Новый подход к обработке плоских поверхностей абразивным инструментом

Размещено на http://www.allbest.ru/

НОВЫЙ ПОДХОД К ОБРАБОТКЕ ПЛОСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ АБРАЗИВНЫМ ИНСТРУМЕНТОМ

Л.А. Захаров

Рассмотрен новый подход к обработке плоских узких протяжённых поверхностей абразивными брусками. Определена наиболее эффективная схема обработки и представлены зависимости формируемых параметров качества поверхностного слоя деталей и производительности процесса от условий обработки.

Конкурентоспособность предприятий машиностроения в современных условиях рыночной экономики в значительной мере определяется эффективностью используемых технологических методов обработки. Это вызывает необходимость дальнейшего совершенствования существующих и поиска новых прогрессивных методов и технологий, позволяющих улучшать качество изделий и обеспечивать высокие эксплуатационные показатели, повышая при этом производительность обработки.

К наиболее эффективным, высокопроизводительным методам абразивно-алмазной обработки относится шлифование, чаще всего применяемое в промышленности как чистовой метод окончательной обработки. Шлифовальные операции достаточно широко исследованы, и накоплен значительный опыт их применения. Однако особенности, присущие процессу шлифования кругами и предопределяющие формируемые показатели качества обработанной поверхности, в ряде случаев накладывают такие ограничения, которые делают этот процесс совершенно неприемлемым. Так, шлифование, в том числе и плоских поверхностей, характеризуется высокой силовой и температурной напряжённостью в контактной зоне, что приводит к увеличению упругих отжатий в технологической системе; прижогам, микротрещинам, фазовым и структурным превращениям в поверхностном слое, т.е. появлению дефектного слоя [1-3]. Вследствие недостаточной жёсткости технологической системы, неравномерной твёрдости и неуравновешенности круга, а также его засаливания, способствующих возникновению переменной составляющей силы резания и развитию автоколебаний, формируется волнистость на обрабатываемой поверхности, сопровождаемая неоднородностью шероховатости [3-5]. Эти явления недопустимы при обработке ряда деталей, имеющих плоские поверхности малой ширины и большой длины (отношение длины к ширине более 50), во избежание возможных коробления и прижогов. Таковыми являются планки направляющих технологического оборудования или опорные поверхности под них, к которым предъявляются достаточно высокие требования как по точности обработки, так и по формированию параметров качества поверхностного слоя [6]. Здесь весьма успешно может быть использована обработка (шлифование) абразивными брусками плоских поверхностей, имеющая ряд достоинств перед другими видами окончательной абразивной обработки. Она обеспечивает эффективное удаление волнистости и, следовательно, получение поверхностей с минимальными отклонениями от плоскостности, а также требуемую шероховатость и достаточно высокие показатели физико-химических свойств.

Для определения возможностей такой обработки предварительно были проанализированы существующие способы и схемы обработки плоских поверхностей абразивно-алмазными брусками [7]. При этом было установлено, что, помимо отделочных операций (суперфиниширование и хонингование), шлифование брусками может применяться для получистовой и чистовой обработки плоскостей. Однако процессы шлифования брусками плоских поверхностей являются практически неизученными, что не позволяет дать рекомендации по выбору этого метода для конкретных условий. Необходимо исследовать и изучить процессы, происходящие при данной обработке.

Для проведения теоретических и экспериментальных исследований были определены несколько возможных схем обработки абразивными брусками плоских узких длинных поверхностей (рис. 1).

обработка поверхность абразивный инструмент

Анализ рассмотренных методов и схем показал, что на формирование параметров качества и производительность процесса влияет большое число различных факторов (схема обработки и параметры режима резания, характеристики абразивного инструмента и обрабатываемой заготовки, размеры инструмента и обрабатываемой поверхности и др.). В связи с этим проведение теоретических исследований с установлением моделей, адекватно описывающих процесс, является затруднительным, а получение эмпирических зависимостей весьма трудоёмко и ограничено рамками конкретных условий проводимых экспериментов. Поэтому наиболее целесообразно установление взаимосвязи между формируемыми параметрами качества, производительностью процесса и условиями обработки с использованием совокупности комплексных параметров процесса шлифования.

Для этого вначале на основании системного анализа абразивной обработки в целом и шлифования брусками в частности определялись факторы, оказывающие основное влияние на формируемые параметры качества поверхностного слоя деталей и производительность обработки (рис. 2). Далее для рассмотренных схем теоретически были получены комплексные параметры процесса шлифования для расчёта шероховатости (параметр Rz) и толщины снимаемого с заготовки слоя металла (параметр Q), через которую, в свою очередь, можно оценить изменение волнистости на обрабатываемой поверхности (относительно исходной). При этом за основу были взяты положения теории резания и теории строения абразивных материалов, рассмотренные в трудах отечественных учёных: Е.Н. Маслова [1], А.В. Королёва [8], Ю.К. Новосёлова [9], А.Г. Суслова [10] и др.

Так как контактные температуры при обработке брусками невелики по сравнению с температурами при шлифовании кругами [11, 12], то математические зависимости для расчёта формируемых высотных параметров шероховатости были получены предположением о доминирующем влиянии процесса копирования обрабатываемой поверхностью определённого числа вершин абразивных зёрен, расположенных на рабочей поверхности инструмента.

Условие однозначности разных видов и схем шлифования по шероховатости обработанной поверхности (параметр Rz): при прочих равных условиях (одинаковых физико - механических свойствах обрабатываемых материалов, их исходных геометрических параметрах и физико - химических свойствах поверхностного слоя; характеристиках используемых абразивных материалов; состоянии оборудования и воздействии внешней среды) значение Rz будет одинаковым, если за время обработки с рассматриваемым единичным участком поверхности заготовки dS будет взаимодействовать одинаковое число вершин зёрен абразивного инструмента m. При этом комплексным параметром процесса шлифования будет величина mi, которая будет определяться для рассмотренных i-х схем (рис. 1) шлифования абразивными брусками.

Так, для схемы II с продольным поступательным движением заготовки и поперечной осцилляцией инструмента возможны четыре варианта соотношения размерных параметров.

Вариант 1: при условии, что длина рабочей поверхности абразивного бруска (Lp, м) больше величины перемещения стола станка с заготовкой при обработке за время одного периода колебаний бруска (h1, м), т. е. Lp  h1, а ширина рабочей поверхности бруска (Bp, м) больше либо равна размаху колебаний (A, м), т. е. Bp  A, комплексный параметр процесса шлифования по шероховатости имеет вид

,

где - среднее расстояние между вершинами зёрен на рабочей поверхности бруска, м; Sпоп - величина поперечной подачи заготовки на один рабочий ход стола, м / ход; Vпр - среднее значение скорости продольного перемещения стола с заготовкой, м / c; f - частота осцилляций бруска, с-1; npx - число рабочих ходов бруска через единичный элемент поверхности без учёта поперечной подачи.

Аналогичные зависимости получены для 2 - 4-го вариантов данной схемы, а также схем I и III.

Зависимости для расчёта шероховатости поверхности (параметр Rz, мкм) для i-х схем обработки брусками можно представить в виде

Rz i = ,

где k1, k2 - экспериментальные коэффициенты.

Условие однозначности процессов шлифования по толщине снимаемого при обработке слоя металла (параметр Q) для i-х схем обработки: толщина снимаемого при обработке слоя металла будет одинаковой, если  - отношение суммарной площади сечений срезов единичных зёрен абразивного инструмента на единичном участке поверхности заготовки (, м2) к номинальной площади этого участка (, м2) - за время шлифования будет одинаковым. В данном случае комплексным параметром процесса шлифования будет величина , которая будет также определяться для указанных i-х схем шлифования абразивными брусками.

Так, для схемы II (вариант 1) при условии, что Lp  h1, а Bp  A, комплексный параметр процесса шлифования по толщине снимаемого при обработке слоя металла имеет вид

,

где P - усилие прижима бруска к обрабатываемой поверхности заготовки, Н;

d - среднее значение диаметра абразивных зёрен инструмента, м; Sбр - номинальная площадь рабочей поверхности абразивного бруска, м2; - среднестатистическое значение радиуса скругления вершин абразивных зёрен, м; HB - твёрдость обрабатываемого материала по Бринеллю, Н / м2.

Аналогичные зависимости получены и для остальных вариантов и схем обработки.

Зависимости для расчёта толщины снимаемого слоя металла при шлифовании брусками (Qi , мкм) для i-х схем обработки можно представить в виде:

Qi =

где k3, k4 - экспериментальные коэффициенты.

Одним из показателей, характеризующих эффективность процесса шлифования, является удельная производительность обработки, определяемая отношением объёма снятого в единицу времени материала, мм3 / мин, к объёмному износу абразивного инструмента, мм3 / мин. В связи с этим линейный износ абразивных брусков (Ui, мкм) для i-х схем обработки оценивался в соответствии с зависимостью

,

где  - объём металла, снимаемый при обработке с поверхности заготовки, мкм3; k5, k6 - экспериментальные коэффициенты.

Входящие в полученные зависимости коэффициенты k1 - k6 определялись в результате экспериментальных исследований для рассмотренных схем.

Для исследования и практической реализации приведенных схем обработки плоских поверхностей абразивными брусками была спроектирована и изготовлена экспериментальная технологическая установка на базе плоскошлифовального станка мод. 3Г71 [7]. Основной её особенностью является обеспечение осциллирующего движения инструмента, а также других необходимых поступательных движений с возможностью изменения их требуемых скоростных и силовых характеристик. Осциллирующее движение в установке реализуется специально разработанным регулируемым приводом осцилляции инструмента, а остальные движения - исполнительными органами станка и установки. Привод осцилляции инструмента размещён в головке осцилляции, соединённой с приводным электродвигателем. Изменением положения головки осцилляции относительно образца (поворотом вокруг центральной оси электродвигателя на угол, кратный 90) возможна реализация рассмотренных схем обработки. Кроме того, изменяя ряд технологических параметров режима обработки (усилие прижима бруска к образцу, продольную скорость подачи стола и частоту колебаний инструмента), а также характеристики абразивного инструмента, можно как управлять формируемыми параметрами микронеровностей обрабатываемой поверхности в широком диапазоне, так и влиять на производительность процесса обработки.

Результаты экспериментальных исследований процесса шлифования образцов по трём изучаемым схемам и статистической обработки данных представлены на графиках (рис. 3 а, б). Их анализ показывает следующие преимущества схемы II над другими:

1. Формируемая высота шероховатости поверхности Rz при одинаковых условиях обработки для схемы II получается на 10-20 % меньше, чем для схемы III, и на 40 - 60 % меньше, чем для схемы I. Толщина снимаемого слоя металла для схемы II больше на
20 - 30 % по сравнению со схемой III и на 50 - 80 % больше, чем для схемы I (в зависимости от значений скоростей продольного и осциллирующего движений). Это объясняется кинематикой процессов (при схеме I длина контакта бруска с единичным участком поверхности заготовки наименьшая, а при схеме II - наибольшая).

2. При схеме II наиболее эффективно удаляются из зоны обработки продукты износа инструмента и стружка, что снижает вероятность засаливания абразивного бруска.

3. Разброс мгновенных значений параметров шероховатости и толщины снимаемого слоя металла имеет наименьшие значения при данной схеме обработки, что говорит о большей стабильности исследуемого процесса.

Таким образом, схема II принята как наиболее эффективная и использована для дальнейших исследований.

В связи с возможностью эффективного удаления брусками продольной волнистости теоретически определялась толщина снимаемого с плоской поверхности слоя металла (при наличии на ней периодической волнистости) в зависимости от условий обработки, формы волнистости и её исходной высоты. Так, для схемы II (вариант 1) выражение для расчёта толщины снимаемого слоя металла с обрабатываемой поверхности при наличии на ней периодической волнистости (, мкм) было получено в виде:

, ( 1 )

где - коэффициент, определяемый экспериментально; - наибольшая исходная высота волнистости на обрабатываемой поверхности, мкм; x - параметр интерполяции относительных опорных длин профиля волнистой поверхности (зависит от формы волнистости на обрабатываемой поверхности); - число рабочих ходов определённого участка бруска через единичный участок dS на поверхности заготовки при наличии на ней периодической волнистости за время обработки.

Данное выражение справедливо при условии 0. При выполнении условия > выражение ( 1 ) принимает следующий вид:

.

Значение параметра интерполяции относительных опорных длин профиля волнистой поверхности х определено теоретически с учётом формы периодической волнистости на плоской поверхности. Так, для принятой формы волнистости (рис. 4) теоретически было определено значение данного параметра x = 1,7.

Для проведения экспериментальных исследований аналогичная форма волнистости была смоделирована на плоских поверхностях образцов.

Полученные в результате экспериментальных исследований данные были обработаны и сравнены с теоретическими результатами расчёта (рис. 5). Отличия полученных экспериментальных данных от теоретических составляют не более 15 - 20 %.

В связи с тем, что отечественная промышленность не выпускает оборудование для шлифования брусками плоских поверхностей, для реализации такого процесса требуется либо выпуск новых станков, либо модернизация имеющихся. Предварительная оценка показывает, что с экономической точки зрения эффективнее выполнить модернизацию. В качестве прототипа был взят продольно-фрезерный станок модели 6606, который имеет приводы всех движений, необходимых для реализации данной схемы формообразования, кроме привода осцилляций инструмента. Такой привод необходимо спроектировать, при этом его механизм может быть размещён в отдельном корпусе и смонтирован на траверсе станка вместо вертикальной шпиндельной бабки.

При разработке привода осцилляций каретки с инструментом (бруском) был проанализирован ряд существующих схем подобных приводов как для инструмента, так и для заготовок. Анализ проводился по следующим критериям: 1) сложность конструкции с точки зрения изготовления, монтажа и эксплуатации; 2) возможность плавного регулирования амплитуды в заданном диапазоне; 3) равномерность работы при выполнении осциллирующих движений; 4) надёжность при эксплуатации.

По результатам анализа была определена наиболее рациональная схема, которая и легла в основу конструкции электромеханического привода осцилляций. В данной схеме используются регулируемый асинхронный электродвигатель, позволяющий варьировать частоту осцилляций выходного звена кинематической группы (каретки с инструментом) в широком диапазоне, а также кулачковый механизм, обеспечивающий изменение устанавливаемой амплитуды колебаний. Применяемые сменные кулачки позволяют получить требуемый безударный закон движения выходного звена, обеспечивая равномерность работы привода. Выбранная схема в совокупности с предложенным техническим решением - использованием гидравлического следящего привода прижима инструмента к обрабатываемой поверхности - позволяют реализовать главное движение формообразования при обработке абразивными брусками. Однако предложенная конструкция электромеханического привода имеет ограничения по возможностям - позволяет регулировать частоту осцилляций до 50 Гц и изменять амплитуду до 10 мм, а наличие пары трения кулачок-каретка вносит дополнительные ограничения, влияющие на силовые и скоростные характеристики привода при различных условиях эксплуатации.

Отмеченные недостатки, очевидно, могут быть устранены при использовании электродинамического привода осцилляций, работы над которым ведутся в настоящий момент.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Маслов, Е.Н. Теория шлифования материалов / Е.Н. Маслов. - М.: Машиностроение, 1974. - 320 с.

2. Якимов, А.В. Оптимизация процесса шлифования / А.В. Якимов. - М.: Машиностроение, 1975. - 175 с.

3. Филимонов, Л.Н. Плоское шлифование / Л.Н. Филимонов. - Л.: Машиностроение, 1985. - 109 с.

4. Капанец, Э.Ф. Точность обработки при шлифовании / Э.Ф. Капанец, К.К. Кузьмич; под ред. П.И. Ящерицына. - Минск: Наука и техника, 1987. - 152 с.

5. Якимов, А.В. Управление процессом шлифования / А.В. Якимов, А.Н. Паршаков, В.И. Свирщев. - Киев: Техника, 1983. - 184 с.

1. 6.Проников, А.С. Проектирование металлорежущих станков и станочных систем. В 3 т. Т.2. Ч.I. Расчёт и конструирование узлов и элементов станков: справочник-учебник / А.С. Проников, Е.И. Борисов, В.В. Бушуев; под общ. ред. А.С. Проникова. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана: Машиностроение, 1995. - 371 с.

6. Захаров, Л.А. Повышение эффективности шлифования абразивными брусками плоских поверхностей: дис... канд. техн. наук / Л.А. Захаров. - Брянск, 2004. - 146 с.

7. Редько, С.Г. Вероятностный расчёт шероховатости шлифованной поверхности / С.Г. Редько, А.В. Королёв // Вероятностно-статистические основы шлифования и доводки. - Л.: Изд-во СЗЗПИ, 1974. - С. 73-79.

8. Королёв, А.В. Теоретико-вероятностные основы абразивной обработки. Ч. I / А.В. Королёв, Ю.К. Новосёлов. - Изд-во Сарат. ун-та, 1987. - 160 с.

9. Суслов, А.Г. Качество поверхностного слоя деталей машин / А.Г. Суслов. - М.: Машиностроение, 2000. - 320 с.

10. Наерман, М.С. Прецизионная обработка деталей алмазными и абразивными брусками / М.С. Наерман, С.А. Попов. - М.: Машиностроение, 1971. - 224 с.

11. Бишутин, С.Г. Технологическое обеспечение требуемых значений совокупности параметров качества поверхностного слоя деталей при шлифовании с наибольшей производительностью: дис… д-ра техн. наук / C.Г. Бишутин. - Брянск, 2005. - 327 с.

Размещено на Allbest.ru