автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Повышение эффективности правки кругов и шлифования заготовок путем рационального применения смазочно-охлаждающих жидкостей

гч.

^ сг О —

£

■э ^ На правах рукописи

- «V

КИСЕЛЕВ ЕВГЕНИЙ СТЕПАНОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРАВКИ КРУГОВ И ШЛИФОВАНИЯ ЗАГОТОВОК ПУТЕМ РАЦИОНАЛЬНОГО ПРИМЕНЕНИЯ СМАЗОЧНО-ОХЛАЖДАЮЩИХ ЖИДКОСТЕЙ

Специальности: 05.02.08 - Технология машиностроения

05.03.01 - Процессы механической и физико-технической обработки, станки и инструмент

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Самара, 1997

На правах рукописи

КИСЕЛЕВ ЕВГЕНИЙ СТЕПАНОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРАВКИ КРУГОВ И ШЛИФОВАНИЯ ЗАГОТОВОК ПУТЕМ РАЦИОНАЛЬНОГО ПРИМЕНЕНИЯ СМАЗОЧНО-ОХЛАЖДАЮЩИХ ЖИДКОСТЕЙ

Специальности: 05.02.08 - Технология машиностроения

05.03.01 - Процессы механической и физико-технической обработки, станки и инструмент

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Самара, 1997

Работа выполнена на кафедре "Технология машиностроения" Ульяновского государственного технического университета (УлГТУ).

Научный консультант: Заслуженный деятель науки и техники РФ доктор технических наук, профессор Л.В.ХУДОБИН

Официальные оппоненты:

Заслуженный деятель науки и техники РФ доктор технических наук, профессор

С.Н.КОРЧАК Доктор технических наук, профессор

ю.в.полянсков

Доктор технических наук, профессор Л.Н.ФИЛИН

Ведущее предприятие: Национальный институт авиационных технологий "НИАТ" (г. Москва)

Защита состоится " £ " рТСЛ^к/ 1997 г. в ? & часов на заседании диссертационного совета Д.063.16.02 в Самарском Государственном техническом университете им.В.В.Куйбышева по адресу: 443010, г.Самара-10, ул.Галактионовская, 141.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Самарского Государственного технического университета.

Автореферат разослан £ " 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук, профессор (уу •'/ Я.М.КЛЕБАНОВ

т

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Промышленный подъем России может базироваться только на тесной интеграции науки и производства во всех отраслях промышленности. При этом особое внимание должно быть уделено наукоемким технологиям, определяющим технический прогресс в XXI веке. Важная роль отводится новым высоким и безотходным технологиям и экологии производства. В этих условиях возрастает значение абразивной обработки и особенно наиболее распространенного ее вида - шлифования, как основного высокопроизводительного способа получения окончательно обработанных деталей.

Известно, что состояние рабочей поверхности шлифовального круга, сформированное при правке, оказывает доминирующее влияние на процесс обработки. От качества правки зависят теплообразование в зоне шлифования, период стойкости круга, производительность обработки, параметры качества шлифованных деталей. При этом важно не только обеспечить высокую режущую способность круга в процессе правки, но и сохранить ее в процессе шлифования заготовок. Правка кругов и шлифование заготовок сопровождаются большим теплообразованием и высокими контактными температурами. В силу известных причин основным аккумулятором тепла при правке является правящий инструмент, а при шлифовании - обрабатываемая заготовка. В связи с этим, одним из важнейших факторов, обеспечивающих производительность шлифования и заданные характеристики качества шлифованных деталей, является рациональное применение смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ), которые коренным образом изменяют характер протекания контактных взаимодействий, оказывают позитивное влияние на работоспособность шлифовальных кругов и правящих инструментов, формирование качества поверхностных слоев шлифованных деталей. К настоящему времени разработаны некоторые аспекты научных основ применения СОЖ на операциях шлифования: созданы математические модели износа абразивных зерен, сил резания, высотных и шаговых параметров шероховатости шлифованных поверхностей и др. Несмотря на значительные успехи, разработка научных основ применения СОЖ при шлифовании далека от завершения: отсутствуют данные о механизме действия СОЖ при правке круга, о взаимовлиянии процессов правки и шлифования с применением СОЖ, тепловом и силовом взаимодействии контактирующих объектов при правке и шлифовании заготовок с непрерывной правкой и применением СОЖ; недостаточно исследованы возможности использования ультразвуковых колебаний (УЗК) в технологии применения СОЖ. До сих пор нет надежных методов количественной оценки тепловой напряженности процессов правки и шлифования с применением СОЖ, а следовательно, нет возможности без проведения экспери-

ментальных исследований достаточно полно и объективно оценить и реализовать потенциальные возможности СОЖ. Все это, в свою очередь, затрудняет внедрение в действующее производство новых технологических методов, приемов и средств повышения эффективности шлифовальных операций, выполняемых с применением СОЖ. Народнохозяйственное значение и актуальность проблемы повышения эффективности процессов механической обработки путем рационального применения СОЖ подтверждает ряд постановлений ГКН'Г СССР, в соответствии с которыми были! выполнены комплексные научные исследования, позволившие создать отечественный ассортимент высокоэффективных СОЖ, технологии их приготовления и техники применения (научно-технические проблемы ГКНТ СССР 0.03.075,0.03.92,0.16.10 в 1971-90 гг.).

Автор защищает: 1.Комплекс математических и физико-математических моделей процессов правки и шлифования, состоящий из моделей теплового взаимодействия алмазного правящего инструмента и шлифовального круга при правке с применением СОЖ, теплового взаимодействия правящего инструмента, шлифовального круга и заготовки при шлифовании с непрерывной правкой, математической модели движения СОЖ в контактные зоны сквозь поровое пространство круга, моделей сил правки круга единичным алмазом и алмазным роликом, а также модели поглощения УЗ-волн при движении СОЖ сквозь поровое пространство крута.

2. Методику, алгоритмы и пакеты программ численного расчета теплового состояния системы контактирующих объектов при правке круга и шлифовании заготовок.

3. Результаты численных решений уравнений теплообмена и экспериментальных исследований теплового состояния системы контак тирующих объектов при правке круга и шлифовании заготовок с примене нием СОЖ, в том числе при шлифовании с непрерывной правкой круга.

4. Результаты теоретических и экспериментальных исслсдоваш» влияния УЗК на процессы транспортирования СОЖ к контактным зонаи правки и шлифования.

5. Методики и результаты опытно-промышленных испытаний i внедрения СОЖ, техники их подачи при правке и шлифовании, устройст! для непрерывной правки в процессе шлифования, новых технологически процессов шлифования заготовок из труднообрабатываемых материалов.

Цель работы: Повышение производительности шлифовальных one раций и сокращение расхода правящих инструментов и шлифовальны кругов.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе ренк ны следующие задачи:

1. Разработаны математические модели теплопроводности алмаза, связки и корпуса правящего инструмента, сухого и пропитанного СОЖ шлифовального круга, обрабатываемой заготовки.

2. Теоретически и экспериментально исследованы тепловые процессы при взаимодействии круга с правящим инструментом и заготовкой при правке и шлифовании с применением СОЖ, получены математические модели для расчета контактных температур в зонах правки и шлифования.

3. Теоретически и экспериментально исследованы особенности силового взаимодействия контактирующих объектов в процессах правки и шлифования с непрерывной правкой и применением СОЖ.

4. Теоретически и экспериментально исследовано влияние УЗК на процессы транспортирования СОЖ к контактным зонам при правке и шлифовании.

5. Разработаны технологические методы и средства повышения режущей способности шлифовальных кругов при правке и шлифовании с применением СОЖ.

6. Разработаны и внедрены в производство ресурсосберегающие технологии бездефектного шлифования заготовок на основе рационального применения СОЖ.

Научная новизна. Впервые в практике шлифования аналитическим путем установлены закономерности изменения контактных температур в зонах правки и шлифования в зависимости от теплофизических свойств контактирующих объектов (заготовок, шлифовальных кругов, правящих инструментов, СОЖ) и режимов правки кругов и шлифования заготовок. В отличие от известных работ по теплофизике шлифования и правки в новых моделях впервые учтена зависимость теплофизических свойств взаимодействующих объектов (включая СОЖ и воздушные потоки, генерируемые вращающимся кругом) от температуры.

Впервые получено уравнение движения жидкости в пористом вращающемся шлифовальном круге с учетом вязкостного и инерционного коэффициентов гидравлического сопротивления.

Разработана оригинальная методика численного расчета теплового состояния системы вращающегося шлифовального круга и поступательно движущегося в процессе правки точением правящего инструмента.

Получена математическая модель сил резания единичным алмазом, учитывающая трение контактирующих при правке круга объектов и свойства окружающей среды.

Аналитически и экспериментально доказано влияние различных параметров УЗК (амплитуда и частота, форма и направленность выходного сигнала, наличие фокусирующей системы) на технологическую эффективность УЗ-техники подачи СОЖ при правке круга и шлифовании заготовок.

Практическая ценность и реализация работы. Разработаны алгоритмы и пакеты программ для расчета температурных полей контактирующих объектов при правке и шлифовании с непрерывной правкой, для расчета коэффициентов вязкостного и инерционного гидравлического сопротивления фильтрации СОЖ при движении ее сквозь поровое пространство вращающегося шлифовального круга к зонам правки и шлифования. Найдены характеристики проницаемости кругов на керамической связке, различных по зернистости, твердости и структуре, при наличии и отсутствии УЗК давления фильтрующейся сквозь поры круга СОЖ.

Для использования в промышленности предлагаются: УЗ-техника подачи СОЖ, защищенная 7 авторскими свидетельствами (а.с.) и патентами на изобретения, серийное производство которой подготовлено УлГТУ совместно с АО "Техника, технология, конструирование" (г.Ульяновск); новые конструкции устройств для правки шлифовальных кругов, защищенные пятью а.с. и патентами на изобретения; технологические процессь шлифования, построенные на основе рационального выбора состава СОЖ и УЗ-техники их подачи, и нормативно-техническая документация отрас левого и межотраслевого характера.

Результаты разработок диссертации используются на различны: предприятиях с суммарным фактическим годовым эффектом (в ценах 199: года) свыше 1 млн. руб. УЗ-техника подачи СОЖ внедрена на 56 станках новые устройства для правки круга - на двух станках, новые технологиче ские процессы шлифования - на 10 предприятиях. Нормативно-техническа документация (6 наименований), разработанная на основе результате НИР, используется на предприятиях авиационной и других отраслей прс мышленности стран СНГ.

Апробация работы. Основные результаты доложены и представлен] на Всесоюзном научно-техническом семинаре (НТС) "Разработка и прим« нение смазочно-охлаждающих жидкостей", Киев, 1973; Первой Всесою: ной научно-технической конференции (НТК) "Совершенствование проце* сов финишной обработки в машиностроении", Минск, 1975; Всесоюзно НТК "Смазочно-охлаждающие технологические средства для обработк металлов резанием", Одесса, 1980; ежегодных координационных совещ; ниях ответственных исполнителей программ ГКНТ СССР по созданию № вых СОЖ, Киев, Волжский, Горький, Москва, Львов, Ульяновск, Новг род, Иваново, ¡976-90; Всесоюзном НТС "Повышение качества и долг вечности деталей машин при алмазно-абразивной обработке", Волжски 1981; Всесоюзной НТК "Технология и триботехнические характеристш деталей машин", Москва, 1983; Второй Всесоюзной НТК "Технолог ческое управление триботехническими характеристиками узлов машин Кишинев, 1985; Всесоюзной НТК "Интенсификация технологических пр цессов механической обработки", Ленинград, 1986; Всесоюзной Н1

"Прогрессивные процессы шлифования, инструмент и его рациональная эксплуатация", Ереван, 1986; Всесоюзном НТС "Опыт применения новых смазочно-охлаждающих сред при обработке металлов резанием", Горький, 1987; Всесоюзной НТК '"Современные проблемы триботехнологии", Николаев, 1988; Третьем Всесоюзном НТС "Оптимшлифабразив", Новгород, 1988; Всесоюзном НТС "Чистовая обработка материалов резанием", Москва, 1990; Международной НТК "Смазочно-охлаждающие технологические средства для обработки материалов", Херсон, 1992; Международной НТК "Смазочно-охлаждающие технологические средства при механической обработке заготовок из различных материалов", Ульяновск, 1993; Международной НТК "Ресурсосберегающие технологии машиностроения", Москва, 1993, 1994, 1995; Международной НТК "Актуальные проблемы математического моделирования и автоматизированного проектирования в машиностроении", Казань, 1995; Третьем Минском международном форуме "Тепломассообмен ММФ-96", Минск, 1996; Девятой Республиканской НТК "Теплофизика технологических процессов", Рыбинск, 1996; научно-техническом Совете НИАТ, Москва, 1983, 1985, 1997; научно-техническом совете машиностроительного факультета УлГТУ, 1988, 1994, 1997; НТС кафедр "Технология машиностроения" и "Металлорежущие станки и инструменты" Самарского ГТУ (1997) и др.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 110 работ, в том числе 8 книжных и 22 а. с. и патента на изобретения.

Структура и объем работы. Диссертация содержит 500 с. (в том числе 171 с. машинописного текста), 94 рисунка, 50 таблиц. Работа состоит из введения, 6 глав, заключения, списка литературы (283 наименования), 5 приложений.

ПУТИ РЕАЛИЗАЦИИ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ СВОЙСТВ СМАЗОЧНО-ОХЛАЖДАЮЩИХ ЖИДКОСТЕЙ ПРИ ПРАВКЕ ШЛИФОВАЛЬНЫХ КРУГОВ

Системный анализ научно-технической информации по вопросам повышения эффективности шлифовальных операций путем рационального применения СОЖ (глава 1) показал, что, в отличие от процесса шлифования, изучение процесса правки находится в начальной стадии. Очевидно, это объясняется следующими причинами: .

- традиционно объектами исследований становятся в первую очередь процессы и их этапы, обеспечивающие выходные параметры готовых деталей;

- исследование процесса контактного взаимодействия в присутствии СОЖ шлифовального круга с заготовкой, изготовленной из сплошного материала с известными теплофизическими и механическими характери-

стиками, существенно проще исследования контактного взаимодействия круга с правящим инструментом, состоящим из алмазов, связки и корпуса, теплофизические и механические характеристики которого трудно определить.

Между тем хорошо известно, что именно от правки в решающей степени зависит как режущая способность шлифовального круга, так и качество шлифованных деталей. Как следует из исследований Л.Н.Филимонова, время на правку в зависимости от условий шлифования и материала заготовки составляет от 50 до 80 % машинного времени, а затраты на правку достигают 70 % от себестоимости операций. При этом прослеживается взаимосвязь затрат на правку с шлифуемостью материала заготовки: чем труднее обрабатывается материал заготовки, тем большую долю составляют затраты на правку в себестоимости операции. Исследованиям процесса правки кругов посвящены работы ряда отечественных и зарубежных ученых - Авакяна В.В., Байкалова А.К., Дубовика Н.П., Коломийца В.В., Королева A.B., Малышева В.И., Попова A.C., Резникова А.Н., Романова В.Ф., Тхагапсоева Х.Г., Екогавы И., Мюррея Т., Малки-на С., Палитцша Г, и др., однако кроме работ Л.В.Худобина и С.В.Семенова, практически ни в одной из них не принималось во внимание влияние СОЖ.

Известно, что топография рабочей поверхности круга зависит, в основном, ог относительной хрупкости абразива и связки, а также условий контактного взаимодействия круга и правящего инструмента. Но механизм формирования рельефа рабочей поверхности круга имеет более сложный характер, чем простое взаимодействие хрупких объектов. Так Т.Мюррей и С.Малкин электронно-микроскопическими исследованиями установили, что в процессе правки возможны как хрупкие разрушения, так и пластическая деформация абразивных зерен, а на малых глубинах - даже стружкообразование. Ф.Боуден и Д.Тейбор показали, что если при давлении жидкости, подаваемой в зону контактного взаимодействия при правке, до 0,1 МПа корунд проявляет способность к пластической деформации при температуре около 1250 К, то при давлении жидкости порядка 0,25 МПа он "течет'1 уже при комнатной температуре. Пластические деформации, пс мнению Ф.Боудена, возникают при трении даже в алмазе. При изученш причин выявленных эффектов Ф.Боуден и Д.Тейбор принимали, что теп лофизические характеристики контактирующих объектов не зависят от температуры. Эту же посылку принимало большинство других исследова телей. Между тем известно, что теплопроводность алмаза, как и боль шинства твердых тел, жидкостей и газов, резко снижается, а теплоемкосп увеличивается с повышением температуры до (1073-1273) К. Вследстви этого, фактически, теплота, образующаяся в контактной зоне, отводите, через алмаз s связку и корпус правящего инструмента с меньшей ско

ростыо, чем это было бы в случае постоянства теплофизических характеристик контактирующих объектов, что и может быть причиной уменьшения его твердости и пластической деформации. Отмеченный Ф.Боуденом и Д.Тейбором эффект пластической деформации под действием гидростатического давления и теплового фактора, на наш взгляд, имеет особое значение при рассмотрении механизма реализации функциональных свойств СОЖ при правке шлифовальных кругов алмазными инструментами.

Обобщение имеющейся научно-технической информации указывает на следующие возможные каналы влияния СОЖ на процесс правки: 1) уменьшение контактной температуры, а следовательно, уменьшение роста коэффициента линейного расширения алмаза, относительная стабилизация теплопроводности и твердости алмаза, что в свою очередь уменьшает вероятность возникновения растягивающих напряжений в алмазе, его графитизации и абразивного износа; 2) изменение коэффициента трения контактирующих абразивных зерен круга и правящего инструмента; 3) изменение критической глубины правки, определяющей характер процесса обновления рабочей поверхности шлифовального круга.

Так как тешгофизические характеристики контактирующих объектов при правке круга и шлифовании заготовок изменяются с изменением температуры, уравнения теплопроводности и теплового баланса процессов правки и шлифования, отражающие реальные условия формирования рельефа рабочей поверхности круга, имеют сложный и нелинейный характер.

Теплофизический анализ процесса правки и результаты собственных исследований показывают, что при правке круга алмазными правящими инструментами допустимо использовать несколько упрощенное уравнение теплового баланса

Q[+Q2 + n4 = l, (1)

где Q, ,ü2,Q4 - соответственно доля тепла, поступающего в правящий инструмент, шлифовальный круг и в окружающую среду (СОЖ, воздух).

Высокая точность профиля современных правящих роликов и малое отличие высотных и шаговых параметров шероховатости рабочих поверхностей правящих инструментов и обрабатываемых заготовок практически нивелируют разницу в механике контактного взаимодействия при правке и шлифовании. При этом элементы режима круглого наружного шлифования близки к элементам режима правки круга алмазным роликом, а при плоском шлифовании - к правке алмазным карандашом. Поэтому наличие СОЖ в зоне контакта не требует дополнительных доказательств.

Анализ публикаций научных школ Л.В.Худобина, Д.Г.Евсеева, A.B. Королева, С.Н.Корчака, А.Н.Резникова, а также работ А.К.Байкалова, Х.Г.Тхагапсоева и др. привел к следующим выводам:

1) накоплен обширный теоретико-экспериментальный материал по различным аспектам технологии и техники шлифования и правки; теоретически и экспериментально исследовано поведение СОЖ в зоне контакта круга с шлифуемой заготовкой, разработан комплекс математических моделей шлифования с применением СОЖ. Известны физические и математические модели контактного "сухого" взаимодействия круга с правящим инструментом, теоретически исследованы соответствующие тепловые процессы. Предложены модели тепловых процессов при шлифовании всухую и | с учетом действия СОЖ; 2) процессы правки и шлифования с применением 1 СОЖ рассматривали до сих пор, как правило, раздельно, без учета влияния СОЖ, подаваемой в зону правки, на формирование рабочей поверхности круга. Между тем, как показывают выполненные нами исследования, а также исследования сотрудников СарГТУ, такая взаимосвязь существует; 3) не изучено тепловое и силовое взаимодействие контактирующих объектов при правке круга и шлифовании заготовок с непрерывной правкой и с применением СОЖ; 4) недостаточно исследованы возможности использования УЗК в технологии применения СОЖ на операциях шлифования и правки, особенно при подаче ее по внутренним трактам.

ТЕПЛОВОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ КОНТАКТИРУЮЩИХ ОБЪЕКТОВ ПРИ ПРАВКЕ КРУГА И ШЛИФОВАНИИ ЗАГОТОВОК

Исследования выполнены в несколько этапов (глава 2): 1) изучено тепловое взаимодействие круга и правящего инструмента при правке точением; 2) выявлены особенности теплового взаимодействия круга и правящего инструмента при правке шлифованием, определены граничные условия и коэффициенты теплоотдачи; 3) исследованы тепловые взаимодействия круга, правящего инструмента и заготовки при шлифовании с непрерывной правкой; 4) выявлены возможности и пути использования особенностей транспортирования СОЖ сквозь поровое пространство вращающегося круга в целях повышения эффективности операций шлифования.

Контактная температура является одним из наиболее важных показателей, по которым можно судить о работоспособности алмаза в процессе правки. Известно, что с увеличением контактной температуры до (700-850' К его механическая прочность и теплопроводность существенно умень шаются. Это является основной причиной износа алмазных зерен и срав нительно малой стойкости правящих инструментов. В процессе шлифова ния контактная температура часто в решающей мере определяет качеств! поверхностного слоя материала заготовки, период стойкости круга и про изводительность обработки.

С целью оптимизации режимов правки круга и шлифования заготовок исследовано тепловое состояние контактирующих объектов. Разработаны физико-математические модели процессов теплообмена в алмазе, связке и корпусе правящего инструмента, а также в шлифовальном круге как в сплошной среде, гак и в капиллярно-пористом теле с фильтрующей 1 жидкостью и в шлифуемой заготовке. В отличие от имеющихся моделей, ориентированных, как правило, на аналитические методы решения и позволяющих производить лишь качественный анализ, предлагаемый подход базируется на создании детальных моделей, адекватно отражающих протекание теплофизических процессов, и ориентирован на численные методы решения, что позволяет проводить количественный анализ.

Для каждого из элементов контактирующих объектов дифференциальное уравнение теплопроводности представлено в следующем виде: для кристалла алмаза

для связки алмазного правящего инструмента

ог'1 с 6г7 г' а-' дуУ ду)

для корпуса правящего инструмента

д (. сйЛ д1 д ( о^ л ...

где у, г' - координаты точек правящего инструмента (рис.1); I -текущая температура, К; Ха,Хс,кк0- соответственно теплопроводность

алмаза, связки и корпуса правящего инструмента, Вт/(м-К); - объемная плотность теплового потока внутренних источников тепла, Вт/м3.

Из бесчисленного количества явлений, описываемых уравнениями (1)-(3), были выделены граничными условиями условия теплообмена шлифовального круга и правящего инструмента с окружающей средой.

Дифференциальное уравнение теплопроводности круга имеет вид: для круга без пор -

А(х + + с со — = 0- (5)

дг \ 2 дт) г от г2 5ф V 2 д(р) к к д(р

М 5:1

Рис. 1. Схема правки круга однокристальным правящим инструментом: 1 — шлифо — У валышй круг; 2 — сопло; 3 — поток СОЖ; 4 - связка; 5 — кристалл алмаза; 6 — корпус

для круга, пропитанного СОЖ, -

А

дг

К

д1 дг.

а.ке а 1 э .

+--+ ~Т ~ К£

г дг х Щ

-ш[ркСк(1-П) + ржСжП]^ = 0,

5ф.

' Рж^-я

дт г Эф

(6)

где 12 > Р к' - соответственно теплопроводность, Вт/(м-К), плотность, кг/м3, удельная теплоемкость, Дж/(кг-К) крута; X к£ - эффективная теплопроводность пористого круга: 1ке = Х.2(1-П)+Х,ЖП- теплопроводность зоны круга с порами, пропитанными жидкостью, Я.ке = Х~,{\ ~ I I) + ?.ВГ1 - то же с порами, заполненными воздухом; '1 г, 3<р - скорость фильтрации СОЖ

через поры круга в радиальном и касательном направлениях, м/с; П - пористость круга; ф, г - координаты точек шлифовального круга (см.рис.1); ю - угловая скорость вращения круга, м-1 : км, Хъ - соответственно теплопроводность СОЖ и воздуха, Вт/(м-К).

Учитывая, что скорость фильтрации СОЖ в касательном направлении через поровое пространство близка к нулю, уравнение (6) упрощается. Для определения массового расхода СОЖ в радиальном направле

нин при подаче ее по внутренним трактам в ж получена следующая зависимость

где р - давление СОЖ, Па; Ц,РЖ - соответственно динамическая вязкость, Па ■ с и плотность СОЖ, кг/м3; Н* - высота круга, м; ави ри - соответственно вязкостный, м-3, и инерционный, м1, коэффициенты гидравлического сопротивления СОЖ при фильтрации ее сквозь поровое пространство вращающегося круга.

Получены характеристики проницаемости (коэффициенты ав и (3„ ) кругов на керамической связке зернистость го 16-40 структуры 6-8 твердостью МЗ-С2 при наличии и отсутствии УЗК давления фильтрующей среды и определены условия, при которых наложение УЗК интенсифицирует фильтрацию СОЖ через круг.

Для оценки теплового состояния алмазного ролика и заготовки при шлифовании с непрерывной правкой круга (рассмотрено в качестве примера круглое наружное шлифование) использовано уравнение теплопроводности шлифовального круга без пор (5). При этом температурное поле считали стационарным, двумерным.

При моделировании температурного поля в наружном слое алмазного ролика принимали однотемпературную модель, когда для каждой узловой точки температура в алмазном зерне и в связке считается одинаковой. Для алмазного зерна ролика, находящегося в контакте с зерном круга, определили температурное поле. При этом для расчета теплового потока в радиальном направлении использовали коэффициенты теплопроводности алмаза, как функцию температуры. Для расчета теплового потока в окружном направлении принимали наружный слой алмазного ролика сплошным со следующими теплофизическими свойствами: коэффициент теплопроводности

(7)

(8)

произведение плотности на удельную теплоемкость

гДе в =с!а/г, (рис.2).

г

I

з

7

■'■т~У\ Рис. 2. Схема правки круга ал-

мазным правящим роликом: 1 — алмазный ролик; 2 — сопло; 3 —

шлифовальный круг; 4 — стол станка; 5 — заготовка; 6 — поток СОЖ; 7 — связка ролика; 8 —

алмазное зерно

Температурное поле для остальной части алмазного ролика (корпуса) моделировали обычным путем, решая уравнение теплопроводности для сплошной среды. Обрабатываемую заготовку принимали однородной, выполненной га сплошного материала (сплошная среда) с известными тепло-физическими свойствами (плотностью, теплоемкостью, теплопроводностью) и их зависимостями от температуры.

При определении граничных условий теплообмена на поверхностях алмазного ролика и заготовки из-за их относительно малых размеров и существенно меньших окружных скоростей не учитывали влияние вращающихся ролика и заготовки на интенсивность воздушных потоков, что подтверждено соответствующими расчетами коэффициентов теплоотдачи.

ЧИСЛЕННЫЕ РЕШЕНИЯ УРАВНЕНИЙ ТЕПЛООБМЕНА И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ СИСТЕМЫ КОНТАКТИРУЮЩИХ ОБЪЕКТОВ ПРИ ПРАВКЕ КРУГА И ШЛИФОВАНИИ ЗАГОТОВОК

Невозможность точного априорного задания граничных условий тепло-массообмена в контактной зоне при оценке теплового состояния системы контактирующих объектов в процессах правки и шлифования с применением СОЖ приводит к необходимости совместного решения уравнений теплопроводности, записанных для каждого объекта в отдельности. Это обстоятельство, как и необходимость учета в расчетах зависимости теплофизических свойств контактирующих объектов от температуры,

ограничивает возможность использования аналитических методов решения уравнений теплопроводности. Поэтому, учитывая нежелательность использования упрощенной трактовки математических моделей, была разработана методика, алгоритм и пакет программ численного расчета уравнений теплообмена системы контактирующих объектов. Адекватность полученных физико-математических моделей, правильность выбранных граничных условий и методов численного решения уравнений теплопроводности на ПЭВМ проверяли путем сопоставления результатов численных решений и прямых экспериментальных исследований, выполненных с замером контактных температур, при правке кругов точением и шлифованием и шлифовании заготовок с непрерывной правкой круга (глава 3). В ходе численного решения уравнений теплообмена на ПЭВМ, в соответствии с разработанной разностной схемой определяли значения температур не только в зоне контакта, но и в различных узловых, граничных и внутренних точках контактирующих объектов по координатам У, я, у (рис. 3).

/Ю

Л 5

мшш

О

'Ш Ш

,зе СО К!

Рис. 3. Расчетные схемы взаимодействия шлифовального круга и алмазного правящего инструмента: 1 — круг; 2 — алмаз; 3 — связка; 4 — корпус правящего инструмента; а, б, в — схемы для расчета температур, соответственно, по коор — динатам У, Г;, у

Результаты эксперимента, как всегда в таких случаях, характеризуются существенным разбросом, обусловленным, главным образом, относительно невысокой точностью и инерционностью измерения температур. В связи с этим было проведено их особо тщательное статисти-

ческое обоснование с целыо подтверждения справедливости полученных выводов. Статистический анализ результатов заключается в проверке их значимости и адекватности и выполнен для уровня значимости 0,05. Последняя подтверждена с помощью г- критерия Стьюден-та, а адекватность - с помощью И - критерия Фишера по общепринятым методикам. Термомеханические напряжения, возникающие при правке в кристалле алмаза, определяются как температурой, так и силой резания. При этом изменение касательной составляющей силы правки Рг приводит к прямопропор-циональным изменениям количества тепла, выделяемого в зоне правки, а следовательно, и контактной температуры (рис. 4). Как численные решения, так и экспериментальные исследования указывают на нецелесообразность выполнения правки всухую. Подача СОЖ поливом к зоне правки с расходом > 0,37 кг/с обеспечивает уменьшение контактной температуры до безопасных пределов. Еще большими резервами, несмотря на меньший в 2,2 раза расход СОЖ, обладает подача жидкости через клиновые полуоткрытые насадки с торцев крута с наложением УЗК (рис. 5,6). Наименьшие значения контактных температур зафиксированы при использовании 3 %-ных эмульсий Укринол-1 и НГЛ-205 (рис. 5, а). С увеличением процентного содержания эмульсола в эмульсии, а следовательно, с уменьшением ее теплопроводности теплоемкости Сж и плотности рж, температура в контакте круга с алмазом увеличивается. Наибольшие значения температур отмечены при правке всухую и с применением масляной СОЖ ОСМ-3, что объясняется не только ее меньшими л-*, Сж, р*, но и худшими условиями теплоотвода (коэффициенты теплоотдачи воздуха и масляных жидкостей меньше коэффициентов теплоотдачи водных СОЖ). Несмотря на более высокие смазочные свойства эмульсий большой концентрации и масляной СОЖ, в отличие от шлифования, при правке кругов лучшие результаты получены с применением

о я

е

м пз 6« а о Ж

К

700,

600

500 400

) < 1 < >

2 1 1 / ( >

[Г ]

0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 2,4

Массовый расход СОЖ С,, гг/е

I-1 I-1_I I_I

1 2 3 4 5 6 7 Насателшя составляющая силы правки Рш, Н

Рис. 4. Экспериментальные и расчетные значения контактной температуры Тк в зоне правки круга точением при изменении расхода подаваемой напорной струей СОЖ (Р = 0,25 МПа) (1, о) и силы правки (2, □): круг ПП 250x76x20 24А16НС18К26, рабочая скорость круга Ук = 50 м/с; алмазный карандаш СЗ; снимаемый припуск Zпк = 0,1 мм; скорость стола У5 = 0,25 м/мин; СОЖ — Укринол- 1 (3 %)

Т.

900 К 800

700

600

500

|Р

Щ

щ

£

щ

Т,

0ТГТ ЙТГ И1Т 1ТТТ *тп и тт и т

900

к 800

700

600

500

0

6)

Рис. 5. Экспериментальные и расчетные значения контактной температуры "Гк в зоне правки круга точением с применением различных СОЖ, подаваемых поливом (а), и устройств ддя их подачи (б): Рш = 5 Н; а) 1 — Укритюл— 1 (3 %); 2 - НГЛ-205 (3 %); 3 - Укринол-1 (10 %); 4 -НГЛ-205 (10 %); 5 - ОСМ-3 (100 %); 6 - без СОЖ; б) 1 - к торцам крута через клиновые насадки с наложением УЗК (Сж = 0,15 кг/с); 2 — подача СОЖ поливом; 3 — без СОЖ.1 I — расчетные данные; ('";" \ — экспериментальные данные. Остальные условия см. в надписи к рис. 4

жидкостей, отличающихся большей охлаждающей способностью (эмульсий меньшей концентрации). Как видно из рис. 4 и 5, расхождение между расчетными и экспериментальными значениями температуры не превышает 7 % и находится в пределах точности эксперимента.

Естественно, что максимальные температуры наблюдаются в зоне контакта круга с алмазом правящего инструмента. С удалением от зоны контакта (по окружности или радиусу круга и по оси правящего инструмента) температура в расчетных точках уменьшается (рис. 6) и быстро достигает температуры окружающей среды.

950 К

750 650 550 450 350 250

950 К

750 850 550 450 350 250

УС6

2 1

2 МЫ 3

950 К

750 650 550 450 350 250,

V6

«Л-5

л

V.

О 50

У

115 мы 125

Рис. 6. Расчетные значения температуры в различных точках шлифовального круга и алмазного карандаша в процессе правки точением при разных рабочих скоростях круга: Р7П = 5Н; 1, 2, 3, 4, 5, 6 — соответственно Ук равна 20, 35, 50, 60, 80, 100 м/с; У, г, , у -координаты расчетных точек по рис. 3. Остальные условия см. в надписи к рис. 4

Т

т

Интерес для практики представляют и результаты расчетов температуры при удалении от зоны правки по оси правящего инструмента: на расстоянии 1 мм сохраняются значения температур от 370 до 520 К (см. рис. 6). Этот интервал необходимо учитывать при выборе связки правящих инструментов.

С увеличением рабочей скорости шлифовального круга возрастает как мощность теплового источника, так и интенсивность воздушных потоков, генерируемых вращающимся кругом. В этом случае подача поливом 3 %-ной эмульсии Укринол-i не обеспечивает благоприятных условий эксплуатации правящего инструмента при VK > 60 м/с (см. рис. 6). Аналогичные ограничения были выяснены для кругов различных по пористости и размерам, при различном давлении и расходе СОЖ, подаваемой напорной струей к зоне правки, и др.

Как при правке точением непосредственно на шлифовальном станке измеряли контактные температуры при правке алмазным роликом с применением водных и масляной СОЖ, подаваемы^ в зону контакта различными способами, и сравнивали их с результатами расчетов на ПЭВМ, выполненных в соответствии с разработанным алгоритмом расчета уравнений теплообмена системы контактирующих объектов. Некоторые результаты этих исследований представлены на рис.7. 850 г К

750

650

550

450

У/

и / /

1

Тк

0,01 0,02 0,03 0,04 мм 0,05

Z nv — ''

451

3 4 '

2

- -а) б)

Рис. 7. Экспериментальные и расчетные значения контактной температуры Тк в зоне правки круга шлифованием при изменении глубины правки : алмазный ролик АСК 400/315, рабочая скорость ролика Ур = 2 м/с; а) 1 (О) — Укринол-1 (3%); 2 (Д) - НГЛ-205 (3%); 3 {0) - ОСМ-3; 4 (о) -.правка без СОЖ; б) концентрация эмульсии Укринол—1: 1 (П), 2 (Д), 3(о),..-4 ( ф ) соответственно 3, 5, 10, 20 %■ - — расчет; А, о, 0 - 'эксперимент.

Остальные условия в надписи к рис. 4

К

Варьировали также параметрами техники подачи и давлением подаваемой СОЖ и другими условиями. Максимальные расхождения между расчетными и экспериментальными данными не превышали 10 %, что по-

зволяет использовать численный метод решения уравнений теплообмена для прогнозирования тепловой напряженности при правке шлифованием.

Как и при исследованиях правки, адекватность физико-математических моделей реальным условиям шлифования заготовок с непрерывной правкой проверяли путем сравнения результатов расчета контактной температуры в зоне шлифования с данными эксперимента. Исследования проводили при шлифовании заготовок из двух материалов с существенно различающимися теплофизическими свойствами - инструментальной стали ХВГ и титанового сплава ОТ4. В процессе исследований варьировали тремя факторами, оказывающими большое влияние на контактную температуру при шлифовании: окружной скоростью заготовки, концентрацией СОЖ и техникой ее подачи в зону обработки. Установлено (см. рис. 8), что, как и при правке шлифованием, максимальные расхождения между расчетными и экспериментальными значениями контактных температур в зоне шлифования с непрерывной правкой не превышают 10 %.

1250

К 1150

1050

950

850

750 700

\

50

70 V,

90к/шн110

1050 К

950 850

к

750 700

V1

50

70 V,

90м/ш110

а)

б)

Рис. 8. Экспериментальные и расчетные значения контактной температуры Тк при шлифовании с непрерывной правкой круга в зависимости от окружной скорости V, заготовки из стали ХВГ (Н!1СЭ 63 ... 66): а) СОЖ ОСМ-3 (100 %); б) СОЖ Укринол— 1 (3 %); подача СОЖ: 1 (о) — поливом; 2 (О) — одновременно поливом и через клиновой насадок с торца круга; 3 (Д) — одновременно поливом и через клиновой насадок с торца крута с наложением УЗК; скорости

врезной подачи: заготовки — 0,8 мм/мин; ролика — 0,08 мм/мин;- расчет;

Д, и, о — эксперимент. Остальные условия см. в надписи к рис. 4

Таким образом, выполненные исследования показывают возможности количественной оценки контактных температур в зонах правки и шлифования заготовок из различных материалов без проведения экспериментов путем использования рассмотренных выше физико-математических моделей, граничных условий, алгоритмов и пакетов программ.

Учитывая, что тепловой поток, образующийся в зонах контакта круга с алмазом и заготовкой, напрямую зависит от касательной составляющей силы резания, после проверки адекватности полученных моделей и численных исследований системы контактирующих объектов исследовали

особенности силового взаимодействия в зонах контакта при правке и шлифовании с непрерывной правкой в присутствии СОЖ, а также аналитически и экспериментально исследовали влияние УЗК на процессы транспортирования СОЖ к контактным золам при правке и шлифовании (четвертая и пятая главы).

ОСОБЕННОСТИ СИЛОВОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КОНТАКТИРУЮЩИХ ОБЪЕКТОВ ПРИ ПРАВКЕ КРУГА И ШЛИФОВАНИИ ЗАГОТОВОК С НЕПРЕРЫВНОЙ ПРАВКОЙ

Известно, что для оценки тепловых потоков необходимо располагать значениями касательной составляющей силы резания. И если при шлифовании с периодической правкой круга составляющие силы шлифования при существующем уровне знаний можно рассчитать с достаточной для практики точностью с учетом геометрии а.з., теплофизических свойств материала заготовки, функциональных свойств СОЖ, параметров техники ее подачи и других факторов, то для определения составляющих силы правки используют либо стохастические модели, достоверно описывающие лишь области проведения экспериментов, либо детерминированные модели, в которых не учитывается большинство функциональных свойств СОЖ и параметров техники ее подачи в зону обработки. Вопросы определения составляющих силы шлифования с непрерывной правкой круга и применением СОЖ до сих пор вообще не исследованы.

Использовав теорию Герца для расчета силы удара соударяющихся тел, и с учетом исследований А.Н.Резникова и В.А.Сандлера была получена математическая зависимость для расчета силы правки круга единичным алмазом, учитывающая трение контактирующих при правке круга объектов и свойства окружающей среды

где Кп - коэффициент, зависящий от свойств материалов соударяющихс? объектов и радиусов их кривизны; х - максимальная продолжительное^

удара, с; ^..Тр - коэффициенты, учитывающие трение и свойства окру жающей среды при правке; пц.-.р! - показатели степени, определяемы^ экспериментально или теоретически; р - угол между направлением дей ствия силы Р и направлением скола зерна.

Показана важная роль величины поперечной подачи правящего иг струмента 5П в процессах местного и объемного разрушения а.з. круга пр правке с СОЖ. Определены значения коэффициентов учить

вающих трение и свойства окружающей среды при использовании разлш ных СОЖ и наложении УЗК на алмазный индентор.

(10)

Проанализировав выводы А.К.Байкалова и И.Л.Сукенника о постоянстве площадей мгновенного контакта, чисел алмазных зерен и удельных сил на алмазном зерне при правке круга алмазным роликом при Vp / (V* + Vp) = const, определили силы резания для всех находящихся в контакте алмазных зерен.

СОЖ через гидродинамическую силу Ргуп воздействует на радиальную силу Руп. В общем случае имеем следующую систему сил

ПК1,

Pyn = }dpyn +р;,п

о

(И)

пш

Рхп =

О

где Пки - Пкр'Тк/хр, Пкр - об1дее число зерен на поверхностном слое правящего инструмента; тР - время одного оборота алмазного ролика, с; тк - время контакта алмазного зерна ролика с кругом.

Использовав положения теории гидродинамической смазки, а также результаты исследований В.В.Ефимова, получили зависимость для опреде-

ления силы РуП:

Руп = tfVnp ■ ц ■ (i;H • • in -L + l"r •

V 1 - Фэ • Ф3 i-1 \lSocpj

(12)

где Vnp - приведенная скорость правки, м/с: Vnp = VK ± Vp; ц - динамический коэффициент вязкости СОЖ, Па • с; Е, - коэффициент заполнения контактной зоны жидкостью; Н - высота круга; срэ = ho/h0 шах , h0,-homax - соответственно минимальная и максимальная толщина слоя СОЖ в контактной гидродинамической зоне, м; гср - средний радиус округления вершин режущих кромок алмазов правящего инструмента, м; Socp - средняя толщина слоя смазки в контакте круг - алмазное зерно, м.

Аналитическим путем доказано, что гидродинамическую составляющую радиальной силы правки Р^ следует учитывать в расчетах лишь при

правке мелкозернистых кругов алмазным роликом. Неизбежный нагрев жидкости при прохождении зоны правки приводит к уменьшению вероятности возникновения режима гидродинамической смазки.

Как известно, при обычном шлифовании до 97 % всей энергии расходуется на преодоление трения. При шлифовании с непрерывной правкой круга большинство факторов, приводящих к увеличению трения и теплообразования вследствие изнашивания а.з., устраняются, что способствует увеличению числа активных режущих а.з. При этом уменьшаются составляющие силы шлифования. Но кроме преимуществ непрерывная правка

имеет существенный недостаток - ее включение в технологическую систему приводит к наложению на процесс шлифования дополнительных вибраций.

Получены регрессионные модели, описывающие изменение составляющих силы шлифования с непрерывной правкой круга, коэффициента устойчивости и среднего арифметического отклонения профиля шлифованной поверхности во времени с учетом ширины шлифования заготовок из различных труднообрабатываемых материалов, скоростей врезной подачи круга и алмазного ролика. Доказано, что расход круга при шлифовании заготовок из труднообрабатываемых материалов с непрерывной правкой существенно меньше, чем при шлифовании с периодической правкой (в расчете на одну заготовку). Установлено, что амплитуда колебаний в технологической системе при шлифовании с непрерывной правкой круга зависит от местоположения устройства для правки. При этом, если шаг волнистости шлифованной поверхности практически не зависит от положения алмазного ролика, то амплитуда волнистости увеличивается с приближением оси вращения ролика к линии, проходящей через центр круга и точку касания круга с заготовкой (см. рис. 9). Подача СОЖ к зонам шлифования и правки через клиновые полуоткрытые торцовые насадки с наложением УЗК обеспечивает реализацию демпфирующих свойств жидкости и существенно повышает виброустойчивость технологической системы.

Рис. 9. Схема взаимного расположения круга и алмазного ролика на плоскошлифовалъном: станке; (1—5) — положение ролика отно — сительно круга; 6 — шлифовальный круг; 7 — заготовка; 8 — датчик перемещений ДН—5

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ НА ПРОЦЕССЫ ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ СОЖ К КОНТАКТНЫМ ЗОНАМ ПРАВКИ И ШЛИФОВАНИЯ

Как следует из представленных выше аналитических исследований (глава 2), численных решений и экспериментальных исследований (главг 3), при транспортировании СОЖ к зонам правки и шлифования по внутренним трактам наложение УЗК на насадки для подачи СОЖ к торцам круга является эффективным средством снижения теплосиловой напряженности процессов контактного взаимодействия. Однако механизм влиянш

УЗК на процессы транспортирования СОЖ сквозь норовое пространство вращающегося круга, несмотря на большое число публикаций, изучен лишь фрагментарно. Отсутствует системный подход к оценке влияния различных параметров УЗ-поля (особенно большой интенсивности) на процессы транспортирования жидкости сквозь пористые тела.

В результате выполненных исследований (глава 5) аналитически установлено и подтверждено экспериментально, что распространение УЗ-волн в поровом пространстве шлифовального круга сопровождается рядом эффектов, интенсивность которых зависит от амплитуды волны. Из-за поглощения энергии акустического поля твердыми стенками поровых каналов круга уменьшается эффективность действия УЗК с увеличением расстояния от источника колебаний и угла ак между векторами направленности УЗ-волн и продольной осью капиллярных каналов в круге (см. рис.

Рис. 10. Взаимодействие шлифовального крута с СОЖ при наложении УЗК: 1 — планшайба; 2 — УЗ —насадок для подачи СОЖ; 3 — круг; 4 — связка; 5 — канальные поры; 6 — абразивные зерна; 1 — орт направленности радиальных каналов; ] — орт направленности осевых каналов

Процесс поглощения ультразвука в жидкостях описывается уравнениями гидродинамики с учетом их теплопроводности и вязкости. Решение уравнений гидродинамики для одномерного случая в виде плоской волны типа ехр (ку - 2тс £ I), содержит комплексное волновое число к : вещественная его часть к| определяет длину волны, а мнимая - коэффициент поглощения а„. По Л.Д.Ландау

10).

.5

«4

к - к| + 1 ап

(13) (34)

При этом коэффициент поглощения а„, обусловленный релаксационными процессами, определяется по зависимости Я.Б.Зельдовича:

(Си - Со|2тг2 • • (тр'12 ап = -з 22 ч -• О5)

Вещественная часть волнового числа к) в этом случае

1 О,

2 2 ? - ^ ^

с2

о 4я2^г2(х'р) +1

(16)

где тр' - время релаксации, с; См и Со - соответственно скорость звука на высоких (2л ^тр' » 1) и низких (2-я тР'« 1) частотах, м/с.

Из соотношений (15) и (16) видно, что релаксационные процессы приводят к дисперсии скорости звука или к зависимости фазовой скорости с'=2п <"г /к! от частоты и к своеобразной частотной зависимости коэффициента поглощения, рассчитанного на одну длину волны.

При поглощении синусоидальной волны форма ее, согласно уравнений (13) и (14) не изменяется и остается гармоничной при уменьшении ее амплитуды. В отличие от этого, УЗ-сигнал произвольной формы (например - прямоугольной, выдаваемой УЗ-генераторами серии УЗУ) изменяется и со временем постепенно сглаживается.

Установлено, что доля энергии А\У, поглощаемой при отражении УЗ-волны от твердой стенки канальной поры в круге, можно определить по зависимости

А\У 2^271^-Бт2 а п

Су

(17)

где £ и Су - соответственно частота, Гц, и скорость распространения УЗК в круге, м/с; V - кинематическая вязкость СОЖ, мУс; ап - угол падения УЗ-волны, град.

Из зависимости (17) следует, что Д\УЛ¥ = 0 при ап = 0. Это возможно лишь при условии, что а - а,к (см. рис. 10). Величина угла (*к зависит от большого числа факторов, определяемых главным образом, характеристикой и технологией изготовления шлифовального круга. Точные значения угла ак неизвестны, однако используя данные о канальной пористости кругов, было определено математическое ожидание величины аь Результатами экспериментальных иследований подтверждена правильность выполненных расчетов.

Показана недопустимость линеаризации уравнений гидродинамики и уравнений состояния при рассмотрении процессов фильтрации СОЖ сквозь поровое пространство круга в УЗ-поле. Получены регрессионные зависимости высоты подъема СОЖ различных составов в капиллярах от мощности выходного УЗ-сигнала и угла между векторами направленности колебаний и осыо капиллярных каналов, зависимости составляющих сил шлифования от угла наклона клинового полуоткрытого насадка к торцу круга, подтверждающие нелинейный характер взаимосвязи УЗК и эффективности процесса шлифования. Аналитически обосновано и подтверждено экспериментально, что эффективность действия УЗК может быть существенно увеличена с помощью фокусирующей системы, а также путем оптимизации формы полости торцевого насадка. Аналитически и экспериментально доказано влияние амплитуды УЗК на технологическую эффективность УЗ-техники подачи СОЖ при правке круга и шлифовании заготовок. Выявлены возможности использования гидродинамических явлений, протекающих при правке и шлифовании, для очистки рабочей поверхности круга путем создания кавигационпых областей в контактных зонах. Определены условия возникновения кавитации и оптимальные конструктивные параметры устройств для гидродинамической очистки рабочей поверхности кругов при правке и шлифовании.

ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИСЛЕДОВАНИЙ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ

На основе аналитических и экспериментальных исследований разработаны и предложены новые способы и устройства для шлифования, правки, подачи СОЖ в зоны шлифования и правки (глава 6).

В качестве примера приведены расчеты экономической эффективности от внедрения УЗ-техники подачи СОЖ и устройств для непрерывной правки на пяти различных моделях шлифовальных станков (кругло-, бесцентрово-, торцекругло- I! специальном шлифовальных станках, на станке для глубинного шлифования) при обработке заготовок из низколегированной и коррозионностойкой сталей, высокопрочного чугуна, титанового и жаропрочного сплавов.

Источниками экономической эффективности использования в промышленности результатов диссертационной работы являются:

- увеличение периода стойкости шлифовальных кругов й правящих инструментов и сокращение тем самым числа правок в 2-15 раз;

- сокращение расхода шлифовальных и правящих инструментов в 210 раз;

- интенсификация режима обработки до 1,5-3 раз;

- повышение производительности шлифовальных операций в 1,3 - 2,5

раза.

Наибольший экономический эффект обеспечивает интенсификация режима обработки. Наибольшая суммарная экономия средств достигается в результате увеличения периода стойкости круга и правящего инструмента и сокращения затрат на их приобретение.

Результаты экономических расчетов подтверждены использованием разработок диссертанта в различных отраслях промышленности.

На основе материалов теоретико-экспериментальных исследований разработана межотраслевая и отраслевая нормативно-техническая документация (руководящие материалы, технологические и методические рекомендации, инструкции), используемая при проектировании новых технологических процессов шлифования заготовок из различных материалов на предприятиях авиационной и других отраслей промышленности стран СНГ.

Приложения к диссертации включают следующие документы:

- алгоритм определения коэффициентов вязкостного и инерционного гидравлического сопротивления фильтрации СОЖ сквозь поровое пространство вращающегося шлифовального круга;

- алгоритмы расчета температурных полей контактирующих объектов при правке круга точением и шлифованием, при круглом наружном врезном шлифовании с непрерывной правкой круга алмазным роликом;

- акты внедрения, расчеты экономической эффективности и другие документы о промышленном использовании разработок диссертации (всего 47 документов)

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполненных аналитических и экспериментальных исследований разработаны новые теоретические положения о тепловом и силовом взаимодействии системы контактирующих объектов при правке кругов и шлифовании заготовок с учетом действия СОЖ, совокупность которых можно квалифицировать как новое крупное достижение в развитии технологии абразивной обработки и науки - технологии машиностроения. Это позволило разработать ряд новых технологических методов повышения режущей способности шлифовальных кругов, в частности за счет использования УЗ-гехники подачи СОЖ и новых способов и устройств для непрерывной правки, позволяющих повысить производительность обработки и качество шлифованных деталей, резко сократить расход кругов и правящих инструментов и уменьшись себестоимость деталей.

Приведенные в работе теоретические положения и экспериментальные исследования, а также проектные решения и конструкции УЗ-техники

подачи СОЖ, устройств для правки шлифовальных кругов были использованы при разработке новых и совершенствовании существующих технологических процессов шлифования заготовок на Горьковском автозаводе, заводе коробок скоростей (г.Горький), ММПО "Знамя революции" (г.Москва), Ульяновском авиациопно-промышленном комплексе, Ленинградском заводе турбинных лопаток, НПО "Молния" (г.Москва), АО "Липецкий станкостроительный завод", Нарофоминском заводе турбинных лопаток, Вильнюсском Государственном заводе топливной аппаратуры (республика Литва), АО "Волжские моторы", Казанском моторостроительном производственном объединении и др.

Основные результаты работы отражены в следующих публикациях в центральной печати:

1. Худобин Л.В., Самсонов А.Н., Киселев Е.С. Эффективные способы подачи СОЖ при скоростном силовом шлифовании колец подшипников // Вестник машиностроения. 1974. №2. С. 41-44.

2. Худобин Л.В., Самсонов А.Н., Киселев Е.С. Эффективность СОЖ различных составов при скоростном силовом шлифовании // Машиностроитель. 1974. № 10. С. 24-26.

3. Худобин Л.В., Киселев Е.С., Самсонов А.Н. Шлифование с магнитной очисткой абразивного круга//Абразивы. 1975. №9. С. 18-22.

4. Смазочно-охлаждающие жидкости для шлифования / Худобин Л.В., Бударин A.M., Киселев Е.С. и др. // Станки и инструмент. 1976. №3. С. 29-32.

5. Опыт внедрения СОЖ "Укринол-1" и техники ее применения / Худобин Л.В., Самсонов А.Н., Семенов C.B., Киселев Е.С. // Технология производства, научная организация труда и управления.1976. № 12.

С. 42-44.

6. Комбинированный способ подачи СОЖ при шлифовании методом врезания / Худобин Л.В., Киселев Е.С., Ефимов В.В., Гурьянихин В.Ф. // Станки и инструмент. 1977. № 8. С. 33-34.

7. Самсонов А.Н., Киселев Е.С., Белов М.А. Эффективность абразивных кругов при скоростном шлифовании деталей из среднеуглеродистых сталей И Автомобильная промышленность. 1979. №4. С. 29-30.

8. Худобин Л.В., Киселев Е.С., Кобелев С.А. Совмещенное шлифование с наложением ультразвуковых колебаний на СОЖ // Станки и инструмент. 1981. №3. С. 50-53.

9. Инструкция по испытаниям новых СОЖ на технологическую эффективность при шлифовании / ХудобинЛ.В., Ефимов В.В., Веткасов Н.И., Киселев Е.С. Киев: ВНИИПКнефтехим, 1981. 72 с.

10. Устранение прижогов и трещин путем применения оптимальных методов охлаждения при шлифовании / Троицкая Д.Н., Умнова И.А., Ки-

селев Е.С., Головачев С.И. //Технология автомобилестроения. 1981. №11. С. J 7-19.

11. Киселев Е.С., Унянин А.Н., Моисеев Ю.Н. Новая техника подачи технологической жидкости при совмещенном шлифовании // Вестник машиностроения, 1984. №6. С. 56-57.

12. Киселев Е.С., Джавахия Ж.К., Унянин А.Н. Влияние состава и способа подачи СОЖ на качество и эксплуатационные характеристики шлифованных деталей // Станки и инструмент. 1985. № 6. С. 49-51.

13. Киселев Е.С., Унянин А.Н., Маркелов А.Б. О влиянии СОЖ на эксплуатационные характеристики деталей машин // Вестник машиностроения. 1985. №7. С. 50-52.

14. Рациональное применение технологических жидкостей при шлифовании титановых заготовок / Киселев Е.С., Воронин A.A., Джавахия Ж.К.. Маркелов А.Б. // Авиационная промышленность. 1986. №4. С. 37-39.

15. Киселев Е.С., Лейбель И.Г., Гущин Е.Д. Интенсификация режима шлифования титановых заготовок путем рационального применения СОЖ // Прогрессивные процессы шлифования, инструмент и его рациональное применение. Шлифование-86: Материалы докладов Всесоюзной научно-технической конференции. М.:НИИМАШ, 1986. С. 31-39.

16. Киселев Е.С., Маркелов А.Б. О влиянии режима шлифования на коррозионную стойкость титановых и алюминиевых сплавов // Физико-химическая механика материалов. 1987. 10с. Дел. №333-В87 от 15.01.87.

17. Применение унифицированных смазочно-охлаждающих жидкостей при абразивной обработке. Технологические рекомендации ТР1.4.1568-86 / Киселев Е.С.,Веткасов Н.И.,Воронин A.A.,Шевченко А.Н. М.: НИАТ, 1987. 46 с.

18. Киселев Е.С. Высокоэффективные СОЖ для шлифования заготовок из титановых сплавов и высокопрочных сталей И В кн.: Научно-технические достижения. М..ВИМИ, 1987. Вып.4. С. 16-22.

19. Киселев Е.С., Лейбель И.Г. Новый технологический процесс шлифования титановых и стальных заготовок на основе рационального применения СОЖ // В кн.: Научно-технические достижения. М.: ВИМИ, 1987. Вып.4. С. 22-27.

20. Киселев Е.С., Унянин А.Н. Новая техника подачи СОЖ в зону шлифования // В кн.: Научно-технические достижения. М.: ВИМИ, 1987. Вып.4. С. 27-31.

21. Худобин Л.В., Унянин А.Н., Киселев Е.С. Эффективность применения новой техники подачи СОЖ при совмещенном шлифовании // Вестник машиностроения. 1987. №7. С. 64-67.

22. Применение высокоэффективных СОЖ при шлифовании труднообрабатываемых сплавов и сталей. Технологические рекомендации TP

1.4.1663-86 / Киселев Е.С., Воронин A.A., Шевченко А.Н., Белов М.А. М.: НИАТ, 1987.28 с.

23. Режимы шлифования конструкционных, жаропрочных и инструментальных сталей. Технологические рекомендации TP 1.4.1739-87 / Киселев Е.С., Воронин A.A., Шевченко Л.Н., Веткасов II.И. М.: НИАТ. 1988.

88 с.

24. Киселев Е.С., Джавахия Ж.К., Маркелов А.Б. Влияние условий шлифования на свойства поверхностного слоя заготовок из титановых сплавов // Станки и инструмент. 1988. № 5. С. 30-31.

25. Определение экономической эффективности от внедрения новых смазочно-охлаждающих жидкостей для обработки резанием. Межотраслевые методические рекомендации / Плоткин Я.Т., Худобин Л.В., Киселев Е.С. и др. М.: Миннефтехимпром СССР, 1989. 34 с.

26. Применение смазочно-охлаждающих жидкостей при шлифовании материалов. Руководящий материал РТМ 1.4.1929-89 / Киселев Е.С., Воронин А.А., Унянин А.Н., Карев Е.А. М.: НИАТ, 1990. 102 с.

27. Современная техника и технология применения СОЖ при механической обработке заготовок / Карев Е.А., Бычков Е.П., Киселев Е.С. и др. М.: ЦНИИТЭИ, 1991. 70 с.

28. Киселев Е.С., Маркелов А.Б. Влияние режима шлифования на эксплуатационные характеристики деталей из титановых сплавов // Вестник машиностроения. 1992. № 3. С. 54-56.

29. Киселев Е.С., Шишов Г.Я. Эффективность шлифования заготовок из труднообрабатываемых материалов с непрерывной алмазной правкой круга II Вестник машиностроения. 1992. №4. С. 53-54.

30. Киселев Е.С., Лейбель И.Г., Черабаев A.C. Ультразвуковая техника подачи СОЖ при шлифовании и правке // Смазочно-охлаждаюшие технологические средства для обработки материалов: Тезисы докладов международной конференции. Херсон: ХИИ, 1992. С. 75-76.

31. Киселев Е.С. Формирование эксплуатационных свойств деталей машин в процессе шлифования с высокоэффективными СОЖ // Вестник машиностроения. 1993. № 3. С. 46-48.

32. Киселев Е.С., Унянин А.Н. Эффективность ультразвуковой техники подачи СОЖ на операциях шлифования // Смазочно-охлаждающие технологические средства при механической обработке заготовок из различных материалов: Тез.докладов международной научно-технической конференции. Ульяновск: УлПИ, 1993. С. 67-69.

33. Киселев Е.С., Унянин А.Н. Эффективность устройств для подачи СОЖ в зону правки при шлифовании заготовок из труднообрабатываемых материалов II Сб. научных тр. мсжвуз. научно-технической программы "Ресурсосберегающие технологии машиностроения". М.:

М ГА ATM, 1994. С. 138-142.

34. Киселев Е.С., Унянин А.Н. Эффективность ультразвуковых устройств для подачи СОЖ при шлифовании заготовок и правке абразивных кругов // СТИН. 1995. № 2. С. 24-28.

35. Киселев Е.С., Ковальногов H.H. Исследование теплового состояния шлифовального круга и правящего инструмента при правке с применением смазочно-охлаждающих жидкостей // Ресурсосберегающие технологии машиностроения: Сб. научных тр. межвуз. научно-технической программы. М.:МГААТМ, 1995. С. 139-144.

36. Киселев Е.С., Ковальногов H.H. Математическое моделирование теплового состояния алмазного правящего инструмента и абразивного круга при правке с применением СОЖ // Актуальные проблемы математического моделирования и автоматизированного проектирования в машиностроении: Модель-проект-95: Секция-2. Математическое моделирование и проектирование технологических процессов: Тезисы докладов международной научно-технической конференции. Казань: КГТУ, 1995. С. 44-46.

37. Киселев Е.С., Унянин А.Н. Технологическая эффективность устройства для подачи СОТС в виде мелкодисперсной аэрозоли при механической обработке // Вестник машиностроения. 1995. № 11. С. 41-44.

38. Худобин Л.В., Киселев Е.С. Математическое моделирование теплового состояния абразивных кругов и алмазных правящих инструментов // Теплофизика технологических процессов: Тезисы докладов IX Российской научно-технической конференции. 4.1. Рыбинск: РГАТА, 1996. С. 5657.

39. Киселев Е.С., Ковальногов H.H. Численные исследования теплового состояния абразивного круга и алмазного инструмента в процессе правки с применением смазочно-охлаждающих технологических сред II Тепломассообмен ММФ-96. Вычислительный эксперимент в задачах тепломассообмена и теплопередачи. Т9. 4.1. Материалы III Минского международного форума по тепломассообмену. Минск: Изд-во АНК "ИТМО им. А.В.Лыкова" AHE, 1996. С. 190-194.

40. Современные смазочно-охлаждающие жидкости для шлифования. / Киселев Е.С., Унянин А.Н. Курзанова С.З. Кузнецова М.А. II Вестник машиностроения. 1996. №7. С. 30-34.

41. Худобин Л.В., Киселев Е.С. Использование ультразвуковых колебаний давления смазочно-охлаждающих жидкостей для интенсификации процессов правки кругов и шлифования заготовок//В кн.: Резание и инструмент в технологических системах. Международный научно-технический сборник. Харьков: ХГПУ, 1995-96. Вып. 50. С. 200-204.

42. Ковальногов H.H., Киселев Е.С. Численный расчет теплового состояния системы вращающегося и неподвижного тел при их механическом контакте // Заводская лаборатория. 1996. № 11. С. 53-57.

43. Ковальногов H.H., Киселев Е.С., Клочков C.B. Фильтрация сма-зочио-охлаждающей жидкости во вращающемся шлифовальном круге при наложении ультразвуковых колебаний // Известия вузов. Авиационная техника. 1997. № 1. С. 53-57.

44. A.C. 554145.СССР, МКИ В 24 b 55/02. Устройство для подачи смазочно-охлаждающих жидкостей / Л.В.Худобин, Е.С.Киселев, В.Ф.Гурьянихин н др. . 2106805/08; заявл. 18.12.75; опубл. 15.04.77. - Бюл. № 14.

45. A.C. 662331. СССР, МКИ В 24 b 55/00. Устройство для магнитной очистки абразивных инструментов / Л.В.Худобин, Е.С.Киселев, А.Л.Шпади, С.Л.Шпади. 2125929/25-08; заявл. 14.4.75; опубл. 15.05.79.-Бюл. № 13.

46. Патент RU 806387. РФ, МКИ В 24 b 55/02. Устройство для подачи смазочно-охлаждающих жидкостей / Л.В.Худобин, С.А.Кобелев, Е.С.Киселев. 2774159/25-08; заявл. 30.05.79; опубл. 23.02.80. - Бюл. № 7.

47. A.C. 850367. СССР, МКИ В 24 b 55/02. Устройство для подачи смазочно-охлаждающих жидкостей / Е.С.Киселев, С.И.Головачев. 2844236/25-08; заявл. 27.11.79; опубл. 02.08.81. - Бюл. № 28.

48. Патент RU 1009734. МКИ В 24 b 55/02. Устройство для подачи смазочно-охлаждающих жидкостей / Е.С.Киселев, С.И.Головачев. 3321759/25-08; заявл.17.07.81; опубл. 07.04.83. - Бюл. № 17.

49. A.C. 1172683. СССР, МКИ В 24 b 55/02. Устройство для подачи смазочно-охлаждающих жидкостей I Е.С.Киселев, А.Н.Унянин,

A.Б.Маркелов 3688669/08; заявл. 28.10.83, опубл. 15.08.85. - Бюл. № 30.

50. Патент RU 1222519. РФ МКИ В 24 b 55/02. Устройство для подачи смазочно-охлаждающих жидкостей / Е.С.Киселев, А.Н.Унянин,

B.Н. Шумилин, А.В.Горелов. 3770349/25-08; заявл. 13.07.84; опубл.07.04.86. - Бюл. № 13.

51. Патент RU 1234172. РФ МКИ В 24 b 55/02. Устройство для подачи смазочно-охлаждающих жидкостей / Е.С.Киселев, А.Н.Унянин, А.В.Горелов. 3801837/25-08; заявл.15.10.84; опубл.30.05.86. - Бюл. №20.

52. A.C. 1266717. СССР, МКИ В 24 b 53/14. Устройство для непрерывной правки шлифовального круга / Е.С.Киселев, А.Н.Унянин, А.С.Черабаев. 39056554/25-08; заявл. 30.05.85; опубл. 30.10.86. - Бюл.№40.

53. A.C. 1373549. СССР, МКИ В 24 b 55/02. Устройство для подачи смазочно-охлаждающей жидкости через поры круга / Е.С.Киселев, А.Н.Унянин, И.Г.Лейбель, В.А.Фокеев. 4124275/31-08; заявл. 24.09.86; опубл. 15.02.88. - Бюл. №6.

54. A.C. 1523320. СССР, МКИ В 24 Ь 53/00 II В 24 b 55/02. Способ правки шлифовального круга алмазным роликом / Е.С.Киселев, А.Н.Унянин, О.Г.Крупенников (СССР). № 432501/31-08; заявл. 28.09.87; опубл. 23.1 1.89. - Бюл. № 43.

55. A.C. 1678589. СССР, МКИ В 24 d 55/04 // В 24 b 55/02. Абразивный круг / Е.С.Киселев, А.Н.Унянин. 4721626/08; заявл. 24.05.89; опубл. 23.09.91.-Бюл. №35.

56. A.C. 1684005. СССР, МКИ В 24 b 53/035 // B24b 55/02. Способ шлифования / Е.С.Киселев, О.Г.Крупенников, А.С.Черабаев. 47366626/08; заявл. 11.09.89; опубл. 15.10.91. - Бюл. № 38.

57. A.C. 1705050. СССР, МКИ В 24 b 55/02. Способ охлаждения при шлифовании / А.Н.Унянин, И.Г.Лейбель, Д.Н.Кошелев, Е.С.Киселев. 4751657/08; заявл. 16.08.89; опубл. 15.01.92. - Бюл. № 2.

58. A.C. 1710317. СССР, МКИ В 24 Ъ 55/00 // В 24 b 55/02. Способ правки шлифовального круга алмазным роликом / Е.С.Киселев, А.Н. Унянин. 4803998; заявл. 21.03.90; опубл. 07.02.92. - Бюл. № 45.

59. Патент RU 1796430. РФ, МКИ В 24 b 53/14. Устройство для непрерывной правки шлифовального круга ! Е.С.Киселев, Ю.В.Кирилин, А.С.Черабаев. 4923684/08; заявл. 01.04.91; олубл.23.02.93. - Бюл. №7.

60. Патент RU 2008166. РФ, МКИ В 23 Q 11/10. Способ охлаждения / Е.С.Киселев, А.Н.Унянин, Е.В.Герасин. 5038753/08; заявл.20.04.92; опубл.28.02.94. - Бюл. № 4.

61. Патент RU 2008180. РФ, МКИ В 24 b 53/14 Устройство для непрерывной правки шлифовального круга / Е.С.Киселев, Ю.В.Кирилин, А.С.Черабаев, А.В.Демокритова. 5014197/08; заявл.05.12.91; опубл.28.02.94. - Бюл. №4.

КИСЕЛЕВ ЕВГЕНИЙ СТЕПАНОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРАВКИ КРУГОВ И ШЛИФОВАНИЯ ЗАГОТОВОК ПУТЕМ РАЦИОНАЛЬНОГО ПРИМЕНЕНИЯ СМАЗОЧНО-ОХЛАЖДАЮЩИХ ЖИДКОСТЕЙ

Автореферат Подписано в печать27¿0,97. Формат 60x84/16 Бумага писчая. Усл.печ.л. 1,36. Учгизд.л. 2. Си, Тираж 100 экз. Заказ /03 ч Бесплатно Ульяновский государственный технический университет,

432027, Ульяновск, Сев.Венец, 32. Типография УлГТУ, 432027, Ульяновск, Сев.Венец, 32.