
Расширение технологических возможностей ПШК и повышение эффективности шлифования осуществляется за счет введения в технологическую систему дополнительного звена – УДЭ (рис. 5).
Введение УДЭ, во-первых, способствует демпфированию вибраций в зоне резания, что уменьшает их отрицательное влияние на эффективность обработки, а, во-вторых, позволяет управлять средними и мгновенными величинами тангенциальной и радиальной составляющих сил резания, что увеличивает стойкость круга, а также позволяет избежать повышения температуры в зоне резания выше предельно допустимой.
Получено решение дифференциального уравнения, описывающего деформацию УДЭ за время прохождения режущего сектора через зону резания:
, (12)
где – время, mсегм – масса режущего сегмента, с – жесткость УДЭ.
Полученное решение позволило оценить продолжительность переходного процесса деформации и на основании этого описать изменение сил резания при прохождении режущего сектора через зону резания (рис. 6).
(13)
(14)
Как показали исследования применение ПШК с УДЭ эффективно при любом режиме работы круга: затупление, самозатачивание или смешанный режим. Возникает необходимость разработки методики определения характеристик и разработки конструкции ПШК с УДЭ. Для чего вводятся безразмерные критерии эффективности обработки – критерий производительности и критерий стойкости круга (15).
,
, (15)
где hср – средняя величина деформации УДЭ (формула (12) при mсект=0 и 
), Nпр – число проходов, требуемое для получения поверхности с заданной геометрической точностью, hи max – величина предельно допустимого износа зерен круга.
Определяются следующие условия ограничения:
1. Виброустойчивость – выбор числа режущих выступов, жесткости УДЭ, массы режущих сегментов из условия отсутствия параметрического резонанса (минимума амплитуды колебаний в технологической системе).
; 
(16)
2. Отсутствие прижогов на обработанной поверхности при затуплении круга и влиянии динамических факторов.
, (17)
где 
- время, за которое температура поверхности заготовки повысится до температуры возникновения тепловых дефектов пр, min – температура, до которой успевает охладиться заготовка за время прохождения впадины ПШК через зону резания,
, a – коэффициенты удельной теплопроводности и температуропроводности обрабатываемого материала; q – плотность теплового потока.
, (18)
где Арез – работа тангенциальной силы резания за время прохода режущего сектора через зону резания (определяется согласно рис. 6),
- коэффициент, определяющий долю общего теплового потока, переходящего в заготовку, h – деформация УДЭ.
(19)
3. Обеспечение требуемой геометрической точности шлифованной поверхности
, (20)
где hв – волнистость обработанной поверхности, [hв] – допуск макропогрешности по чертежу детали.
, где (21)
где 
– высота волнистости шлифованной поверхности, обусловленная волнистостью исходной поверхности h0 (определяется по формулам (7) и (12) как разность между деформацией УДЭ h под действием силы Py на вершине волны и во впадине); hдин – высота волнистости шлифованной поверхности, обусловленная относительными колебаниями шлифовального круга и заготовки.
Для оценки влияния жесткости УДЭ на волнистость обработанной поверхности вводится коэффициент, показывающий долю волнистости обработанной поверхности по отношению к обрабатываемой в (рис.7) и коэффициент уточнения kуточ:
, 
(22)
Требуемое число проходов для получения поверхности с заданной геометрической точностью определяется по формуле:
(23)
На базе критериев оптимальности и условий-ограничений разработан алгоритм расчета параметров ПШК с УДЭ. Алгоритм позволяет получить множество вариантов ПШК с различной протяженностью режущих сегментов и жесткостью их закрепления в зависимости от свойств обрабатываемого материала, радиуса и высоты круга, абразивного материала, режимов обработки, спектра вибраций в технологической системе, режима работы шлифовального круга и требований к обработанной поверхности. Разработанный алгоритм позволяет выбрать наиболее рациональную конструкцию круга с точки зрения производительности обработки или стойкости круга.
В третьей главе проводятся экспериментальные исследования динамики процесса шлифования, износа шлифовального круга, температуры в зоне резания и параметров качества обработанных поверхностей. Для этого спроектированы и изготовлены экспериментальные шлифовальные круги с УДЭ (рис.12) и экспериментальные установки.
Экспериментальные исследования изменения сил резания и параметров относительных колебаний включали в себя сбор данных с датчиков виброускорения и тензометрических датчиков (рис. 8), получение графиков виброперемещений круга относительно заготовки в радиальном направлении и разложение сигналов виброперемещения и переменной составляющей тангенциальной силы резания в спектр по алгоритму быстрого преобразования Фурье. Примеры полученных результатов показаны на рис.9.
В результате выявлено несколько частот колебаний, оказывающих наиболее сильное влияние на изменение сил резания и износ круга. Данные частоты обусловлены колебаниями на частоте вращения круга, собственными колебаниями элементов технологической системы, автоколебаниями, возникающими при износе шлифовального круга и колебаниями на частоте, равной частоте ударов абразивных сегментов о поверхность заготовки. Сравнение теоретических и экспериментальных значений коэффициентов динамичности на доминирующих частотах показало, что погрешность разработанных математических моделей изменения сил резания не превышает 20%.
Рис. 9. Спектры радиальных вибраций шлифовального круга относительно заготовки и переменной составляющей силы Pz
Обработка экспериментальных данных средних сил резания при различной жесткости УДЭ, глубине резания, скорости круга и заготовки, степени затупления круга показала, что с вероятностью =0,95 отклонение экспериментальных значений силы Py от расчетных значений, полученных по математической модели (7), не превышает ±12%, для силы Pz ±15%.
Экспериментально подтверждено, что при введении в конструкцию шлифовального круга УДЭ амплитуды колебаний сил резания на доминирующих частотах уменьшаются, что объясняется эффектом демпфирования, при снижении жесткости УДЭ уменьшаются значения коэффициентов динамичности.
Изнашивание ПШК исследовалось экспериментально ввиду невозможности его достаточно точного теоретического описания. Установлена взаимосвязь между изменением сил резания и особенностями изнашивания шлифовального круга, а именно совпадение частот в спектрах переменной составляющей сил резания и некруглости шлифовального круга. Применение методов планирования эксперимента позволило получить регрессионную модель (24), которая позволяет оценить неравномерность износа шлифовального круга с УДЭ в зависимости от жесткости УДЭ, протяженности режущих сегментов и продолжительности шлифования.
, 
, 
; 
(24)
Проведенные исследования показали, что ПШК с УДЭ имеют более равномерный износ и меньший удельный износ, чем круги без УДЭ. Установлено, что при износе ПШК с УДЭ наблюдается интенсивное самозатачивание торцов и формирование угла атаки у режущих сегментов. Это подтверждает, что при врезании режущего сегмента в поверхность заготовки деформация УДЭ сопровождается переходным процессом, определяющим изменение сил резания. Самозатачивание торцов режущих сегментов и формирование углов атаки положительно сказывается на режущей способности ПШК.
Основным показателем, определяющим качество обработки, является контактная температура в зоне резания. С целью исследования изменения температуры в зоне резания проводились экспериментальные исследования теплонапряженности шлифования методом полуискусственной термопары.
Аппроксимация результатов экспериментов показала, что при уменьшении жесткости УДЭ пиковая контактная температура в зоне резания уменьшается, уменьшается и скорость ее роста при износе круга (рис. 10). Применение ПШК с УДЭ позволяет управлять величиной пиковой контактной температуры в условиях износа круга и влияния динамических факторов, то есть осуществляется саморегулирование процесса по величине тангенциальной силы резания.
Проведены экспериментальные исследования параметров шероховатости шлифованной поверхности при обработке тремя кругами: сплошным, прерывистым и прерывистым с УДЭ (рис. 11). Экспериментальные исследования показывают, что после правки ПШК с УДЭ и без УДЭ обеспечивают практически одинаковую шероховатость обработанных поверхностей. С увеличением продолжительности шлифования шероховатость обработанной поверхности до 15% ниже при шлифовании ПШК с УДЭ, чем при шлифовании сплошным кругом или кругом без УДЭ. Применение УДЭ позволяет избежать появления тепловых дефектов всех видов при шлифовании ПШК.
Экспериментальные исследования геометрической точности при обработке ПШК с УДЭ показали, что с вероятностью =0,95 погрешность разработанных математической модели геометрической точности обработки (21) и (22) не превышает ±20%. Разработанный ПШК с УДЭ обеспечивает требуемую геометрическую точность шлифованной поверхности.
В четвертой главе рассматривается пример проектирования нескольких вариантов ПШК с УДЭ для обработки титанового сплава ВТ6 на основании разработанной методики и алгоритма расчета. Поскольку алгоритм позволяет получить несколько конструкций ПШК с различными показателями критериев эффективности обработки, технолог имеет возможность в зависимости от требований, предъявляемых к обработке, выбрать среди полученных вариантов наиболее рациональный с точки зрения производительности обработки или стойкости круга или средний вариант, сочетающий в себе удовлетворительную стойкость и удовлетворительную производительность. По результатам расчетов изготовлен ПШК с УДЭ (рис. 12), которым производилась обработка титанового сплава ВТ6 на рекомендуемых режимах резания.
Рис. 12. Шлифовальный круг с УДЭ
Разработаны рекомендации по применению ПШК с УДЭ, включающие в себя: рекомендуемые материалы для УДЭ, обеспечение и контроль требуемой жесткости УДЭ, балансировка кругов и их технико-экономические показатели.
Таким образом, в работе получены новые научные данные о процессе шлифования ПШК с УДЭ, что позволило достичь поставленной в работе цели.
В приложении приведен алгоритм расчета рациональных параметров ПШК с УДЭ. Представлены результаты опытно-промышленных испытаний данного круга в условиях действующего производства ООО ПКФ «Техновек» и ЗАО «Базальтовое волокно» (г. Воткинск).
Основные результаты и выводы.
На основании проведенного комплекса теоретических и экспериментальных исследований были сформулированы следующие научные выводы:
- Разработаны математические модели изменения сил резания при шлифовании прерывистыми кругами с УДЭ под влиянием их упругой деформации, учитывающие вибрации в технологической системе, затупление и неравномерный износ круга, прерывистость периферии круга и неравномерность припуска под обработку. Получены математические модели для расчета коэффициентов динамичности. Установлено, что введение УДЭ позволяет уменьшить амплитуду переменной составляющей тангенциальной силы резания на различных частотах до четырех раз и управлять мгновенными и средними силами резания. При шлифовании кругами с УДЭ скорость увеличения средних и мгновенных сил резания с затуплением круга уменьшается, а без УДЭ увеличивается.
Установлено, что при использовании прерывистых кругов без УДЭ мгновенная сила резания может до 10 раз превышать среднюю силу резания, что приводит к увеличению вероятности возникновения тепловых дефектов.
- Проведены исследования деформации УДЭ за время прохода режущего сегмента прерывистого круга через зону резания с учетом переходного процесса деформации и поворота сегмента. Установлено, что деформация УДЭ состоит из трех этапов: при врезании режущего сегмента в заготовку происходит переходный процесс деформации УДЭ, длящийся от 1/8 до 1/4 от времени прохода режущего сегмента; установившаяся деформация, величина которой составляет от 20 до 80% глубины резания в зависимости от жесткости УДЭ и мгновенной величины радиальной силы резания; при выходе сегмента из зоны резания суммарная деформация УДЭ увеличивается на 20% вследствие влияния поворота сегмента.
Разработанные математические модели позволяют рассчитывать изменение составляющих сил резания при шлифовании прерывистым кругом с УДЭ.
- Разработаны математические модели для определения параметров срезаемого слоя, учитывающие вибрации в технологической системе, прерывистость периферии круга, его неравномерный износ и неравномерность припуска под обработку. Установлено, что динамические факторы могут увеличивать мгновенную толщину слоя, срезаемого сегментом круга, от 2 до 10 раз по отношению к средней толщине срезаемого слоя.
- Разработана математическая модель точности формы шлифованной поверхности при шлифовании кругами с УДЭ, учитывающая их упругую деформацию. Установлено, что коэффициент, характеризующий долю остаточной волнистости шлифованной поверхности за один проход, может изменяться от 0,2 до 0,9. При уменьшении жесткости УДЭ и увеличении степени затупления круга коэффициент остаточной волнистости увеличивается. Разработанная модель позволяет определять требуемое число проходов для достижения заданной геометрической точности шлифованной поверхности.
- На основании математических моделей изменения параметров срезаемого слоя, изменения сил резания, температуры в зоне резания и геометрической точности обработки установлено, что для обеспечения бездефектной обработки жесткость УДЭ должна быть тем меньше, чем больше средние силы резания, коэффициенты динамичности, длина режущего сегмента, предельная величина затупления круга и чем меньше температура возникновения прижогов для обрабатываемого материала и требуемая точность обработки.
- Проведены экспериментальные исследования технологических возможностей прерывистых кругов с УДЭ. Установлено, что с увеличением жесткости УДЭ увеличиваются по нелинейному закону неравномерность износа круга, удельный износ и контактная температура, при том скорость их увеличения тем больше, чем больше жесткость.
Основные положения диссертации изложены в следующих работах:
- Смирнов В.А., Репко А.В., Кирьянов А.Г. Устройство для определения податливости материала // Процессы абразивной обработки, абразивные инструменты и материалы: Сб. статей междунар. науч.-технич. конфер. Волжский: Волжский институт строительства и технологий (филиал) ВолГАСУ. – Волжский, 2005. – 227 с, с. 180 – 182.
- Смирнов В.А., Кирьянов А.Г., Хабиров А.Р. Моделирование упруго-пластического удара абразивного зерна о поверхность детали. Процессы абразивной обработки, абразивные инструменты и материалы: Сб. статей междунар. науч.-технич. конфер. Волжский: Волжский институт строительства и технологий (филиал) ВолГАСУ. – Волжский, 2006. – 244 с.
- Смирнов В.А., Владимиров А.В. Влияние вибраций в системе “инструмент – заготовка” на процесс шлифования // Научные и методические проблемы подготовки конкурентоспособных специалистов для Удмуртии : матер. науч.-метод. конф. Май, 2007 г. – Ижевск : Изд-во ИжГТУ, 2007. – 384 с., с. 94 – 98.
- Смирнов В.А., Владимиров А.В. Проблемы, возникающие в процессе шлифования и способы борьбы с ними // Научные и методические проблемы подготовки конкурентоспособных специалистов для Удмуртии : матер. науч.-метод. конф. Май, 2007 г. – Ижевск : Изд-во ИжГТУ, 2007. – 384 с, с. 57 – 63.
- Смирнов В.А. Способ эффективного вибропоглощения при плоском шлифовании периферией круга // Материаловедение и технология конструкционных материалов – важнейшие составляющие компетенции современного инженера. Проблемы качества технологической подготовки : сборник статей Всероссийского совещания заведующих кафедрами материаловедения и технологии конструкционных материалов / Научно-методический совет по материаловедению и технологии конструкционных материалов России; ВолГАСУ. – Волжский : ВИСТех (филиал) ВолгГАСУ, 2007. – 347 с., с. 256 – 258.
- Смирнов В.А. Динамика сил резания с учетом износа прерывистого шлифовального круга прямого профиля и вибраций в технологической системе // Экономика и производство. №1, 2008., с. 72 – 75.
- Смирнов В.А. Исследование параметров качества обработанных поверхностей при шлифовании прерывистыми кругами с упругодемпфирующими элементами // Сиситемы проектирования, моделирования, подготовки производства и управление проектами CAD/CAM/CAE/PDM: сборник статей II Международной научно-практической конференции. – Пенза, 2008., с. 65 – 67.
- Смирнов В.А., Кирьянов А.Г., Лукин Л.Л. Влияние эксцентриситета шлифовального круга прямого профиля на показатели процесса плоского периферийного шлифования. // Технология машиностроения. №11. 2007., с. 28 – 30.
- Смирнов В.А., Репко А.В. Управление теплонапряженностью шлифования титановых сплавов за счет использования прерывистых шлифовальных кругов с упругодемпфирующими элементами // Металлообработка. №3, 2008., с. 15 – 18.
- Смирнов В.А. Влияние геометрической неточности шлифовального круга и вибраций в технологической системе на изменение толщины срезаемого слоя при плоском шлифовании периферией круга // Вестник ИжГТУ, №3, 2008., с. 16 – 18.
- Смирнов В.А. Динамика изнашивания прерывистых шлифовальных кругов с упругодемпфирующими элементами // СТИН, №8, 2008 г., с. 20 – 22.
- Смирнов В.А., Лукин Л.Л. Методика проектрования прерывистых шлифовальных кругов с упругодемпфирующими элементами // Технология машиностроения, №8, 2008 г., с. 26 – 30.
Автореферат
Смирнов В.А.
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПЛОСКОГО ШЛИФОВАНИЯ ПЕРИФЕРИЕЙ КРУГА ЗА СЧЕТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПРЕРЫВИСТЫХ КРУГОВ С УПРУГОДЕМПФИРУЮЩИМИ ЭЛЕМЕНТАМИ
Отпечатано на оборудовании Воткинского филиала ИжГТУ
г. Воткинск, ул. П.И. Шувалова, 1, тел. (34145) 5-15-00
Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз.
