автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Создание оборудования и эффективной технологии ротационного ленточного охватывающего шлифования бунтовой проволоки малого диаметра

На правах рукописи

005060787

Шиляев Сергей Александрович

СОЗДАНИЕ ОБОРУДОВАНИЯ И ЭФФЕКТИВНОЙ ТЕХНОЛОГИИ

РОТАЦИОННОГО ЛЕНТОЧНОГО ОХВАТЫВАЮЩЕГО ШЛИФОВАНИЯ БУНТОВОЙ ПРОВОЛОКИ МАЛОГО ДИАМЕТРА

Специальность 05.02.13 — «Машины, агрегаты и процессы (машиностроение)»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

3 О МАП ш

Ижевск - 2013

005060787

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Ижевский государственный технический университет имени М.Т. Калашникова»

Научный консультант: доктор технических наук, профессор

Филькин Николай Михайлович

Официальные оппоненты: Шаврин Олег Иванович - доктор технических наук,

профессор кафедры «Производство машин и механизмов», ФГБОУ ВПО «Ижевский государственный технический университет имени М.Т. Калашникова», г. Ижевск, зав. кафедрой

Сиваков Валерий Павлович — доктор технических наук, профессор кафедры «Машины и оборудование целлюлозно-бумажных производств», Уральский государственный лесотехнический университет, г. Екатеринбург

Чемборисов Наиль Анварович — доктор технических наук, профессор кафедры «Технология производства машин», Филиал ФГБОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет» (национальный исследовательский университет), г. Миасс, декан машиностроительного факультета

Ведущая организация: ФГБУН «Институт механики Уральского отделения

Российской академии наук», г. Ижевск

Защита состоится «28» июня 2013 года в 10-00 часов на заседании диссертационного совета Д212.065.03 в ФГБОУ ВПО «Ижевский государственный технический университет имени М.Т. Калашникова» по адресу: 426069, г. Ижевск, ул. Студенческая, дом 7, ФГБОУ ВПО «ИжГТУ им. М.Т. Калашникова». E-mail: dissovet@istu.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Ижевский государственный технический университет имени М.Т. Калашникова».

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять по указанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Электронная версия автореферата размещена на официальном сайте Минобрнауки

Автореферат разослан аУ^/л lI/OJ 2.0/6Г

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор

Н.М. Филькин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время отечественная промышленность выпускает более 90 тыс. типоразмеров метизной продукции: стальной проволоки, ленты, калиброванной стали, стальных канатов, металлических сеток, электродов, крепежных изделий, заводных пружин и пр., которые находят самое широкое применение в различных отраслях промышленности, особенно в машиностроении. Проволока является широко распространенным материалом для изготовления пружин, армирования композиционных материалов, изготовления торсионов транспортных средств автомобильной и авиационной промышленности, применяется в производстве медицинского инструмента (иглы, эндоскопы) и др. Для повышения качества подобных изделий необходимо обеспечить прочностные показатели проволоки с максимальной эффективностью. Необходимая конструкционная прочность готового изделия зависит от формы, размеров и технологии изготовления, как проволоки, так и самого изделия.

Высокая конструкционная прочность проволоки достигается, если обеспечен нужный комплекс физико-механических свойств, в частности для пружинной проволоки это высокие значения предела упругости и усталостной прочности. Анализируя условия эксплуатации изделий из проволоки, можно сделать вывод, что состояние поверхностных слоев изделий определяют их рабочие качества. Требования, предъявляемые к качеству обработанной поверхности бунтовой проволоки, применяемой для изготовления высокоответственных изделий, не допускают наличия дефектов поверхностного слоя. Например, анализ излома пружин, работающих в условиях циклического нагружения, показывает, что в основном очаг зарождения усталостной трещины находится на крайних поверхностных «волокнах».

В настоящее время одним из наиболее широко применяемых методов для устранения поверхностных дефектов является лезвийная и абразивная обработка. Для обработки бунтовой проволоки с применением процессов волочения, обточки, шлифования или полирования в металлургии, трубной, метизной, шарикоподшипниковой и других отраслях промышленности наиболее широко применяются станки отечественного производства моделей 3180 и СЛ-501, а также оборудование изготовляемое фирмами «Ки-зерлинг», «Шумаг», «Хетран» и др. Имеющееся технологическое оборудование в основном ориентировано на обработку прутков и проволоки диаметром от 6 до 50 мм. При обработке заготовок диаметром до 5^6 мм все преимущества, характерные для указанных процессов исчезают, что обуславливается недостаточной жесткостью заготовки, малой площадью контакта инструмента и заготовки, и как следствие высокой теплонапряженностью процесса шлифования, приводящей к образованию прижогов и изменению физико-механических характеристик обрабатываемого материала.

Таким образом, на современном этапе известные методы обработки бунтовой проволоки не обеспечивают требуемых показателей по качеству поверхности. Избежать этого можно на основе новых технологических методов чистовой обработки поверхностей. Одним из прогрессивных методов обработки является обработка бесконечной шлифовальной лентой. Преимуществом этого метода являются более благоприятные условия резания за счет эластичности и упругости ленты, снижения сил резания, меньшей теплонапряженностью процесса обработки по сравнению с обработкой абразивными кругами и др.

В связи с этим представляется актуальной разработка оборудования и технологии ротационного ленточного охватывающего шлифования бунтовой проволоки, используемой для изготовления высокоответственных изделий, обладающих

высокими нагрузочными характеристиками, надежностью и долговечностью. Для этого необходимо изучить основные закономерности процесса ротационного ленточного охватывающего шлифования путем исследования физико-механических, динамических и теплофизических явлений, сопровождающих шлифование абразивными лентами. Это позволит сформулировать теоретические основы процесса шлифования абразивными лентами и разработать технологические рекомендации по наиболее эффективному его использованию в промышленности.

Цель диссертационной работы: Разработка оборудования и высокоэффективной технологии ротационного ленточного охватывающего шлифования длинномерных цилиндрических изделий малого диаметра, обеспечивающей повышение качества, производительности и экономичности обработки.

Для достижения цели в работе поставлены следующие задачи:

1. На основе анализа возможных методов обработки длинномерных цилиндрических изделий разработать схему обработки бунтовой проволоки малого диаметра методом ротационного ленточного охватывающего шлифования.

2. Исследовать процесс ротационного ленточного охватывающего шлифования;

3. Исследовать динамику ротационного ленточного охватывающего шлифования;

4. Исследовать тепловые явления в зоне резания с целью обеспечения требуемого качества поверхностных слоев обработанной заготовки при ротационном ленточном охватывающем шлифовании;

5. Оптимизировать режимы ротационного ленточного охватывающего шлифования методом планирования и обработки результатов многофакторного эксперимента;

6. Разработать принципы проектирования и создания технологических машин для обработки бунтовой проволоки малого диаметра методом ротационного ленточного охватывающего шлифования, обеспечивающих высокую технологическую эффективность;

7. Разработать оборудование и технологию ротационного ленточного охватывающего шлифования бунтовой проволоки диаметром до 6 мм из бунта в бунт.

Предмет исследований: Процесс и устройство ротационного ленточного охватывающего шлифования бунтовой проволоки малого диаметра.

Методы исследований. Разрабатываемые математические модели и методики исследования включают в себя в полном объеме основные методы инженерного творчества, базирующиеся на методах математического моделирования, на средствах автоматизированного синтеза и поиска оптимальных технических решений и на современных технических средствах (компьютеры, графические станции, экспериментальная техника и различное периферийное оборудование).

Теоретические методы базируются на теориях математического моделирования и параметрической оптимизации, анализа сложных технических систем, дифференциальных уравнений и численных методов вычислений, программирования и методах планирования экспериментальных исследований. Расчетные исследования проведены на основе разработанных автором диссертации программных средств.

Научная новизна работы заключается:

1. Разработаны теоретические и технологические основы процесса ротационного ленточного охватывающего шлифования бунтовой проволоки малого диаметра с увеличенным углом охвата абразивной лентой обрабатываемой заготовки с использованием как одной, так и двух абразивных лент.

2. Решение проблемы управления процессом ротационного ленточного охваты-

вающего шлифования бунтовой проволоки основывается на выделении и моделировании основных подсистем процесса обработки - кинематической, динамической и теплофизической.

3. Разработана динамическая модель ротационного ленточного охватывающего шлифования позволяющая определить диапазоны динамической устойчивости устройства:

- рациональный диапазон вынужденных колебаний абразивной ленты, находиться пределах 5,04-36,2 кГц, при этом различные сочетания рабочих режимов и погрешности изготовления опорных роликов устройства не оказывают отрицательного влияния на рабочий процесс ленточного шлифования.

- частота собственных колебаний зерна зависит от размеров зерна и жесткости связки. При работе устройства удельные натяжения в ленте, приходящиеся на единицу ширины, не превышают значений 0,7 кН/м, а частота собственных колебаний зерен изменяется в пределах 140-^250 кГц для зернистости 40Н (электрокорунд), до 600-^800 кГц для зернистости 5М (алмаз). Резонансных явлений в колебаниях зерна не наблюдается.

4. Работоспособность абразивной ленты устройства ротационного ленточного охватывающего шлифования зависит от количества режущих абразивных зерен и величины силы натяжения ленты, определяющей нагрузку на единичное абразивное зерно. Процесс резания протекает в условиях наименьшего износа абразивных зерен и засаливания абразивной ленты при величине натяжении ленты в диапазоне 6080 Н. Увеличение количества режущих абразивных зерен при ротационном ленточном охватывающем шлифовании обеспечивается путем увеличения ширины шлифования и увеличения длины дуги контакта инструмента с обрабатываемой поверхностью.

5. При исследовании тепловых явлений установлены закономерности распределения температуры в зоне резания, показывающие, что участок проволоки, находящийся перед передним краем источника, не успевает нагреваться, так как скорость распространения теплоты в осевом направлении ниже скорости движения источника, а величина контактной температуры ниже температуры образования прижогов на шлифованной поверхности.

Практическая ценность и внедрение результатов работы.

Созданы оборудование и технология ротационного ленточного охватывающего шлифования бунтовой проволоки из труднообрабатываемых материалов диаметром от 1,4 мм до 6 мм из бунта в бунт, обеспечивающие повышение качественных характеристик поверхностного слоя проволоки.

Разработаны принципы проектирования и создания технологических машин ротационного ленточного охватывающего шлифования в соответствии с современными требованиями технологии, качества, надежности, долговечности, промышленной и экологической безопасности.

Внедрены в практику, созданные автором диссертации, программные средства, базирующиеся на теоретических и экспериментальных исследованиях, позволившие существенно снизить производственные затраты на внедрение новой технологии и оборудования ротационного ленточного охватывающего шлифования.

Предложена методика оптимизации параметров процесса обработки бунтовой проволоки при ротационном ленточном охватывающем шлифовании методом планирования и обработки результатов многофакторного эксперимента (Свидетельство №2007613532), позволяющая обосновать необходимые технологические параметры процесса, обеспечивающие заданные эксплуатационные характеристики деталей.

Впервые предложена система автоматизированного расчета и отработки конструкции изделия на технологичность по частным показателям, включающая оценку качества объекта на ранних стадиях технологической подготовки производства (Свидетельство №2010615652).

Выполнен комплекс экспериментальных исследований качественных показателей обработанной поверхности и влияния тепловых явлений в зоне резания, как в процессе нарастания температуры, так и в установившемся режиме.

Разработанные положения технологии ротационного ленточного охватывающего шлифования и принципов построения технологического оборудования опробованы и внедрены в практику проектирования на предприятиях России (ОАО «Буммаш», ОАО «Ижсталь», ООО «Редуктор»), при выполнении НИР, ОКР и НИРС, а также в учебный процесс на кафедре «Автомобили и металлообрабатывающее оборудование» ФГБОУ ВПО ИжГТУ имени М.Т. Калашникова».

Монография, учебные пособия и разработанные программные пакеты используются в исследованиях аспирантов, магистрантов и в учебном процессе при подготовке студентов в Ижевском государственном техническом университете по специальностям машиностроительного направления, автомобилестроения, двигателесгроения и механизации различных отраслей народного хозяйства.

Результаты работы были использованы при выполнении гранта Министерства образования РФ Т02-06.3-400 «Возможности абразивного инструмента в совершенствовании технологии производства»; при выполнении аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2006-2008 годы)», номер государственной регистрации НИР: ВНТИЦ, 01.2.006 06492; при выполнении аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 годы)», номер государственной регистрации НИР: ВНТИЦ, 01.2.00 901933; при выполнении мероприятия №1.2.2 «Проведение научных исследований научными группами под руководством кандидатов наук» федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы / Государственный контракт № П1449 от 03 сентября 2009 года.

Обоснованность и достоверность. В процессе работы над диссертацией выполнены в достаточно большом объеме как поисковые научно-исследовательские, так и опытно-конструкторские работы. Достоверность исследований обеспечена обоснованностью теоретических положений, экспериментальной проверкой их в лабораторных и производственных условиях на экспериментальных образцах устройства с использованием математической статистики при оценке погрешностей.

Основные положения, выносимые на защиту:

- закономерности процесса ротационного ленточного охватывающего шлифования бунтовой проволоки малого диаметра;

- динамические и тепловые модели ротационного ленточного охватывающего шлифования;

- оценка работоспособности абразивной ленты устройства ротационного ленточного охватывающего шлифования с учетом упругих свойств инструмента при резании;

- оборудование и технология ротационного ленточного охватывающего шлифования с увеличенным углом охвата абразивным инструментом обрабатываемой заготовки;

- рекомендации, направленные на совершенствование машин ротационного ленточного охватывающего шлифования при обработке бунтовой проволоки малого диаметра.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференциях различного уровня: Всероссийская научно-техническая конференция «Аэрокосмическая техника и высокие технологии», г. Пермь, 2000-2002 г.г.; Третий международный конгресс «Машиностроительные технологии '01», Республика Болгария, 2001 г.; Международная научно-техническая конференция «Комплексное обеспечение показателей качества транспортных и технологических машин», г. Пенза, 2001 г.; Пятая сессия научной школы «Фундаментальные и прикладные проблемы теории точности процессов, машин, приборов и систем», г. С.Петербург, 2002 г.; Международная конференция «Актуальные проблемы конструк-торско-технологического обеспечения машиностроительного производства», г. Волгоград, 2003 г.; Международная научно-техническая конференция «Контактная жесткость. Износостойкость. Технологическое обеспечение», г. Брянск, 2003 г.; Всероссийская научно-техническая конференция с международным участием «Современные тенденции развития автомобилестроения в России», г. Тольятти, 2004 г.; г.; IV Международная научно-практическая конференция «Автомобиль и техносфера», г. Казань, 2005 г.; Седьмая Российская научно-техническая конференция «Прогрессивные технологии в транспортных системах», г. Оренбург, 2005 г.; II научно-техническая конференция аспирантов и молодых ученых «Вооружение. Технология. Безопасность. Управление», г. Ковров, 2007 г.; 3, 5, 6 Всероссийские научно-технические конференции «Проблемы и достижения автотранспортного комплекса», г. Екатеринбург, 2005, 2008, 2009 г.г.; Всероссийская научно-техническая конференция с элементами научной школы для молодежи «Проведение научных исследований в области машиностроения», г. Тольятти, 2009 г.; Всероссийская научно-практическая конференция «Научное обеспечение инновационного развития АПК», г. Ижевск, 2010 г.; Всероссийская научно-практическая конференция «Машиностроение: проектирование, конструирование, расчет и технологии ремонта и производства», г. Ижевск, 2012 г. и др.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 1 монография; 4 учебных пособия; 73 статьи в журналах, сборниках и научных изданиях, в том числе 19 рекомендованных ВАК для публикации результатов исследований докторских диссертаций, 4 в зарубежных журналах; получено 5 патентов на изобретения и 3 свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, восьми глав, основных результатов и выводов, библиографического списка из 291 наименований. Работа включает в себя 348 страниц текста, в том числе 137 рисунков, 46 таблиц и приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы работы, определен предмет исследования, показана научная новизна и практическая ценность полученных результатов, проведена краткая аннотация всех глав диссертации и дается общее представление о диссертационной работе.

Первая глава посвящена анализу современного состояния в области механической обработки бунтовой проволоки.

Показатели работоспособности изделий связаны с показателями качества обработанной поверхности, и в частности с шероховатостью поверхности. Качество поверхности является одним из важнейших факторов, обеспечивающих высокие эксплуата-

ционные свойства деталей машин. Наиболее существенным для практических целей является установление зависимости между параметрами конкретного технологического процесса обработки поверхности, показателями качества поверхностного слоя и показателями деталей машин в эксплуатации.

Высокопрочную проволоку применяют в изделиях новой техники: для бандажиро-вания ракетных двигателей, высокотемпературных парашютов, для производства торсионов вертолетов, пружин, тросов, применяемых в морской авиации, в узлах самолетов, транспортных машинах и др. Следует особо отметить, что высокопрочная проволока — один из наиболее дешевых и прочных видов волокон, применяемых для армирования высокопластичных материалов. Проволоку изготовляют в широком ассортименте из самых различных черных и цветных металлов и сплавов, с разными механическими и физико-химическими свойствами. Для каждого вида и размера проволоки требуется определенная технология изготовления и соответствующее оборудование.

Требования, предъявляемые к качеству поверхности бунтовой проволоки, приведены в нормативно-технической документации, которая регламентирует допустимые и недопустимые дефекты, глубину их залегания и глубину зачистки. Учитывая, что на поверхности бунтовой проволоки присутствуют большое количество дефектов, то удаление дефектного слоя для получения в дальнейшем качественных изделий является актуальной проблемой.

Особенностью обработки цилиндрических поверхностей малого диаметра является малая площадь контакта инструмента и заготовки. Это приводит к повышению силовых воздействий, повышению шероховатости обрабатываемой поверхности и уменьшению стойкости инструмента. Кроме того при обработке проволоки малого диаметра увеличиваются погрешности, возникающие в продольном направлении вследствии деформации элементов технологической системы, что способствует неплотному при-леганиию инструмента к заготовке, и, как следствие, это приводит к неравномерному съему материала, нестабильности тепловых и динамических явлений в зоне резания и снижению стойкости инструмента.

У бунтовой проволоки, обработанной по существующим технологиям, имеются следующие недостатки:

- короткие и протяженные, неоднородные по глубине и ширине поверхностные дефекты типа трещин, закатов, заусенцев и т. п.;

- шлифовочные прижоги, трещины, оплавления на поверхности и обезуглероживание поверхностного слоя;

- высокая шероховатость поверхности;

- высокая сложность конструкции технологического оборудования и высокая сложность управления и контроля за процессом обработки;

- низкая стойкость инструмента;

- низкая жесткость прутка в зоне резания;

- низкая производительность процесса обработки.

Таким образом, для получения высокого качества поверхности бунтовой проволоки необходимо разработать технологическое оборудование, позволяющее выполнять обработку с увеличенной площадью контакта инструмента и заготовки, при этом для обеспечения равномерного съема металла при шлифовании и повышения качества поверхности необходимо, чтобы проволока в процессе нагружения от сил резания имела минимальный прогиб в продольном направлении.

Проведенный обзор литературных источников показывает, что авторы исследований (Лурье Г.Б., Маслов E.H., Юнусов Ф.С., Якимов A.B., Соломенцев Ю.М., Шпур Г., Штеферле Т., Верезуб В.Н., Евсеев Д.Г., Сальников А.Н., Ипполитов Г.М., Митревич К.С., Иванов Ю.Н., Носов Н.В., Паньков JI.A., Костин Н.В., Пузанов В.В. и др.) не рассматривают в своих работах вопросы, связанные с процессами обработки бунтовой проволоки, и как следствие, не дают однозначных рекомендаций по осуществлению обработки бунтовой проволоки малого диаметра Поэтому и возникла необходимость в разработке оборудования и технологии для обработки бунтовой проволоки из труднообрабатываемых материалов диаметром от 1,4 мм до 6 мм из бунта в бунт методом ротационного ленточного охватывающего шлифования.

В результате сравнения качественных и количественных показателей возможных мет/ум! «иЧрябстгки Gvnroiioii проволоки, а именно шероховатости поверхности, пр.-и »..vtuic-iMiociu oöj\i"ioiKii и cioüKocui режущею инструмента, установлено, что массовое производство высококачественной бунтовой проволоки диаметром от 1,4 мм до 6 мм должно ориентироваться на технологию обработки проволоки в бунтах, а ротационное ленточное охватывающее шлифование является наиболее рациональным методом обработки бунтовой проволоки.

Исследование поверхностных слоев обработанной проволоки показало, что после ротационного ленточного охватывающего шлифования (предлагаемый метод) такого дефекта как прижог не наблюдается, что в свою очередь подтверждает предположение о равномерности распределения теплового потока и незначительных температурных воздействиях.

В заключение первой главы сформулированы цель работы и основные задачи исследований.

Во второй главе приводится обоснование применения метода ротационного ленточного охватывающего шлифования при обработке бунтовой проволоки.

В результате анализа существующих методов обработки абразивными лентами были выявлены наиболее рациональные схемы, обеспечивающие обработку цилиндрических поверхностей - обработка абразивной лентой с прижимным роликом и одностороннее шлифование свободной ветвью абразивной ленты. Характерной чертой рассмотренных схем является то, что абразивная лента касается обрабатываемой заготовки один раз.

В основе ротационного ленточного охватывающего шлифования принята схема (рис. 1), в которой абразивная лента располагается на трех роликах - приводном, натяжном и ведомом, и получает главное движение со скоростью резания Bi(Vpa). При вращении планшайбы абразивная лента огибает проволоку, обеспечивая круговую подачу B2(SKp) для осуществления процесса резания. Для обработки проволоки по длине задаем продольную подачу от привода подач Пз(8пр0д)-

Значимым препятствием, сдерживающим применение лент при шлифовании, является их неустойчивость в поперечном направлении (сбег с роликов или осцилляция ленты по роликам). При обработке бунтовой проволоки от действующих сил резания возникает сила, направленная вдоль оси проволоки. В результате воздействия этой силы лента смещается в ту же сторону, что движется проволока. При реализации устройства необходимо обеспечить устойчивость ленты на опорных поверхностях роликов лентопротяжного механизма, что возможно путем подбора профиля опорных роликов и угла наклона осей роликов.

Площадь контакта

в^ц,;

/

Проволока

Абразивная лента /

/

Рисунок 1 - Схема резания при обработке бунтовой проволоки ленточным шлифованием: В, (Урез) - вращательное движение - скорость резания; В2(8кр) -вращательное движение - круговая подача ленты с планшайбой; Пз(8пр0д) -прямолинейное движение - продольная подача проволоки

Известно, что чем больше абразивных зерен, одновременно участвует в резании, тем меньше толщина слоя, срезаемого одним зерном, и наоборот. От толщины среза зависят многие факторы шлифования, в частности, длина дуги контакта, время этого контакта, силовая нагрузка на зерно и энергия, затрачиваемая на удаление металла, а также температура, возникающая в зоне контакта зерна с деталью. Все это в значительной мере сказывается на стойкости абразивного инструмента, его производительности и качестве обработанной поверхности.

Увеличить количество режущих абразивных зерен при ленточном шлифовании можно путем увеличения ширины шлифования и увеличения длины дуги контакта инструмента с обрабатываемой поверхностью. При шлифовании свободной ветвью абразивной лентой бунтовой проволоки увеличение длины дуги контакта возможно за счет увеличения угла охвата абразивным инструментом обрабатываемой заготовки. Кроме того, для обеспечения формообразования протяженной цилиндрической поверхности при обработке бунтовой проволоки необходимо обеспечить вращение инструмента вокруг обрабатываемой заготовки. При увеличении ширины шлифования для обеспечения равномерного прижима ленты к заготовке в процессе обработки и повышения качества поверхности необходимо, чтобы проволока в процессе нагруже-ния от сил резания имела минимальный прогиб в продольном направлении.

На основании схемы резания при обработке бунтовой проволоки ленточным шлифованием (рис. 1) автором в составе творческого коллектива спроектированы устройства ротационного ленточного охватывающего шлифования, использующие одну (Свидетельство №11503 - Устройство для ленточного шлифования) (рис. 2, а) и две абразивные ленты (Патент на изобретение №2228831 - Ленточно-шлифовальный станок) (рис. 2, б).

При использовании схемы шлифования с двумя абразивными лентами ленты одновременно осуществляют шлифование заготовки, т.е. происходит двухсторонняя абразивная обработка последней. Следовательно, обработка заготовки осуществляется в условиях двойного охватывающего контакта абразивными лентами. При этом погрешности, возникающие в продольном направлении вследствии деформации элементов технологической системы значительно уменьшаются.

а) б)

Рисунок 2 - Схема ротационного ленточного охватывающего шлифования: а) с одной абразивной лентой; б) с двумя абразивными лентами

Реализация задан...... движений формообразования обеспечивается по кинематической схеме, приведенной на рис. 3.

5 2 3

А ПЩ *Я8\ »500 .

Рисунок 3 - Кинематическая схема устройства ротационного ленточного охватывающего шлифования

Процессы шлифования характеризуются непрерывными динамическими изменениями условий взаимодействия абразивного инструмента с заготовкой в зоне резания, которые в целом характеризуют стабильность процесса обработки во времени, что сказывается на качественных характеристиках поверхностного слоя обрабатываемой заготовки.

Интенсивность теплового и силового воздействия зависит от свойств формообразующего инструмента, свойств технологической системы и условий обработки. Сложность взаимных связей параметров процесса шлифования бунтовой проволоки и сопровождающих его явлений служат причиной недостаточно полного его математического моделирования в настоящее время

Традиционная схема процесса механической обработки длинномерных цилиндрических деталей объединяет первичные, вторичные параметры и непосредственно процесс резания. Первичные параметры характеризуют технологическую систему: станок - приспособление - инструмент - заготовка; вторичные - технологические показатели: точность и качество обработанной поверхности, стойкость и прочность инструмента, производительность и экономичность процесса. Сам процесс обработки включает различные физические явления и процессы его сопровождающие.

В предлагаемой схеме обработки бунтовой проволоки выделяются, в сравнении с традиционной, основные подсистемы - кинематическая, динамическая и теплофизиче-ская, во многом определяющие технологические показатели (рис. 4).

Выделение подсистем процесса механической обработки длинномерных нежестких заготовок и их моделирование позволит предложить рациональные конструктивные, геометрические и кинематические параметры, а также выбрать и обосновать рациональные технологические режимы обработки на устройстве ротационного ленточного охватывающего шлифования.

Технологическая система

Станок

Тип. модель. Мощное п»,

Приспособление

Технологическая среда

Состав. Способ подачи

Режимы обработки

Подсистемы (модели) обработки

Кинематическая Динамическая Теплофизическая

Механизм обработки

Кинематика

Упругие и пластические деформации

Контактные процессы

Тепловые явления

Прочие процессы

магнитные, электрические и тд.

Технологические показатели

ТОЧНОСТЬ обработки Качество поверхности Стойкость инструмента Прочность инструмента Производительность Экономичность Экологичность

Рисунок 4 - Структурная схема процесса обработки бунтовой проволоки

Предложенные схемы ротационного ленточного охватывающего шлифования потребовали определения зависимостей величин параметров ротационного ленточного охватывающего шлифования, во многом определяющих выходные характеристики процесса обработки: длина абразивной ленты, угол охвата абразивной лентой обрабатываемой проволоки; площадь контакта абразивной ленты с деталью.

Длина абразивной ленты:

Полный угол охвата, при условии равенства диаметров опорных роликов и их симметричного расположения относительно обрабатываемой заготовки:

£ = 2 • агссоэ

(к + Гп).Х1+а.

[|] +Х]2 - (Я + гп)2

2 1 +Х''

Площадь контакта абразивной ленты с деталью в зависимости от диаметра обрабатываемой поволоки (с!п), угла охвата (е) и ширины шлифования (В):

71 • с1п ■ В • Е

Ьк =-.

360

Зависимости площади контакта от угла охвата и диаметра обрабатываемой проволоки приведены в табл. 1

Таблица 1 - Зависимости площади контакта

Диаметр обрабатываемой проволоки, мм

1,44

_3^0_

_4Д)_

_5Д)_

Угол охвата, град

14,56 14,79 14,94 15,08

Площадь контакта, мм

ширина абразивной ленты 120 мм

_21,95_

_22,29_

_22,52_

22,731_

ширина абразивной ленты 160 мм

_29,26_

_29,72_

30,23_

30,305

Для увеличения площади контакта абразивной ленты с проволокой необходимо изменять положение опорных роликов. Возможными являются следующие схемы изменения площади контакта абразивной ленты с проволокой: с одновременным перемещением двух роликов (натяжного и ведомого ролика) и с перемещением только ве-

'||>м-1И'. ролика по тгюльиенлой направляющей. Изменение угла охвата за счет переме-

. . \ ....... ■ еел i'viüeci ьениын целостат сж, который заключается В сложно-

I i ы проволокой елел\ел за счет

проволоки

Реализация схемы (рис. 5) с перемещением ведомого ролика и установленным на планшайбу опорным ножом позволяет увеличить угол охвата, что в свою очередь увеличивает площадь контакта между абразивной лентой и обрабатываемой заготовки и уменьшает прогиб обрабатываемой проволоки, вследствие чего повышается качество шлифованной поверхности.

Для расчета силовых зависимостей принята схема (рис. 6), представляющая собой передачу с натяжным роликом, который, воздействуя на ведомую ветвь передачи, обеспечивает сохранение полезного напряжения.

Для выявления степени влияния различных параметров на величину сипы резания Ру были проведены исследования, результаты которых сведены в табл. 2.

Таблица 2 - Зависимость силы Ру от величины силы прижима натяжного ролика Рн (проволока ШХ15, Ул = 18 м/с, 8пр = 4 м/мин, шлифовальная лента 14А 40-ПСА _ГОСТ 27181-86) ___

Рн, Н 50 60 70 80 90 100

dn = 4 мм Ру, Н 26,1 31,2 36,4 41,6 46,8 52,1

dn = 5 мм Ру, Н 26,3 31,5 36,7 41,9 47,2 52,5

Рисунок 6 - Расчетная схема устройства ротационного ленточного охватывающего шлифования: 1 - ведущий ролик; 2 - натяжной ролик; 3 - ведомый ролик

Для определения тангенциальной составляющей силы резания Ръ и влияние на ее величину таких параметров как радиальная сила прижима, скорость ленты и размер зерен (зернистость) был проведен эксперимент, матрица планирования которого представлена в табл. 3.

Таблица 3 — Матрица планирования эксперимента

№ опыта хо XI (Ру, Н) Х2 (Ул, м/с) хз (Хн, мкм) У

У 1п у

1 + + + + 21,68 3,076

2 + - + + 14,56 2,678

3 + + - + 21,06 3,047

4 + - - + 14,14 2,649

5 + + + - 9,05 2,203

6 + - + - 6,08 1,805

7 + + - - 8,78 2,172

8 + - - - 5,9 1,775

9 + 0 0 0 11,35 2,429

10 + 0 0 0 11,3 2,425

11 + 0 0 0 11,28 2,423

В результате математического моделирования получена зависимость:

Рг = 6,59 • 10~2 • Ру0'75 ■ Ул0'18 • Хн0'63 Данная зависимость показывает, что наибольшее влияние на величину силы резания Рг оказывают радиальная сила и размер зерна абразивного инструмента.

Чтобы проволока в процессе нагружения от сил резания имела минимальный прогиб, обеспечивающий равномерный прижим ленты к заготовке в процессе шлифования, прикладываем к проволоке силы растяжения Рх вдоль оси проволоки (рис. 7). В данном случае нагружение заготовки растягивающей силой эквивалентно появлению дополнительной связи, обеспечивающей более жесткое крепление.

в

Рисунок 7 - Схема приложения растягивающего усилия при обработке бунтовой проволоки одной абразивной лентой

Для определения величины минимального прогиба проволоки при шлифовании абразивной лентой решаем уравнение потенциальной энергии деформации при изгибе и растяжении:

1 1 р 1

W = - EI J(fn")2 dx + — J(fn')2 dx - Py • fn(x), 2 0 2 0

где E — модуль упругости, МПа; I = к -d4 /64 « 0,05d4 - момент инерции, кг м2; Ру — сила резания, вызывающая прогиб проволоки, Н; 1 - расстояние между опорами, м; fn', fn" - первая и вторая производные прогиба fn(x); х - координата перемещения

инструмента, м; Рх-сила растяжения. Н (рис. 7).

В iv'tw'h.tате решения чааачн mvtc.m использования вариационного метола Лагрн-

I > «.VII. ------ГПП11.1 M.iKVtt.MiL'lblllUV прогиба от приложенных

¡л и \a;i.iKi с риса и к ойрабнч ываемого материала:

И>1. ППСДСи

fnn..14=Pvl3/|"n2('-17т"FТ . ! не. N.

fn (мм)

1.0 0.8 0,6 0Л 0.2

Рн = Рн =

300 320 340 360 380 400

fn (мм)

a)

Px (H)

I »70 №0 1210 1280 1350 6)

Px (H)

fn (mm)

Ph =14,2 H PH =10,2 H

300 320 340 360 380 400

Px(H)

fn (mm)

Ph =14,2 H Ph =10,2 H

I 1070 1140 1210 1280 1350 px (H) r)

Рисунок 8 - Графики прогибов проволоки диаметром 1,41 мм из стали 51ХФА в зависимости от состояния обрабатываемого материала и действующих сил: при двух лентах шириной по 120 мм: а - незакаленной стали, б - закаленной стали; при одной ленте шириной 160 мм: в - незакаленной стали, г - закаленной стали

Установлено, при прогибе проволоки менее 0,05 мм обеспечиваются наиболее благоприятные условия процесса резания и наивысшая стойкость абразивной ленты при прочих равных условиях. Использование схемы шлифования с двумя абразивными лентами (см. рис. 9) при приложении силы растяжения 1350Н для проволоки диаметром 1,41 мм из стали 51ХФА обеспечивает величину прогиба проволоки менее 0,05 мм при натяжении ленты 10,2 Н.

А /гГ.м-, i 1 г'ьт 1 Щ в Рх

/?, ...........................в, 5 тттт | | 1 i 1 1 1 В!

Рисунок 9 - Схема приложения растягивающего усилия при обработке бунтовой проволоки двумя абразивными лентами

В третьей главе приводятся результаты исследования динамики устройства ротационного ленточного охватывающего шлифования.

Известно, что вибрации являются существенным фактором снижения производительности и качества шлифования. При шлифовании взаимодействие колеблющегося абразивного зерна с обрабатываемой поверхностью в значительной мере определяет производительность сглаживания неровностей.

Процесс ленточного шлифования остается одним из самых сложных с точки зрения моделирования состояния режущего инструмента в процессе обработки и прогнозирования качества обработанной поверхности. Это вызвано случайным расположением абразивных зерен на поверхности инструмента, вибрацией абразивных зерен и упругим отжатием зерен в процессе обработки, при этом упругие перемещения абразивных зерен в значительной мере определяют устойчивость динамической системы станка.

Расчетная схема привода движения абразивной ленты устройства ротационного ленточного охватывающего шлифования и силы, возникающие в ветвях шлифовальной ленты устройства приведены на рис. 10.

ротационного ленточного охватывающего шлифования и схема сил: 1 — ведущий ролик, 2 — натяжной ролик, 3 - ведомый ролик

Для нормальной работы ленточных шлифовальных устройств, обрабатывающих изделия свободной ветвью, необходимо обеспечить предварительное натяжение шлифовальной ленты. На проволоку действует сила прижатия ленты, которая называ-

ется радиальной составляющей силы резания Ру.

Силы натяжения в ветвях ленты определяются по следующим зависимостям:

» 5

83_2=81_2=82_1=^|^ + ЧУг2В

где я - погонная масса единицы ширины ленты, кг/м2; В - ширина ленты, м; р, аь а2, а3 - углы охвата лентой роликов, град; f - коэффициент трения между лентой и роликом.

Для исследования динамики процесса использованы уравнения Ляграттжа II рода:

I» 00.)0>иС1>Н|»\ киО|~,Ц|1М1 Ы.Л'р.ШЫ \ ЮЛ ИОЬирОШ ведущею ролика Ц1 = О

и проскальзывание ленты относительно ведущего ролика q2 = 3.

Выражение для кинетической энергии системы имеет вид:

Т = Т,+Т2+Т3,

где Т1 - кинетическая энергия планшайбы, Дж; Т2 - кинетическая энергия роликов, Дж; Т3 - кинетическая энергия шлифовальной ленты, Дж.

Массой ленты можно пренебречь по сравнению с массами остальных элементов системы, поэтому Т3 = 0.

= ^(ф + е)2 | Ог+ьХф + ё-а/г)2 | К+п^+тзХфК)2 (2)

1 2 ' 2 2 2 2 где 12,13 — момент инерции ведущего, натяжного и ведомого роликов соответственно, кг-м2; 0 - угловая скорость ведущего ролика, рад/с; * - скорость проскальзывания ленты, м/с; г - радиус ролика, м; Ш1 т2, т3 - массы ведущего, натяжного и ведомого роликов соответственно, кг; Я — радиус планшайбы, м.

Для исследования колебаний упростим выражение (2), применив метод обращения движения, остановив мысленно планшайбу, тогда обрабатываемая проволока будет вращаться вокруг собственной оси с угловой скоростью равной угловой скорости переносного движения: - <ве = -ф. В системе остается 2 степени свободы и 2 обобщенные координаты Я2 = 0, Чз = 5. При условии - сое = -ф получаем:

- для обобщенной координаты 9:

^=110 + (12+1з){0-5/г),1^] = 11ё + (12 + 1з)(в-37г),^ = О; (3)

- для обобщенной координаты б:

ЧТ_ (12+1з)(ё-§/г) аГспЛ_(12+1з)(з/г-ё) ат_0 (4)

с1Б Г (И^Б) г с^

При решении уравнений (3) и (4) выявлено, что для обеспечения равномерного

движения ленты с учетом проскальзывания необходимо, чтобы натяжной и ведомый ролики имели меньшую массу » 12 + 1з).

Так как шлифовальная лента является упругой, то на модели ее можно заменить пружиной с жесткостью сл (рис. 10). Потенциальная энергия деформированной пружины:

П = сл(А.дин - в)2 /2 -слА.ст /2, где , Хдин - соответственно статическая и динамическая деформация ленты под

действием возникающих сил, м; сл — жесткость ленты, Н/м.

Для исследования колебаний составляем систему двух дифференциальных уравнений второго порядка, описывающих движения шлифовальной ленты:

"1,ё + (12 + 13)(ё - §/г) = Мда1 - Рг • г. (5)

о, 13)(з/г - ё)=_(_Сд _ 3)); Р2 -г

Решение системы уравнений (5) имеет вид кусочно-заданной функции, описывающей автоколебания ленты за счет сил трения и сил упругого скольжения:

в = еР^Бн^оЛ + а^-^ц —,при> Ё<5-10"4 м/с, £ = ^ц(1-кБ);

сл

N -4

в = сЦ б^и^ + аК )-Гск-, при ¿>5-10 м/с, Г = ГСК;

' сл

где ё, ё, — амплитуда собственных колебаний ленты на разных этапах движения, м; (О, СО] — циклическая частота колебаний ленты, рад/с; Гсц , — коэффициенты трения сцепления и скольжения соответственно; ак — начальная фаза колебаний, р — показатель степени.

Решение системы дифференциальных уравнений позволяет установить режимы работы установки, при которых наблюдаются устойчивые автоколебания, частоту и амплитуду этих колебаний. Графики колебательного процесса приведены на рис. 11.

0.001 S 0.001 s Продольны* колебания ленты

18

I • \ X

0,002 0,00-^.006 0,008 0,01 /<¿012 0,014 0,016 О.С

о -0.001 -0,0315

время t, с

Скорость скольжения, мГс

Рисунок 11 - Продольные колебания ленты в течение полного периода

Установлено, что первая фаза скольжения с переменным коэффициентом сопротивления носит непериодический характер. Это происходит в том случае, если увеличить силу натяжения ленты за счет натяжного ролика до величины Рн > 55 Н или увеличить значение коэффициентов и за счет использования шероховатостей поверхности роликов. Установлено, что при работе устройства коэффициент трения сцепления находится в диапазоне = 0,5-Ю,6, а коэффициент трения скольжения ^ = 0,3-0,4.

Частота вынужденных колебаний ленты достаточно близка к частоте собственных

колебаний системы. Шлифование при скоростях 22-^-23 м/с будет происходить в условиях резонанса упругих продольных колебаний ленты. За счет диссипативных свойств основы и связки ленты значительного увеличения амплитуды колебаний, приводящего к разрыву ленты, не произойдет. Однако следует учитывать, что резонансный режим работы приведет к возникновению звуковых колебаний. Для обеспечения производительности установки, достаточной для промышленных масштабов, рекомендуется скоростной диапазон 17-К20 м/с.

Практический интерес представляет изучение особенностей в упругих колебаниях ленты при действии колебаний со стороны роликов. Опасным может оказаться сложение двух видов колебаний - собственных свободных колебаний упругой ленты и вынужденных колебаний ленты под действием радиального биения опорных роликов лентопротяжного механизма. При незначительном отклонении в циклических частот:™ ' '...... пр.чпч'с. называемый биением. Для

. • "■ ра".............. •!.!•>• Л«*

.и 14,1К ОИч-ЮНСППС О !СОМС}рИ4С-

!'М!1> I' ■ ! рсч\-;п.тате суммарных отклонений

р.............¡ЧМИМ1 iiMvH.il М.;К-

ч..чаи.1ич- II!.: 1С11ИС ¡1.....алынни Сшсмия И пределах ус1 ШШВ.ТСННОГО допуска. При этом

отк : нсиия 1 асноложсиы шким образом, чю происходит максимально возможное удлинение ленты.

торая изменяется по гармоничному закону с частотой вращения роликов <вг = — (Ул

- скорость ленты, м/с; г - радиус роликов, м):

Рупр =-сл^АЬ8тсог1 = -2с5(72 + со8Р)зт(шг1 + §), (6)

где сл - жесткость ленты, Н/м; ^ - начальная фаза, рад.

С учетом возмущающей силы Рупр (6) решаем дифференциальное уравнение движения:

§ + слЬ8 = -^„а - 2слЬ5(л/2 + сояР) • 81п(озгг + £,) 19

где a, b - промежуточные коэффициенты.

В результате решения получаем выражение для амплитуды вынужденных колебаний ленты:

. , 2c„bS(V2 + cosP)

" ~ 2 2 fflf - СО,

Общее решение имеет вид:

, . , ч 2Cj]b8(V2+cosp) . , s = d1sin(co1t + a1) + g1---—г-j——sin((Brt + 5)

При вынужденных колебаниях могут возникнуть опасные явления, называемые биениями. Они наблюдаются при частоте вынужденных колебаний юг примерно равных частоте собственных колебаний СО]. При рабочих скоростях ленты Ул = 15-^22 м/с частота вынужденных колебаний равна cor= 250-=-370 рад/с при cl>i = 385 рад/с.

При жесткости ленты с, = 450кН/м, b = 0,33 /„, (3 = 15°, получаем:

|h| = (8,2 -62,4)5, м.

После преобразований, при равенстве частот вынужденных колебаний ленты сог и собственных колебаний ленты соь получаем выражение для биения в виде:

2h . Гю, - шг Л , ,

s = —=-j • sin —-- • t • cos(cort +1,)

cof - cof У 2 J

По результатам расчета построены графики биений ленты, возникающих при неточности изготовления и монтажа роликов, пример при сог =280 рад/с, Ул =17 м/с, h=10,12-S приведен на рис. 13.

Биения

Смещение s, мм <Ь

/ff\ j | 1

0.001 J х( ¿lU¡ Üülfí V i/li

/lili i ' ] ! !!

i;'«-! ! 1! — 1 МНОЖ 55 ........s

lililí

% '1

i¡§jj I F M ?

' И ЦП' ni 1

-0.002

Время t, с

Рисунок 13 - График биений ленты, возникающих при неточности изготовления и монтажа роликов при сог =280 рад/с, Ул =17 м/с, Ь=10,128

Анализируя графики биений ленты, установлено, что при величине радиального биения роликов 8 = 0,2 мм, амплитуда биений ленты не превышает 0,0025 мм. При различных сочетаниях рабочих режимов и погрешностей изготовления вынужденные колебания не оказывают существенного влияния на рабочий процесс ленточного шлифования.

Абразивный слой шлифовальной ленты в отличие от шлифовальных кругов обладает существенными эластичными свойствами. При контакте абразивных зерен с обрабатываемым материалом происходят упругие деформации в виде поворота и вдавливания абразивного зерна в связку ленты. После выхода зерна из зоны контакта происходит восстановление (возврат) в исходное состояние. Однако при определенных условиях возникающие колебания зерен могут оказать влияние на протекание про-

цесса ленточного шлифования. Поэтому значительный интерес представляет исследование поведения абразивного слоя ленты с учетом упругих свойств связки.

Перемещение зерна определяется 2-мя обобщенными координатами (рис. 14): х -смещение зерна от положения равновесия под действием силы нормального давления

N0; а3 пР - угол поворота оси зерна под действием силы резания Р.

рез ■

.¡и .и.и>1.сш1я:

Г \ ( ч' ^

е ■ -1 1-е' '

1 > \ 7

•^З.пр + СааЗ.Пр , V П /

е ' - 1 + чВУ

е ' -1

1-е

1-е

—в-.Ь, ^а <2Р>

где ш, I - масса и момент инерции зерна; ссв, са - линейная и угловая жесткость связки, (гр)- среднее число зерен на площади контакта ленты.

После преобразований и перевода к уравнениям гармонических колебаний получа-

ем:

§1_ЧВУ2

<2р>Ш

V

49

+ Азш(со1 + ф)

(7)

аз.пр = Р'^-

к,г

£¿1

Ч

к]1 я 2 + 4

I

з(кл)—^•со^клИ-^—чЛ + А^п^кЛ + ф)

4 1 ; к1 4 1 ' ОссЦк,^ 1

»■I' к

V \ 1 К1

где А! - амплитуда собственных угловых колебаний зерна, рад; ср - начальная фаза собственных угловых колебаний, рад; Г; - промежуточный коэффициент.

В результате решения уравнений (7) были построены графики линейных и угловых колебаний зерна в зависимости от технологических параметров обработки, примеры приведены на рис. 15, 16.

Рисунок 15 - Графики линейных и угловых колебаний зерна абразивной ленты: материал зерен электрокорунд, зернистость абразивной ленты 40Н, скорость ленты 18 м/с

Рисунок 16 - Графики линейных и угловых колебаний зерна в зависимости от радиуса проволоки при следующих параметрах: скорость шлифовальной ленты 18 м/с, усилие натяжения 50 Н, материал зерен электрокорунд, зернистость абразивной ленты 40 Н, радиус

проволоки 0,0025 м

В результате проведенных исследований поведения абразивного слоя ленты с учетом упругих свойств связки установлено:

при увеличении силы натяжения ленты больше 90 Н, при неизменных прочих условиях, значительно увеличивается амплитуда линейных и угловых колебаний зерна. При больших значениях натяжения ленты происходит выкрашивание абразивных зерен. Внедрение зерен в обрабатываемый материал проволоки достигает максимального значения, что сказывается на увеличении величины шероховатости. Для увеличения производительности процесса шлифования рекомендуется принять следующее сочетание рациональных режимов работы устройства, которые обеспечивают достаточно высокую производительность, сочетающуюся с большой стойкостью ленты: Ул = 17-20 м/с, Рн= 50-70 Н;

частота собственных колебаний зерна зависит от размеров зерна и жесткости связки ленты. При работе рассматриваемого устройства характерны мягкие режимы обработки (финишные операции), поэтому удельные натяжения в ленте, приходящиеся на единицу ширины в ленте имеют значения 0,7 кН/м. Частота собственных колебаний зерна составляет 140-250 кГц для зернистости 40Н (электрокорунд) до 600-800 кГц для зернистости 5М (алмаз). Резонансных явлений не наблюдается;

частота вынужденных колебаний со, определяется скоростью ленты, радиусом огибания проволоки и коэффициентом шлифования р. При исследуемых режимах (Ул = 18 м/с, г = 0,0005-0,0025 м, р = 0,7) получены значения со = 5,040-36,2 кГц;

амплитуды и частоты линейных и угловых колебаний зерна не зависят от размеров проволоки. Для проволоки диаметром 2-4 мм необходимо выбирать «мягкие» режимы резания с уменьшением силы натяжения натяжного ролика до значения Рн = 40-50 Н;

угловые колебания зерен оказывает положительное влияние на качество обрабатываемой поверхности. Вследствие этих колебаний различные участки рабочей поверхности зерен участвуют в работе, что способствует самоочистке и самозатачива-

нию зерен. Однако, указанный положительный эффект наблюдается при амплитуде угловых колебаний не превышающих 40-^50°. При больших значениях углов поворота зерен происходит разрушение связки, и зерна вырывает с поверхности шлифовальной ленты.

В четвертой главе приведены результаты исследований тепловых явлений и их роли в обеспечении требуемого качества изделия. Выполнено математическое моделирование тепловых явлений в зоне резания при обработке бунтовой проволоки на устройстве ротационного ленточного охватывающего шлифования с увеличенной площадью контакта, на основе которого установлены закономерности распределения температуры в теле заготовки.

Особенностью ротационного ленточного охватывающего шлифования абразивной лентой является увеличенная площадь контакта инструмента и обрабатываемой детали, ограниченная шириной ленты и углом охвата лентой обрабатываемой заготовки (рис. 17).

Рисунок 17 - Бесконечный цилиндр с полосовым источником, движущимся по поверхности

При теоретическом исследовании тепловых явлений при ротационном ленточном охватывающем шлифовании использован численный метод контрольных объемов. При использовании данного метода расчетная область разбивается на подобласти (рис. 18) таким образом, что в каждой из подобластей, называемых контрольными объемами, располагается одна узловая точка.

Рисунок 18 - Сетка и контрольный объем в цилиндрических координатах

Уравнение теплового баланса для источника, движущегося по бесконечному цилиндру, может быть определено из следующей зависимости:

ГГГ'+ГЛЧТ, _ , , ,+,А'Гё2Т, 1 сПТ, 1 с12Т( ё2Т, , , , .

су —к<ж1гс1фс1г = А. —^ +---1 + --^ + —т- + (ЫфсЬсИ

Л ^ ёг2 г 6г г2 с1ср2 дг2 с!ф

Функция распределения температурного поля зависит от трех пространственных координат: угла, длины радиус-вектора и положения по оси т., а также и от временного фактора. Дискретный аналог получен путем интегрирования уравнения теплового баланса (8) при отсутствии внутренних источников теплоты по контрольному объему и временному интервалу от I до (при интегрировании использовано предположение о том, что значение температуры в узловой точке распространено на весь контрольный объем):

Т.,. = [Т,°г ЛгЛ/'Гту» + Т,°» ЛгЛ7./(г„•(»+ Т,°„ г„Д(|)Дт/8г + Т,°5 г5ДфДг/Зг + + Т,"т Дг • г^ф/о/.1,'в Дг ■ гьДф/Ог + • ' V 'Д! - ДгДг/ОуКф) - ДгДг/(гв.-5<р) -- г„Д(рДг/?г - !\Л(1Д7./Яг- Дгт,Дф/Зг - Лгтг V ?/.) I,"] ••' ¡ДгД/Лг(-йф) + • -г Л: ■ г- 'л/, + Дг ■ ГьДф/& + С\У/. ■ Д V ',М] .

• • ' ■ ';"!'Ч1.'ший темпгг:!!)ртчо поля

■ ■ 'I :.'11.10

\'!".Ы

. ) ' . 1 V "

, ■ 1 ч\ -Iьтатам

Рисунок 19 - Результаты расчета температуры в обрабатываемой заготовке в зоне резания: а) развертка по угловой координате ф=0^27г; б) развертка по линейной координате г=0-Ю,32 м (ёпр = 5 мм, Ул = 20 м/с, Бпр= 4м/мин, т=15 сек)

Исследование тепловых явлений при ротационном ленточном охватывающем шлифовании позволило выявить наличие двух периодов температурного режима процесса обработки. Первый (начальный) - неустановившийся, второй (стационарный) -постоянный по времени. Температурный режим процесса стабилизируется через 10-И5 секунд после начала обработки. Максимальная температура развивается у заднего по оси проволоки края источника, достигая на поверхности проволоки диаметром 5 мм значений в диапазоне 110-125 °С. Установлено, что участок проволоки, находящийся перед передним краем источника, не успевает нагреваться, так как скорость распространения теплоты в осевом направлении ниже скорости движения ис-

точника, что подтверждает справедливость использования критерия Пекле, для определения скорости распространения теплоты.

Экспериментальные исследования теплонапряженности процесса ротационного ленточного охватывающего шлифования, выполненные с помощью заделанной термопары в шлифуемую проволоку, подтвердили правильность полученных теоретических зависимостей.

В пятой главе рассмотрены особенности взаимодействия абразивного зерна с обрабатываемой поверхностью и приведены результаты исследований устойчивости абразивной ленты устройства ротационного ленточного охватывающего шлифования.

При охватывающем ленточном шлифовании в зоне обработки под действием сил определенный участок ленты деформируется (рис. 20), увлекая абразивные зерна, которые в определенных пределах отклоняются по вертикали и горизонтали под действием силовых факторов. При выходе ленты из контакта с обрабатываемой поверхностью зерна занимают исходное положение. Подобное смещение абразивных зерен способствует увеличению их числа в зоне резания и, как следствие, приводит к снижению нагрузки на единичное абразивное зерно.

Рисунок 20 - Схема взаимодействия зерен при ленточном охватывающем шлифовании: 1 - тканевое основание; 2 - абразивное зерно; 3 - связка; гпр - радиус обрабатываемой проволоки; Ул - скорость ленты; Ртр.з - сила трения между зернами; Рсж.з -

сила сжатия зерен

При наличии упругого тканевого основания и эластичной клеевой связки смещение зерен в процессе шлифования независимы относительно друг друга, и поэтому в резании участвуют зерна с различными геометрическими параметрами.

Наибольшее влияние на работоспособность абразивного инструмента оказывают абразивные зерна, поэтому важнейшей характеристикой абразивного инструмента является количество режущих зерен на единице рабочей поверхности ленты. Знание этой характеристики необходимо, чтобы правильно представлять размер среза, осуществляемого одним зерном, а отсюда - возможность определения, приходящейся на одно зерно нагрузки, от которой зависит стойкость и работоспособность абразивного инструмента.

Зная такие параметры как размер зерна абразивного инструмента, траекторию движения и длину линии контакта зерна можно представить схему образования поверхности при ротационном ленточном охватывающем шлифовании (рис. 21).

1

2 3

Рисх'нок 21 - Схема резания при упругом отжатии зерна при ленточном охватываю-

м 1 ...и:: ; :; ¡'.ч. 'рчпесть: 2 - абразивное зерно

IV. п 1 :<о ! 31.5 36.7 -П.у 47 1 52.5

Г. 11 2.66 3.08 3,45 3,78 4,1 4,42

Z0. шт 0.303 0,314 0,326 0,340 0,353 0,365

шт 19,774 20,455 21,275 22,169 23,024 23,756

На основании полученных данных установлена зависимость, силы действующей

на единичное абразивное зерно:

р- =__

-РУ-)-2,5

( 1 е 0,2-Хн 0,2-Хн-Со-Рк )-Рк

л-Хн2

где Хн - размер зерна, мм; Ьф - фактическая глубина резания, мм.

Сравнивая величину действующей силы с критической нагрузкой, соответствующей началу выкрашивания зерна, можно установить оптимальные значения силы резания, обеспечивающей работу абразивных зерен ленты с наименьшими удельными нагрузками Р'< [Р'в], обеспечивающими оптимальные условия резания и наивысшую

стойкость инструмента.

Требуемая величина силы резания создается за счет натяжения абразивной ленты, однако при увеличении натяжения ленты клеевая связка, обладающая эластичными свойствами, растягивается вместе с тканевой основой, при достижении критического значения на клеевой связке начинают появляться трещины, разбивающие абразивный слой ленты на отдельные блоки. При ротационном ленточном шлифовании бунтовой проволоки величины натяжения ленты находятся в диапазоне 60-80 Н, при этом разрушения клеевой связки ленты не происходит. Приработка ленты при ротационном ленточном охватывающем шлифовании на средних режимах происходит в пределах 10

минут, процесс резания протекает в условиях наименьшего износа абразивных зерен и засаливания абразивной ленты.

Нарушение поперечной устойчивости движения ленты происходит за счет возмущающих сил, которые возникают из-за колебаний в силе резания, отклонения от параллельности осей роликов лентопротяжных механизмов, набегания шва на рабочую поверхность ролика, периодических ударов места склейки и т. д. Действие возмущающих сил проявляется в осциллирующих перемещениях ленты по образующим роликов в осевом направлении. Для обеспечения наилучшей устойчивости шлифовальной ленты в зоне контакта с поверхностью опорного ролика во время обработки под действием сил резания проведены исследования оптимальных профилей опорных роликов устройства. На рис. 22, 23 приведены графики силовых зависимостей полученные при оценке профилей роликов.

Рисунок 22 - График зависимости уравно- Рисунок 23 - Зависимость силы, провешивающей силы от радиуса кривизны и на- тиводействующей силе резания грузки на ролик при ширине ленты 160 мм от угла наклона натяжного ролика

Для обеспечения наилучшей устойчивости шлифовальной ленты в зоне контакта ленты с поверхностями роликов во время обработки от действующих сил приняты для натяжного ролика цилиндрический профиль, а для ведущего ролика - бочкообразный.

В шестой главе приведена оптимизация параметров процесса обработки бунтовой проволоки на устройстве ротационного ленточного охватывающего шлифования методом планирования и обработки результатов многофакторного эксперимента.

Исследования проводились при использовании абразивных лент У2П 14А по ГОСТ 27181-86 с размером зерна 10 и 40 мкм. Изучалось влияние следующих факторов: силы прижима натяжного ролика Рн, Н; скорость абразивной ленты Ул, м/с; продольная подача проволоки 8пр, м/мин. Определялись: съем металла в единицу времени мг/мин; стойкость абразивной ленты Тс, мин; шероховатость получаемой поверхности Яа, мкм.

Зависимости q = ("(Рн, Ул,8пр), Тс = ^Рн, Ул,8пр), Яа = £(Рн,Ул,8пр) был и аппроксимированы полиномом второй степени. Эксперимент проведен по программе центрального композиционного ротатабельного планирования второго порядка, состоящего из плана полного факторного эксперимента типа 23 (опыты 1-8), шести опытов в «звездных точках» (опыты 9-14) и шести опытов в центре плана (опыты 15-20). Принятые в исследовании уровни и интервалы варьирования факторов указаны в табл. 5.

Таблица 5 - Уровни и интервалы ва эьирования

Факторы Кодовое обозначение Интервалы варьирования Натуральные уровни факторов, соответствующие кодированным

нижний «-1» основной «0» верхний «+1»

Рн - сила прижима натяжного ролика, Н X] 10 60 70 80

Ул - скорость ленты, м/с Х2 2 16 18 20

8пр - скорость продольной подачи, м/мин Хз 1 2 3 4

В результате ротатабельного планирования второго порядка получены уравнения

регрессии для УТс , Уч , У Ка :

х . • - | „-V 1 ■ \ • : 1 ■ V - - О,У-2 -х, + 1.104 . у* +

1rs ■ X I X , + .

: _ • х ; + 8,37 ■ \

+ 0,0403 -х[+ 0,0084 -х|+ 0,0065 ■

После канонического преобразования уравнений регрессии построены контурные кривые поверхностей отклика в пакете Microsoft Excel, используя уравнение эллипса в параметрическом виде (рис. 24).

Ул, м/с 164 160 152

60

-4-

70

—н

80

Рн, H

Рисунок 24 - Сечение поверхностей откликов у ус, уч, у Ка при Х3 =1 (Бпр - 4 м/мин):

— съем материала, мгр/мин;

........ стойкость абразивной ленты, мин;

--- шероховатость поверхности, мкм.

Разработанная методика (Свидетельство №2007613532) решения задачи оптимизации процесса ротационного ленточного охватывающего шлифования бунтовой проволоки позволила определить оптимальные режимы обработки в зависимости от заданных факторов и определяемых параметров шлифования:

- с увеличением силы прижима натяжного ролика с 50 Н до 90 Н шероховатость обработанной поверхности увеличивается с 0,95 до 1,32 мкм, соответственно;

- с увеличением скорости абразивной ленты заметно уменьшается шероховатость обрабатываемой поверхности. Увеличение же скорости движения абразивной ленты до 22 м/с, при неизменной подаче и размере зерен ленты, приводит к снижению уровня шероховатости соответственно с 1,08 до 0,844 мкм. Оптимальными величинами, определяющими низкую шероховатость поверхности и высокую производительность, для скорости ленты является диапазон Ул = 17+20 м/с;

- производительность процесса обработки и качество получаемой поверхности во многом определяются скоростью продольной подачи проволоки при неизменных остальных параметрах. Рекомендуемый диапазон скорости продольной подачи впр = 9,6+34,7 м/мин.

В результате проведенных исследований установлено, что ротационное ленточное шлифование бунтовой проволоки позволяет получать высокое качество поверхностного слоя обработанной проволоки.

В седьмой главе приведены экспериментальные исследования основных показателей качества поверхности обработанной бунтовой проволоки и показателей процесса обработки на устройстве ротационного ленточного охватывающего шлифования.

Комплекс экспериментальных исследований выполнен на экспериментальном образце (рис. 25) устройства ротационного ленточного охватывающего шлифования в производственных условиях.

Рисунок 25 - Внешний вид экспериментальной установки устройства ротационного ленточного охватывающего шлифования

В результате проведенных экспериментов по влиянию параметров обработки на технологические показатели процесса были получены результаты, представленные в виде графиков (рис. 26).

Анализируя полученные данные, можно сделать следующие заключения, что с увеличением скорости резания и усилия натяжения абразивной ленты величина минутного съема материала возрастает, а стойкость абразивной ленты падает. С увеличением размера зерна шлифовальной ленты наблюдаются аналогичные закономерности, при этом коэффициент режущей способности увеличивается с 2,5 до 3,9 соответственно для зерен размером 10 и 40 мкм.

а)

б)

a) съем материала, м г/мин;

српчпнатость обработанной поверх-|нч"| и. я км:

b) стойкость абразивной ленты, мин

Критерием при разработке процесса механической обработки проволоки является высокое качество поверхности проволоки - отсутствие рисок, царапин, трещин, зади-ров, отсутствие термических трещин, прижогов и т. д. Исследование качественных показателей обработанной поверхности проволоки на устройстве ротационного ленточного охватывающего шлифования показало равномерность структуры микрошлифов и отсутствие поверхностных дефектов на обработанных поверхностях проволоки (рис. 27, 28).

Расчет температуры обработанной поверхности показал, что при съеме припуска 0,05-Ю,06 мм, скорости резания 18-^20 м/с и продольной подаче до 4 м/мин максимальная температура составляет 112 °С, что значительно ниже температуры начала структурных изменений.

Образец №3 (лента проработала 20 мин) Образец №5 (лента проработала 50 мин) Рисунок 27 - Результаты исследования круглости образцов проволоки

ШМШШтк

ШШШтшШШ

Образец №5 до травления, х 50 Образец №5 после травления, х 100

Рисунок 28 - Структура микрошлифов образцов (лента проработала 50 мин)

Восьмая глава посвящена разработке технологического оборудования ротационного ленточного охватывающего шлифования с увеличенным углом охвата абразивной ленты обрабатываемой поверхности бунтовой проволоки диаметром от 1,4 мм до 6 мм из бунта в бунт, обеспечивающего повышение качественных характеристик поверхностного слоя. Содержит описание конструкции новой технологической машины ротационного ленточного охватывающего шлифования, а также рекомендуемые параметры режимов шлифования при обработке бунтовой проволоки.

Устройство ротационного ленточного охватывающего шлифования рассмотрено как объект технологии и организации машиностроительного производства, при этом из множества характеристик качества машины выделена организационную пригодность, показывающая, насколько близко конструкция устройства учитывает требования существующей организации производства, подготовку кадров и возможности технического обслуживания. Анализируя условия работы и требования, предъявляемые к разрабатываемому устройству, выделено пять основных групп требований, предъявляемых к УРЛОШ - экономические, эксплуатационные, конструкторские, технологические и организационно-производственные. С учетом предъявленных требований сформулировано конкретизированное служебное назначение устройства ротационного ленточного охватывающего шлифования.

В процессе изготовления и испытания новых образцов технологических машин выявляется необходимость оценки, насколько правильно и удачно решены требования технологичности конструкции. Оценка производственной технологичности устройства ротационного ленточного охватывающего шлифовании выполнена по частным показателям. Применительно к устройству частные показатели существенно переработаны. Впервые введены новые значения показателей. Комплексный показатель технологичности устройства ротационного ленточного охватывающего шлифования составляет 0,76, что показывает высокий уровень технологичности устройства.

Предложена система автоматизированного расчета и отработки конструкции изделия на технологичность по частным показателям (Свидетельство №2010615652), включающая оценку качества объекта на ранних стадиях технологической подготовки производства. Разработанное программное обеспечение проверено при конструировании устройства ротационного ленточного охватывающего шлифования и отражает реальность процесса конструирования, и обладает универсальностью и позволяет вводить свои показатели технологичности для каждого нового разрабатываемого изделия.

Для раскрытия связей между сборочными единицами, деталями и технологическими модулями УРЛОШ разработана схема сборки (Устройство и фрагмент схемы сборки для привода ленты приведены на рис. 29, 30). Составление схемы сборки уст-

ройства ротационного ленточного охватывающего шлифования, основанной на модульном принципе построения, позволило на этапе проектирования изделия выбрать наиболее оптимальный вариант построения технологического процесса сборки.

привод ленты устройства с одной шлифовальной лентой; б - привод ленты устройства с двумя шлифовальными лентами; в - комплексная линия

Рисунок 30 - Схема сборки модуля привода ленты УРЛОШ

32

Таким образом, разработка экспериментального образца устройства и проведенные исследования процесса ротационного ленточного охватывающего шлифования бунтовой проволоки позволили установить особенности эксплуатации и требования, предъявляемые к промышленному устройству для шлифования и полирования наружных поверхностей тел вращения длинномерных изделий малого диаметра

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Решена научная проблема обоснования и создания оборудования и эффективной технологии для обработки бунтовой проволоки малого диаметра методом ротационного ленточного охватывающего шлифования с увеличенным углом охвата абразивным инструментом обрабатываемой заготовки. Полученные результаты позволили разработать промышленную технологию ротационного ленточного охватывающего шлифования и рекомендации по совершенствованию машин ротационного ленточного охватывающего шлифования, позволяюще значительно увеличить площадь контакта абразивного инструмента с обрабатываемой поверхностью заготовки, и могут быть использованы при выборе рациональных технических характеристик машин на этапе проектирования.

2. Разработана схема процесса обработки длинномерных нежестких заготовок на устройстве ротационного ленточного охватывающего шлифования, в которой выделяются основные подсистемы — кинематическая, динамическая и теплофизическая. Выделение подсистем процесса механической обработки и их моделирование позволило определить рациональные конструктивные, геометрические и кинематические параметры, а также обосновать рациональные технологические режимы обработки на устройстве ротационного ленточного охватывающего шлифования при обработке бунтовой проволоки диаметром от 1,4 до 6 мм.

3. Раскрыты закономерности процесса ротационного ленточного охватывающего шлифования с увеличенным углом охвата, позволяющие определить необходимый режим обработки для различных диаметров проволоки при обеспечении задаваемых качественных характеристик обрабатываемого материала, оптимальной работоспособности устройства и производительности процесса обработки. При этом установлено, что:

- наибольшее влияние на величину силы резания оказывают радиальная составляющая силы и размер зерна абразивного инструмента. Изменение силы натяжения ленты от 50 Н до 100 Н при постоянных наладочных параметрах устройства вызывает изменение удельного прижима ленты к обрабатываемой поверхности от 26 Н до 52 Н соответственно;

- для обеспечения равномерного съема металла в процессе шлифования и повышения качества поверхности необходимо, чтобы проволока в процессе нагружения от сил резания имела минимальный прогиб, который обеспечивается путем приложения силы растяжения по оси проволоки, что в данном случае эквивалентно появлению дополнительной связи, обеспечивающей более жесткое крепление. Установлено, что при прогибе проволоки менее 0,05 мм обеспечиваются наиболее благоприятные условия процесса резания и наивысшая стойкость абразивной ленты при прочих равных условиях. Установлено, что использование схемы шлифования с двумя абразивными лентами при приложении силы растяжения 1350 Н для проволоки диаметром 1,41 мм из стали 51ХФА обеспечивает величину прогиба проволоки менее 0,05 мм при вели-

чине силы натяжении ленты 10,2 Н.

4. Разработаны и запатентованы устройства для ротационного ленточного охватывающего шлифования, использующие одну и две абразивные ленты. При использовании схемы шлифования с двумя абразивными лентами обработка заготовки осуществляется в условиях двойного охватывающего контакта абразивными лентами, в данном случае погрешности, возникающие в продольном направлении вследствии деформации элементов технологической системы, значительно уменьшаются.

5. При исследовании динамики устройства ротационного ленточного охватывающего шлифования установлено, что:

- первая фаза скольжения с переменным коэффициентом сопротивления носит непериодический характер. Это происходит в том случае, если увеличить силу натяжения ленты за счет натяжного ролика до величины Рн > 55 Н или увеличить значение коэффициентов Гсц и Гск за счет использования шероховатостей поверхности роликов. Установлено, что при работе устройства коэффициент трения сцепления находится в липнпюис = 0.5+0.6. а коэффициент трения скольжения £„= 0.3+0,4.

.. . ¡.: :;л .-,.•.:,■;..а .• ■.:.'Г'..:.;:а о о;:релел--е;ея екороеп.ю ленты, ради} сом о: пСк.пгА ¡¡рожх'юки и нчоффршиппом шлифования. При исследуемых режимах ио-ллчены е::ел\'ьчцие значения о> = 5.04+36.2 кГц;

. ; ;■,. ..¡ц.,.. ■ : • : ' - рАн:: а:.'1-. и ча реп: постен изготовления опор-

].,.а |ч>..,:м-1. ыимукдоыыс коле~:;л;;я ис оказывают с\ щесшснного влия-

ния на рабочий процесс ленточного шлифования. Установлено, что при величине радиального биения опорных роликов устройства 8 = 0,2 мм амплитуда биений ленты не превышает 0,0025 мм;

- частота собственных колебаний зерна зависит от размеров зерна и жесткости связки. При работе рассматриваемого устройства характерны «мягкие» режимы обработки, удельные натяжения в ленте, приходящиеся на единицу ширины, имеют значения не более 0,7 кН/м. Частота собственных колебаний зерна изменяется в пределах 140+250 кГц для зернистости 40Н (электрокорунд), до 600+800 кГц для зернистости 5М (алмаз). Резонансных явлений в колебаниях зерна не наблюдается. Для лучшего закрепления зерен на рабочей поверхности шлифовальной ленты следует использовать упругие связующие материалы, которые способствуют уменьшению амплитуды линейных колебаний. При этом угловые колебания не должны превышать 40+50°;

6. Разработана методика и алгоритм исследований тепловых явлений в теле заготовки при ротационном ленточном охватывающем шлифовании с увеличенной площадью контакта (Свидетельство №2010614248). Моделирование тепловых процессов позволило установить оптимальное сочетание режимов обработки, при которых значение контактной температуры меньше температуры образования прижогов на шлифованной поверхности, получено экспериментальное подтверждение. При обработке бунтовой проволоки из стали марки 15X28 рекомендуется следующее сочетание - Ул = 17+20 м/с, Рн = 60+80Н. Максимальная температура развивается у заднего по оси проволоки края источника, достигая на поверхности проволоки диаметром 5 мм значений в 110+125 °С. Температурный режим процесса стабилизируется через 10+15 секунд после начала обработки. Установлено, что участок проволоки, находящийся перед передним краем источника, не успевает нагреваться, так как скорость распространения теплоты в осевом направлении ниже скорости движения проволоки, что подтверждает справедливость использования критерия Пекле, для определения скорости распространения теплоты.

7. Разработан новый метод и алгоритм оценки работоспособности абразивной лен-

ты устройства ротационного ленточного охватывающего шлифования с учетом упругого смещения зерна. При исследовании установлено:

- работоспособность абразивной ленты устройства ротационного ленточного охватывающего шлифования зависит от количества режущих абразивных зерен и величины силы натяжения ленты, определяющей нагрузку на единичное абразивное зерно. Процесс резания протекает в условиях наименьшего износа абразивных зерен и засаливания абразивной ленты при величине силы натяжении ленты в диапазоне 6СИ-80 Н. Увеличение количества режущих абразивных зерен при ротационном ленточном охватывающем шлифовании обеспечивается путем увеличения ширины шлифования и увеличения длины дуги контакта инструмента с обрабатываемой поверхностью;

- приработка ленты при ротационном ленточном охватывающем шлифовании происходит в пределах 10 минут;

- поперечная устойчивость шлифовальной ленты в зоне контакта ленты с поверхностями опорных роликов во время обработки обеспечивается при следующем сочетании профилей опорных роликов: для натяжного — цилиндрический, для ведущего— бочкообразный профиль.

8. Разработана методика оптимизации параметров процесса обработки бунтовой проволоки при ротационном ленточном охватывающем шлифовании методом планирования и обработки результатов многофакторного эксперимента (Свидетельство №2007613532), позволяющая обосновать необходимые технологические параметры процесса, обеспечивающие заданные эксплуатационные характеристики деталей. Шероховатость поверхности, стойкость абразивной ленты и производительность процесса шлифования определяется правильным выбором характеристик абразивного материала и режимов обработки. Установлено, что на характеристики процесса обработки при ротационном ленточном охватывающем шлифовании наибольшее влияние оказывает скорость шлифования, сила натяжения ленты, подача заготовки и характеристики шлифовальной ленты:

- с увеличением скорости ленты, продольной подачи проволоки, силы натяжения ленты и увеличением номера зернистости абразивной ленты величина минутного съема материала возрастает, но одновременно увеличивается износ ленты и ухудшается шероховатость поверхности. Период работы абразивной ленты, обеспечивающий стабильный съем материала в процессе шлифования, составляет 120-430 мин при приложении силы натяжения в диапазоне 60+80 Н;

- чем меньше зернистость ленты и выше скорость ленты, тем ниже будет высота шероховатости обработанной поверхности. С увеличением силы прижима с 50 Н до 90 Н шероховатость обработанной поверхности увеличивается с 0,95 до 1,32 мкм, соответственно. Увеличение же скорости движения абразивной ленты до 22 м/с при неизменной подаче и зернистости приводит к некоторому общему снижению уровня шероховатости соответственно с 1,08 до 0,844 мкм. При уменьшении зернистости ленты также наблюдается тенденция уменьшения общего уровня шероховатости;

- производительность процесса обработки и качество получаемой поверхности во многом определяются скоростью продольной подачи проволоки при неизменных остальных параметрах. Рекомендуемый диапазон скорости продольной подачи 8пр = 9,6-=-34,7 м/мин при этом для обеспечения формообразования поверхности частота вращения планшайбы устройства изменяется от 90 до 200 об/мин;

- оптимальными величинами, определяющими высокую производительность и чистоту поверхности, является следующее сочетание режимов резания - Ул = 17+20 м/с, Рн = 60-80Н.

9. Разработана схема сборки устройства ротационного ленточного охватывающего шлифования, основанная на модульном принципе построения, которая позволяет на этапе проектирования изделия выбрать наиболее оптимальный вариант построения технологического процесса сборки. Для повышения технологичности сборки устройства ротационного ленточного охватывающего шлифования выбрана независимая параллельная сборка основных модулей устройства.

10. Впервые предложена система автоматизированного расчета и отработки конструкции изделия на технологичность (Свидетельство №2010615652), включающая оценку качества объекта, которая может успешно применяться на практике для расчета производственной технологичности и оценки качества новых разрабатываемых станков, для которых на ранних сиднях технологической подготовки производства оценка уровня технологичности по основным показателям стандарта зспрумнительна ввиду неполноты информации, ano дополнительным ограничена, т. к. .vip.»t..^-i ю п,-ко конструктивные элементы. Оценка производственной технологичности УРЛОШ выполнена по частным показателям, при этом комплексный показатель технологичности УРЛОШ равняется 0,76, что отражает высокий уровень предлагаемой конструкции устройства.

11. Выполнен комплекс экспериментальных работ:

- усыновлена зависимость стойкости абразивной ленты и съема материала от режимов обработки;

- исследованы качественные показатели обработанной поверхности проволоки;

- исследована зависимость температуры на поверхности обрабатываемой заготовки.

Указанные экспериментальные исследования подтвердили адекватность и эффективность разработанных моделей ротационного ленточного охватывающего шлифования.

12. Научные и практические результаты работы внедрены в практику проектирования, изготовления и исследования типовой технологической машины ротационного ленточного охватывающего шлифования длинномерных изделий машиностроения в ФГБОУ ВПО ИжГТУ, ОАО «Ижсталь», ОАО «Буммаш», ООО «Редуктор», а также в учебный процесс на кафедре «Автомобили и металлообрабатывающее оборудование» ФГБОУ ВПО ИжГТУ.

Производственные испытания подтвердили эффективность применения устройства ротационного ленточного охватывающего шлифования абразивной лентой длинномерных изделий машиностроения. Разработанный метод и технология ротационного ленточного охватывающего шлифования поверхностей обеспечивают повышение качества, а именно, уменьшение шероховатости поверхности, что положительно сказывается на эксплуатационной надежности и долговечности деталей.

ПУБЛИКАЦИИ С ИЗЛОЖЕНИЕМ ОСНОВНЫХ ПОЛОЖЕНИЙ ДИССЕРТАЦИИ

Монографии:

1. Шиляев С.А. Размерные и временные связи в машиностроении: Монография / Б.А. Якимович, В.Г. Осетров, P.C. Музафаров, С.А. Шиляев; под общ.ред. В.Г. Осет-рова. - Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2006. - 116 с.

Учебные пособия:

1. Шиляев С.А. Организация и технология производства машин: учебное пособие

для машиностр. спец. вузов / Осетров В.Г., Свитковский Ф.Ю., Схиртладзе А.Г., Иванова Т.Н., Мишунин В.П., С.А. Шиляев; под общ. ред. Ф.Ю. Свитковского, В.Г. Осетрова. - Ижевск: ИжГТУ, 2001. - 224 с.

2. Шиляев С.А. Организация технологии производства машин: учебное пособие для машиностр. спец. вузов / Осетров В.Г., Свитковский Ф.Ю., Схиртладзе А.Г., Иванова Т.Н., Мишунин В.П., С.А. Шиляев, Э.А. Карпов, В.Б. Крахт, В.П. Борискин. - Старый Оскол: Изд-во Тонкие наукоемкие технологии, 2001. - 224 с.

3. Шиляев С.А. Заготовки в машиностроении: Учеб. пособие / В.М. Оробинский, А.Г. Схиртладзе, B.C. Мухортов, C.B. Мухортов, Ф.Ю. Свитковский, С.А. Шиляев, Ю.А. Мансуров - Ижевск: Изд-во УдГУ, 2002. - 334 с.

4. Шиляев С.А. Технологический анализ машиностроительного производства: Учебное пособие для сельскохозяйственных вузов / В.Г. Осетров, В.В. Юшков, С.А. Шиляев, Ф.В. Голосеев; под общ.ред. В.Г. Осетрова, В.В. Юшкова - Ижевск: Изд-во ГСХА, 2004. - 222 с.

Патенты и свидетельства:

1. Шиляев С.А., Свитковский Ф.Ю., Иванова Т.Н., Сюрсин С.Л., Гальчик А.И. Устройство для ленточного шлифования // Свидетельство №11503, 6 В 24 В 21/02. (Россия). Заявл.05.04.99, опубл. 16.10.99, бюл. №10.

2. Свитковский М.Ф., Сюрсин С.Л., Гальчик А.И., Шиляев С.А. Прерывистый шлифовальный круг // Свидетельство №11504, 6 В 24 В 21/02., (Россия). Заявл.05.04.99, опубл. 16.10.99, бюл. №11.

3. Иванова Т.Н., Свитковский О.Ю., Украинский О.В., Варламов П.М., Масалов К.Н., Шиляев С.А. Устройство для абразивной обработки плоских поверхностей // Патент на изобретение №2176586, 7 В 24 В 41/047, (Россия). Заявл.16.06.2000, опубл. 10.12.2001, бюл. №34.

4. Шиляев С. А., Свитковский Ф.Ю., Иванова Т.Н. Ленточно-шлифовальный станок // Патент на изобретение №2228831, 7В24В 21/02. (Россия),заявл.25.07.2002, опубл. 20.05.2004, бюл. №14.

5. Осетров В.Г., Мишунин В.П., Елагин P.C., Главатских Г.Н., Шиляев С.А. Редуктор планетарный шариковый // Патент на изобретение №2269706, F16H 1/32, F16H25/32. (Россия), заявл.16.08.2004, опубл. 10.02.2006, бюл. №4.

6. Шиляев С. А., Афанасьев Н.И. Оптимизация процесса ротационного ленточного шлифования абразивной лентой бунтовой проволоки // Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2007613532 (Россия), заявл.22.06.2007, зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 21.08.2007.

7. Шиляев С.А. Расчет температуры в теле заготовки при ротационном ленточном охватывающем шлифовании бутовой проволоки // Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2010614248 (Россия), заявл.04.05.2010, зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 30.06.2010.

8. Шиляев С.А. Оценка качества объекта // Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2010615652 (Россия), заявл.02.07.2010 г., зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 01.09.2010 г.

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Шиляев С.А., Глазырин В.А., Костяев В.И. Прогрессивные методы механической обработки нежестких длинномерных деталей // Омский научный вестник, Ом-ГТУ - 2004. - №3 (28). - С.87-89.

2. Осетров В.Г., Елагин P.C., Шиляев С.А. Редуктор с промежуточными элементами для передач вращения для средств механизации и автоматизации в сборочном

производстве // Вестник ИжГТУ. - Ижевск: ИжГТУ. - 2007. - №1 (33). - С.150-153.

3. Шиляев С.А. Расчет силовых зависимостей при ротационном ленточном шлифовании // Вестник ИжГТУ. - Ижевск: ИжГТУ. - 2007. - №4 (36). - С.24-26.

4. Шиляев С.А. Схематизация свойств и теплофизических характеристик обрабатываемых материалов при исследовании тепловых процессов при ротационном ленточном шлифовании // Интеллектуальные системы в производстве. - Ижевск: ИжГТУ, 2007. - №2. - С. 84-89.

5. Шиляев С.А. Разработка устройства ротационного ленточного шлифования для обеспечения точности деталей в сборочном производстве //«Сборка в машиностроении, приборостроении». - Москва: Изд-во «Машиностроение», 2008 . - №3 (92). -С.25-27.

6. Шиляев С.А. Исследование технологических показателей процесса ротационного лешочною шлифования и получение математических зависимостей для количественного анализа условий резания // Вестник ИжГТУ. - Ижевск: ИжГТУ, 2008. - №2 (38). - С.23-26.

7. Шиляев С.А. Исследование производительности процесса ротационного охватывающего ленточного шлифования // Вестник ИжГТУ. - Ижевск: ИжГТУ, 2008. -№3 (39). - С.38-40.

8. Шиляев С.А. Автоматическая линия для ротационного охватывающего ленточного шлифования длинномерных заготовок малого диаметра // Вестник машиностроения. - Москва: ООО «Издательство Машиностроение», 2009 . - №4 - С.71-74.

9. Шиляев С.А. Исследование тепловых процессов при ротационном охватывающем ленточном шлифовании бунтовой проволоки // СТИН. - Москва: ООО «СТИН», 2009 . - №6 - С.32-34.

10. Шиляев С.А., Иванов А.Г. Исследование динамики относительного движения абразивной ленты устройства ротационного охватывающего ленточного шлифования // Вестник ИжГТУ. - Ижевск: ИжГТУ, 2009. - №3 (43). - С.46-50.

11. Шиляев С.А. Разработка технологической схемы сборки устройства ротационного ленточного охватывающего шлифования // Вестник ИжГТУ. - Ижевск: ИжГТУ, 2010. - №4 (48). - С. 16-20.

12. Шиляев С.А., Иванов А.Г. Исследование поведения шлифовального слоя ленты с учетом упругих свойств связки // Интеллектуальные системы в производстве. -Ижевск: ИжГТУ, 2010. - №2 (16). - С. 69-77.

13.Шиляев С.А. Исследование системы управления процессом обработки длинномерных нежестких заготовок на устройстве ротационного ленточного охватывающего шлифования [Электронный ресурс] // Электрон.журн. «Наука и образование: электронное научно-техническое издание», 2011, выпуск 2. - Юс.

14. Шиляев С.А., Осетров В.Г. Разработка обобщенной методики для отработки конструкции устройства ротационного ленточного охватывающего шлифования на технологичность [Электронный ресурс] // Электрон.журн. «Наука и образование: электронное научно-техническое издание», 2011, выпуск 3. - 14с.

15. Шиляев С.А. Исследование работоспособности абразивной ленты устройства ротационного ленточного охватывающего шлифования // Вестник ИжГТУ. - Ижевск: ИжГТУ, 2011. - №2 (50). - С. 33-38.

16. Шиляев С.А. Анализ устойчивости и причин сбега шлифовальной ленты в зоне контакта шлифовальной ленты с поверхностью шкива // Интеллектуальные системы в производстве. - Ижевск: ИжГТУ, 2011.-№1 (17).-С. 166-171.

17. Шиляев С.А., Иванов А.Г. Анализ конструктивных и технологических пара-

метров устройства ротационного ленточного охватывающего шлифования на основе исследований динамики относительного движения абразивной ленты [Электронный ресурс] // Электрон.журн. «Наука и образование: электронное научно-техническое издание», 2011, выпуск 06. - 14с.

18.Шиляев С.А. Разработка требований к конструкции устройства ротационного ленточного охватывающего шлифования на основе анализа требований, предъявляемых к конструкциям проектируемых станков // Вестник ИжГТУ. - Ижевск: ИжГТУ, 2011.-№3 (51). - С. 11-15.

19.Шиляев С.А., Широбоков А.С. Машина как объект технологии и организации машиностроительного производства // Организатор производства. - Москва: «Экономика и финансы», 2011. - №2. - С. 77-79.

Публикации в зарубежных журналах:

1. Shilyaev S., Svitkovskii О. Development and calculation of device for highly-productive coiled wire grinding from difficult material // Scientific proceedings of the scientific-technical union of mechanical engineering / Third international congress Mechanical engineering technologies '01. — Bulgaria, 2001. - Volume 2 (57). - C.424-427.

2. Shilyaev S.A. Thermal processes in rotational tape grinding of coiled wire // RUSSIAN ENGINEERING RESEARCH. - ООО МАИК Наука / Интерпериодика для Аллертон Пресс, Инк, 2009. - С.948-950.

3. Shilyaev, S.A. Development of method and device for rotary band grinding of high-quality wire // University review: The international scientific journal founded by two universities from the Slovak Republic and Russian Federation. - Treniin: Alexander DubCek University of Trench'n. - 2011, Vol.5, №1- C. 16-23.

4. Шиляев С.А. Совершенствование системы управления процессом обработки длинномерных нежестких заготовок на устройстве ротационного ленточного охватывающего шлифования // Мир Техники и Технологий. - Украина, г. Чугуев: «Поли-Арг», 2012. - №7 - С. 64-70.

Публикации в других изданиях:

1. Шиляев С.А. Устройство для ленточного шлифования // Сб. науч. тр. кафедры «МСиИ». - Ижевск: ИТН и ПРП, 1998. - С.26-27.

2. Шиляев С.А. Шлифование проволоки при приложении растягивающего усилия. Сб. науч. тр. кафедры «МСиИ» Совершенствование процессов механической обработки материалов. - Ижевск: ИТН и ПРП, 1998. - С.36-39.

3. Шиляев С.А. Оптимизация процесса ротационного ленточного шлифования свободной ветвью абразивной ленты бунтовой проволоки // Сб. науч. тр. аспирантов и преподавателей. - Ижевск: ИТН и ПРП, 2000. - С.37-41.

4. Шиляев С.А., Монаков А.В., Моисеев С.В. Моделирование тепловых процессов при ротационном ленточном шлифовании свободной ветвью абразивной ленты бунтовой проволоки // Сб. науч. тр. аспирантов и преподавателей. — Ижевск: ИТН и ПРП, 2000. - С.8-12.

5. Шиляев С.А., Свитковский Ф.Ю. Исследование ротационного ленточного шлифования высококачественной бунтовой проволоки // Аэрокосмическая техника и высокие технологии — 2001. Тезисы докладов Всерос.науч.-технич. конф. / Под ред. Ю.В.Соколкина и А.А.Чекалкина- Пермь: ПГТУ, 2000. - С. 181.

6. Шиляев С.А., Свитковский Ф.Ю., Пичугин И.К. Разработка и исследование новой высокоэффективной технологии предварительной обработки высококачественной бунтовой проволоки // Труды конгресса «Конструкторско-технологическая информатика- 2000». В 2-хт.т. Т.2 / IV междунар. конгресс. - М.: Изд-во «Станкин», 2000. -

С.132-135.

7. Шиляев С.А. Ротационное шлифование бунтовой проволоки // Сб. тез. докл. XXXII науч-технич.конф. ИжГТУ, посвященная 50-летию ИжГТУ. - Ижевск, 2000. - С. 14.

8. Шиляев С.А., Лойферман М.А., Свитковский В.Ю., Свитковский Ф.Ю. Ротационное ленточное шлифование - новый высокоэффективный метод предварительной обработки бунтовой проволоки // Сб. докл. юбил. науч. - технич. конф., посвященной 240-летию предприятия (ОАО «Ижсталь»), - Ижевск, 2000. - С.34.

9. Свитковский О.Ю., Иванова Т.Н., Дмитриев И.Д., Шиляев С.А. Оборудование для ремонта газо- и нефтепроводов // Вестник ИжГТУ. - Ижевск: ИжГТУ, 2000. -Вып.1. - С.18-19.

Ю.Свитковский Ф.Ю., Гальчин А.И., Михеев H.A., Свитковский О.Ю., Иванова Т.Н. Шиляев С.А. Технологическое оборудование для снижения техногенного воздействия природных явлений на магистральные газопроводы // Вестник ИжГТУ. -Ижевск: ИжГТУ, 2000. - Вып.2. - С.22-23.

11. Шиляев С.А., Свитковский М.Ф., Дмитриев И.Д. Возможность использования абразивно-ленточного шлифования для обработки цилиндрических поверхностей деталей типа колес // Сб. докл. междунар. семинара, Современные информационные технологии. Проблемы исследования, проектирования и производства зубчатых передач. - Ижевск, 2001. - С.271-273.

12. Шиляев С.А., Кузнецов АЛО. Обработка длинномерных изделий ленточным шлифованием с постоянным усилием прижима // Аэрокосмическая техника и высокие технологии - 2001. Материалы Всерос. науч. - технич. конф. / Под ред. Ю.В.Соколкина и А.А.Чекалкина - Пермь: ПГТУ, 2001. - С.301.

13.Шиляев С.А. Нетрадиционные методы обработки нежестких деталей // Информационные технологии в инновационных проектах: Тр. III междунар.науч,-технич.конф. -4.1. - Ижевск: Изд-во Ижевского радиозавода, 2001.-С. 123-124.

14. Свитковский Ф.Ю., Шиляев С.А. Устройство ротационного ленточного шлифования // Каталог инновационных разработок ИжГТУ. - 2-е изд., доп., и перераб. -Ижевск: изд-во ИжГТУ, 2001. - С.13.

15. Шиляев С.А. Исследование и прогнозирование параметров технологического процесса ленточного шлифования // Сб. ст. междунар. науч. - технич. конф. Комплексное обеспечение показателей качества транспортных и технологических машин. -Пенза, 2001. -С.307-310.

16. Шиляев С.А. Новые виды механической обработки нежестких деталей // Научн. и методич. проблемы подготовки конкурентоспособных специалистов: Труды науч,-методич. конф., посв.50-летию ИжГТУ. - Воткинск: Изд-во Боткинского филиала ИжГТУ, 2002. - С.98-102.

17. Шиляев С.А. Теоретические предпосылки оценки работоспособности абразивной ленты при обработке в условиях интенсивного нагружения // Аэрокосмическая техника и высокие технологии - 2002. Материалы Всерос. науч. - технич. конф. / Под ред. Ю.В.Соколкина и А. А.Чекалкина - Пермь: ПГТУ, 2002. - С.270.

18.Шиляев С.А. Анализ и методы повышения качества поверхностного слоя изделий из проволоки // Труды пятой сессии науч. школы «Фундаментальные и прикладные проблемы теории точности процессов, машин, приборов и систем». Коллектив авторов / Под ред. д.т.н., проф. В.П. Булатова и д.т.н., проф. Л.В. Ефремова. - СПб.: ИПМаш РАН 2002. - С.216-221.

19.Шиляев С.А., Гаскарова Г.М. Совершенствование технологии механической обработки осесимметричного длинномерного проката и катанки // Информационные

технологии в инновационных проектах: Тр. IV Междунар. науч.-технич. конф. В 4 ч. -Ч.З-Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2003. - С. 124-126.

20.Шиляев С.А., Гундаров A.C. Разработка программного обеспечения для автоматизации расчетов по оптимизации технологических процессов // Сб. научн. трудов аспирантов и преподавателей, посвященный памяти Ф.Ю. Свитковского. Под ред. к.т.н., доц. Т.Н. Ивановой — Ижевск-Екатеринбург: Изд-во Института экономики Ур-РАН, 2003. — С.160-163.

21.Шиляев С. А., Максимова Е.А. К вопросу о числе абразивных зерен на поверхности абразивной ленты в зависимости от условий обработки // Актуальные проблемы конструкторско-технологического обеспечения машиностроительного производства: Материалы междунар. конф. В 2-х ч. Ч. 1. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2003. -С.176-179.

22.Шиляев С.А., Балакин В.В. Вопросы высококачественной обработки бунтовой проволоки // Контактная жесткость. Износостойкость. Технологическое обеспечение.: Сб. тр. междунар. научн. - техн. конф. в г. Брянске, 22-24 окт. 2003 г. / Под. общ. ред. А.Г. Суслова. - Брянск: БГТУ, 2003. - С.210-213.

23.Шиляев С.А. Прогрессивные технологические процессы высококачественной обработки бунтовой проволоки, применяемой для изготовления цилиндрических пружин // Проблемы машиностроения и технологии материалов на рубеже веков: Сб. ст. VIII междунар. науч. - технич. конф. Часть 1. - Пенза, 2003. - С.296-298.

24.Свитковский Ф.Ю., Шиляев С.А. Статья на спецтему // Проблемы эффективности подготовки специалистов и использования результатов научных исследований высшей школы России для предприятий военно-промышленного комплекса: Матер, всерос. науч. - техн. конф.: В 3 ч. - 4.2. - Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2003 - С.38-40.

25. Шиляев С.А. Аллаяров С.Р., Меджитов Т.Р. Разработка прогрессивного технологического оборудования для обработки длинномерной пружинной проволоки // Современные тенденции развития автомобилестроения в России: Сб. тр . всерос. науч,-техн. конф. с междунар. участием: В 5 т. - Тольятти: ТГУ, 2004. -Т.4. -С.48-51.

26. Шиляев С.А. Задачи повышения надежности и долговечности пружин технологическими методами // Экологическая и эксплуатационная безопасность подвижных транспортных средств: Сб. докл. регион, науч.-метод. конф. - Чайковский: Изд-во ЧТИ (филиал) ИжГТУ, 2004. - С.191-196.

27. Шиляев С.А. Аллаяров С.Р., Меджитов Т.Р. Состояние вопроса и задачи исследования в области обработки бунтовой проволоки // Сб. научн. трудов Проектно-технологические и социально-экономические аспекты современного производства. Вып.2. - Ижевск-Екатеринбург: Изд-во Института экономики УрРАН, 2004. - С.27-29.

28.Елагин P.C., Осетров В.Г., Шиляев С.А. Планетарный редуктор с шаровым зацеплением // Сб. научн. трудов «Проектно-технологические и социально-экономические аспекты современного производства». Вып.2. - Ижевск-Екатеринбург: Изд-во Института экономики УрРАН, 2004. - С.35-37.

29. Осетров В.Г., Бузмаков И.В., Шиляев С.А. Схема сборки машин - основа для проектирования технологических процессов // Высокие технологии-2004: Сб. тр. науч. - техн. форума с междунар. участием: В 4 ч. — Ч. 4 — Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2004. - С.40-46.

30. Шиляев С.А. Основные закономерности формообразования при обработке бунтовой проволоки И Современные технологии в машиностроении: Сб. статей VIII Всерос. науч. - техн. конф. - Пенза, 2004. - С.98-100.

31. Шиляев С. А., Меджитов Т.Р., Аллаяров С.Р. Усталостные испытания пружин //

Материалы 3-ей веерос. науч. - техн. конф. «Проблемы и достижения автотракторного комплекса» - Екатеринбург, 2005. - С. 11-13.

32.Шиляев С.А., Музафаров P.C., Аллаяров С.Р., Меджитов Т.Р. Отказы, возникающие в узлах автотранспортных средств вследствие неисправности пружин // Материалы IV Международной науч. - практ. Конф. «Автомобиль и техносфера». - Казань: Изд-во Казан, гос. техн. ун-та, 2005. - С.151.

33.Шиляев С.А. Разработка технологических методов повышения качества пружин, применяемых на автотранспорте // Прогрессивные технологии в транспортных системах: Сб.докл. седьмой Российской науч. - техн. конф. - Оренбург: ИПК ГОУ ОГУ, 2005. - С.404-409.

34. Шиляев С.А. Шлифование абразивной лентой как один из прогрессивных способов окончательной обработки высокоточных деталей и инструментов из закаленных сталей // Современные технологии в машиностроении и автомобилестроении: Материалы научно-технической конференции. - Ижевск: ИжГТУ, 2005. - С.86-88.

35. Шиляев С.А. Технологические методы повышения надежности и долговечности пружин // Технологическое обеспечение надежности и долговечности машин: сб. науч. тр./ отв.ред. д.т.н. В.Б. Дементьев. - Ижевск: ИМП УрО РАН, 2006. - С. 117-120.

36.Шиляев СЛ., Музафаров P.C., Ноздрин С.А. Совершенствования технологии механической обработки ответственных пружин автотранспортных средств с целью повышения их долговечности и эксплуатационной надежности // Проблемы и перспективы автомобилестроения в России: Материалы 53-ей Международной научно-технической конференции Ассоциации автомобильных инженеров. - Ижевск: ООО «Издательский дом «Парацельс». - 2006. - С.231-237с.

37. Шиляев С.А., Афанасьев Н.И., Тиунов Ю.И. Возможности использования ротационного ленточного шлифования на этапе механической обработки бунтовой проволоки, применяемой для изготовления пружин высокоответственных изделий // Вооружение. Технология. Безопасность. Управление: Материалы II науч. - техн. конф. аспирантов и молодых ученых. 4.1. -Ковров: ГОУ ВПО «КГТА им. В.А. Дегтярева», 2007.-С. 124-130.

38. Шиляев С.А., Афанасьев Н.И. Вопросы усталостной прочности пружин, применяемых на автотранспорте // Проблемы и достижения автотранспортного комплекса: сборник материалов V Всероссийской научно-технической конференции. - Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2007. - С.177-179.

39. Шиляев С.А., Свитковский Ф.Ю. Устройство ротационного ленточного шлифования // Каталог инновационных разработок ИжГТУ / Для потребителей научной продукции. - 3-е изд., доп., и перераб. - Ижевск: Мультимедийная студия ИжГТУ, 2007.

40. Шиляев С .А., Афанасьев Н.И. Разработка комплекса мероприятий по повышению долговечности и надежности пружин, применяемых в автомобильной промышленности // Сборник тезисов докладов выставки-сессии инновационных проектов, заявленных в программу «УМНИК». - Ижевск: Издательство «Ассоциация «Научная книга», 2007. - С.43-49.

41. Шиляев С.А. Решение проблемы повышения долговечности и эксплуатационной надежности ответственных пружин за счет использования метода и технологии ротационного охватывающего ленточного шлифования поверхностей исходных заготовок // Проблемы и перспективы автомобилестроения в России: материалы Всерос. науч. - техн. конф., ОАО «Ижевский автомобильный завод», 30-31 октября 2007 г. -Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2008. - С.280-288.

42.Шиляев С.А. Обзор методов механической обработки бунтовой проволоки // Проблемы качества машин и их конкурентоспособности: материалы 6-ой научно-технической конференции, г. Брянск, 22-23 мая 2008г. / под общ. Ред. А.Г. Суслова. -Брянск: БГТУ, 2008. - С.356-357.

43.Шиляев С.А. Разработка комплекса мероприятий для повышения эксплуатационных свойств деталей, изготавливаемых из бунтовой проволоки // Проблемы и достижения автотранспортного комплекса: сборник материалов VI Всероссийской научно-технической конференции, г. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2008. - С.222-224.

44.Шиляев С.А. Промышленное применение устройства охватывающего ротационного ленточного шлифования бунтовой проволоки // Современное состояние и инновации транспортного комплекса: материалы международной научно-технической конференции, г. Пермь, 17-18 апреля 2008 - Пермь: Издательство ПГТУ, 2008. -С.204-207.

45.Шиляев С.А. Исследование влияния методов изготовления пружин на характеристиках прочности и долговечности // Состояние и перспективы транспорта. Обеспечение безопасности дорожного движения: материалы международной научно-технической конференции к 30-летию автодорожного факультета ПГТУ, г. Пермь, 1617 апреля 2009 г., том 1. - Пермь: Издательство ПГТУ, 2009. - С.283-288.

46.Шиляев С.А. Вопросы механической обработки бунтовой проволоки, применяемой для изготовления пружин // Проблемы и достижения автотранспортного комплекса: сборник материалов VII Всероссийской научно-технической конференции. -г.Екатеринбург: УГТУ - УПИ, 2009. - С.191-194.

47.Шиляев С.А., Коротаев А.Н., Иванов А.Г. Анализ технологичности конструкции устройства ротационного охватывающего ленточного шлифования // Проведение научных исследований в области машиностроения: сборник материалов Всероссийской научно-технической конференции с элементами научной школы для молодежи. Тольятти, 27-28 ноября 2009 г. В 3-х ч. / под общ. ред. М.М. Криштала. - Тольятти: ТГУ, 2009. - Ч. 1. - С.297-299.

48.Шиляев С.А., Шведчиков A.B. Разработка конструкции опорного ножа устройства ротационного ленточного шлифования при обработке пружинной проволоки малого диаметра [Электронный ресурс] // Сборник проектов Второго республиканского молодежного инновационного форума в рамках X выставки-сессии инновационных проектов / ГОУ ВПО ИжГТУ. - Ижевск, 2010. - 4 с.

49.Шиляев С.А. Разработка устройства для механической обработки длинномерных деталей транспортных средств и агрегатов малой механизации // Научное обеспечение инновационного развития АПК: Материалы всероссийской научн. - практ. конф. в 4-х т., т. 3 / ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА. - Ижевск: ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА, 2010.-С. 23-28.

50.Шиляев С. А. Применение технологии ротационного ленточного охватывающего шлифования для обработки изделий из бунтовой проволоки И Машиностроение: проектирование, конструирование, расчет и технологии ремонта и производства: материалы Веере, научн.-практ. конф., Ижевск, 11 июня 2012 г. - Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2012.-С. 216-221.

ФГБОУ ВПО «Ижевский государственный технический университет

имени М.Т. Калашникова»

На правах рукописи

05201351314

Шиляев Сергей Александрович

СОЗДАНИЕ ОБОРУДОВАНИЯ И ЭФФЕКТИВНОЙ ТЕХНОЛОГИИ РОТАЦИОННОГО ЛЕНТОЧНОГО ОХВАТЫВАЮЩЕГО ШЛИФОВАНИЯ БУНТОВОЙ ПРОВОЛОКИ МАЛОГО ДИАМЕТРА

Специальность 05.02.13 «Машины, агрегаты и процессы (машиностроение)»

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант: д-р. техн. наук, профессор Н.М. Филькин

Ижевск - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

Введение................................................................................................................................................6

Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследования в области механической обработки длинномерных изделий......................... 13

1.1. Длинномерные изделия малой жесткости. Особенности, требования по точности, актуальность разработки специальных методов механической обработки............................................................ 13

1.2. Классификация стальной проволоки, дефекты и требования..... 19

1.3. Обзор и анализ методов обработки длинномерных изделий.... 25

1.4. Особенности ленточного шлифования, достоинства и недостатки..................................................................................... 36

1.5. Основные направления в области проектирования конкурентоспособного технологического оборудования при реализации высокоэффективных технологии механической обработки........................... 41

1.6. Постановка цели и задач диссертационного исследования..... 44

Глава 2. Разработка математических моделей и зависимостей

конструктивных и кинематических параметров устройства ротационного ленточного охватывающего шлифования...................... 47

2.1. Основные закономерности формообразования цилиндрических поверхностей при ротационном ленточном охватывающем шлифовании................................................................................. 47

2.2. Разработка системы управления процессом обработки бунтовой проволоки......................................................................... 52

2.3. Расчет параметров устройства ротационного ленточного охватывающего шлифования......................................................... 58

2.4. Разработка схемы изменения угла охвата шлифовальной лентой обрабатываемой проволоки при сохранении длины абразивной ленты.................................................................................... 63

2.5. Анализ сил резания при обработке проволоки на устройстве ротационного ленточного охватывающего шлифования..................... 69

2.6. Определение прогиба проволоки в процессе ее шлифования абразивной лентой..................................................................... 74

2.7. Кинематический расчет устройства ротационного ленточного охватывающего шлифования................................................ 82

2.8. Расчет приводов устройства........................................... 86

Глава 3. Исследование динамики устройства ротационного

ленточного охватывающего шлифования..................................... 90

3.1. Исследование динамики привода движения абразивной ленты устройства ротационного ленточного охватывающего шлифования.......... 92

3.2. Исследование поведения абразивного слоя ленты с учетом упругих свойств связки.............................................................. 112

Глава 4. Теоретические исследования тепловых процессов при обработке на устройстве ротационного ленточного охватывающего шлифования и управление качеством поверхности.......... 141

4.1. Анализ сведений о тепловых процессах и их роли в обеспечении требуемого качества изделия.............................................. 141

4.2. Математическое моделирование тепловых процессов при ротационном ленточном охватывающем шлифовании......................... 145

Глава 5. Исследование работоспособности и устойчивости абразивной ленты устройства ротационного ленточного охватывающего шлифования............................................................. 168

5.1. Актуальность исследований работоспособности шлифовальной ленты устройства ротационного ленточного охватывающего шлифования................................................................................. 168

5.2. Анализ ориентации абразивных зерен в ленте..................... 169

5.3. Основные закономерности изнашивания зерен шлифовальной ленты............................................................................... 171

5.4. Особенности взаимодействия абразивного зерна с обрабатываемой поверхностью................................................................ 173

5.5. Обеспечение работы абразивной ленты в условиях набольшей стойкости.......................................................................... 176

5.6. Анализ устойчивости и причин сбега шлифовальной ленты и 187

распределения нагрузки в зоне контакта шлифовальной ленты с поверхностью шкива....................................................................

Глава 6. Исследование и оптимизация процесса обработки ротационного ленточного охватывающего шлифования на основе изучения физической сущности процесса резания......................... 197

6.1. Взаимосвязь эксплуатационных свойств деталей машин и соединений с технологическими показателями качества их рабочих поверхностей.............................................................................. 197

6.2. Исследование и оптимизация процесса обработки бунтовой проволоки на устройстве ротационного ленточного охватывающего шлифования............................................................................. 200

Глава 7. Экспериментальные исследования основных показателей качества поверхности обработанной проволоки и показателей процесса обработки на устройстве ротационного ленточного охватывающего шлифования................................................... 228

7.1. Проверка химического анализа, представленных образцов.... 228

7.2. Исследование поверхности обработанной проволоки............ 229

7.3. Измерение круглости образцов с построением круглограмм... 233

7.4. Исследование микроструктуры образцов......................... 238

7.5. Экспериментальные исследования производительности стойкости абразивной ленты....................................................... 246

7.6. Экспериментальные исследования тепловых явлений в зоне резания.................................................................................. 250

Глава 8. Устройство ротационного ленточного охватывающего шлифования как объект технологии и организации машиностроительного производства..................................................................................................255

8.1. Машина как совокупность множества связей..................... 255

8.2. Производственная система и классификация связей в машиностроении................................................................................... 258

8.3. Разработка требований к конструкции УРЛОШ на основе анализа современного состояния проектирования новых конструкций металлорежущих станков............................................................ 261

8.4. Разработка автоматизированной системы отработки конструкции устройства ротационного ленточного охватывающего шлифования на технологичность........................................................... 269

8.5. Разработка схемы сборки устройства ротационного ленточного охватывающего шлифования................................................ 282

8.6. Разработка требований по применению технологии ротационного ленточного охватывающего шлифования бунтовой проволоки малого диаметра и устройства для ее реализации.............................. 289

Заключение и выводы по работе........................................ 308

Библиографический список.............................................. 314

Приложения................................................................... 338

ВВЕДЕНИЕ

Современному машиностроению характерны установившиеся тенденции улучшения эксплуатационных свойств вновь проектируемого и модернизируемого технологического оборудования (качество, производительность, экономичность и экологичность обработки). Это является следствием, с одной стороны - жесткой конкуренции на мировом рынке, с другой стороны - это понимание в обществе проблемы конечности сырьевых ресурсов и необходимости бережного отношения к богатствам природы и к окружающей среде, неразрывной частью которой является человек.

Повышение качества и производительности изделий машиностроения является одной из важнейших проблем современного машиностроения, приобретающих особую актуальность в связи с увеличением мощности, быстроходности, с ужесточением температурно-силовых режимов эксплуатации современной техники.

Развитие техники на современном этапе неразрывно связано с единством конструкторско-технологических решений. Обеспечение качества закладывается при разработке технологических процессов, предусматривающих влияние металлургических, технологических и эксплуатационных факторов на надежность деталей машин различного назначения.

Работоспособность и стабильность эксплуатационных характеристик большинства машин лимитируется ресурсом работы отдельных деталей. Например, поломки пружин вследствие усталости или потеря рабочих характеристик из-за релаксации напряжений приводят к выходу из строя узлов или всей машины в целом. Одним из основных путей решения проблемы повышения надежности деталей машин является применение таких технологических методов обработки, которые обеспечивают высокие эксплуатационные свойства деталей в конкретных условиях работы.

Известные схемы обработки бунтовой проволоки, используемой для изготовления высокоответственных деталей, в дальнейшем не гарантируют получения высокого качества, кроме того, они имеют невысокую производительность процесса обработки. Существующее оборудование для выполнения такой

технологии имеет существенные недостатки: сложность конструкции и управления кинематикой для осуществления процессов, отсутствие типовых решений по конфигурациям узлов машин и не технологичность базовых деталей. Эксплуатационные характеристики существующего оборудования не позволяют обеспечить требуемое качество обработки в течение требуемого срока эксплуатации (5-7 лет) без дополнительных настроек и ремонтов, что приводит к повышению себестоимости изготовления изделий машиностроения. Для повышения эксплуатационных свойств деталей, изготавливаемых из бунтовой проволоки, необходимо провести комплекс исследований, вскрыть взаимосвязь явлений, сопутствующих процессу механической обработки, и их влияние на качественные показатели, которые в дальнейшем сказываются на эксплуатационных свойствах получаемых деталей.

Одним из прогрессивных видов обработки является обработка бесконечной шлифовальной лентой. Преимуществом этого метода являются более благоприятные условия резания в зоне обработки за счет эластичности и упругости ленты, снижения сил резания, меньшей теплонапряженности процесса обработки по сравнению с обработкой абразивными кругами. Однако осуществление этого метода обработки находится в стадии поиска решений по созданию эффективных технологий и надежных технологических машин.

Проблема повышения эффективности механической обработки и технологических машин относится к одной из основных в машиностроении, решение которой ведется по различным направлениям: исследование механизма обработки и оптимизация технологических режимов резания; увеличение производительности; повышение технико-экономических и улучшения экологических показателей; повышение надежности механических частей машин; уменьшение потерь энергии; усовершенствование и автоматизация систем управления машинами и целый ряд других направлений как теоретических, так и экспериментальных.

Решение частных задач улучшения отдельных элементов машины или поиск оптимальных отдельных конструктивных параметров при заданных других, как правило, не позволяет получить принципиально новых конструктивных решений, а для процессов обработки шлифованием бунтовой проволоки вообще

решения отсутствуют. Поэтому разработка новых комплексных методик проектирования, которые позволили бы проводить изучение и оптимизацию параметров и характеристик взаимозависимых параметров самой машины и процессов, протекающих при эксплуатации данной машины, является актуальной.

Обобщения теоретических и экспериментальных исследований данного научного направления позволит создать основы высокоэффективной технологии и на ранней стадии проектирования обосновать выбор технического решения и провести поиск наиболее рациональной конструкции технологической машины, обеспечивающих повышение качества, производительности и экономичности обработки.

Целью данной работы является: Разработка оборудования и высокоэффективной технологии ротационного ленточного охватывающего шлифования длинномерных цилиндрических изделий малого диаметра, обеспечивающей повышение качества, производительности и экономичности обработки.

Для достижения поставленной цели в работе поставлены следующие задачи:

1. На основе анализа возможных методов обработки длинномерных цилиндрических изделий разработать схему обработки бунтовой проволоки малого диаметра методом ротационного ленточного охватывающего шлифования.

2. Исследовать процесс ротационного ленточного охватывающего шлифования.

3. Исследовать динамику ротационного ленточного охватывающего шлифования.

4. Исследовать тепловые явления в зоне резания с целью обеспечения требуемого качества поверхностных слоев обработанной заготовки при ротационном ленточном охватывающем шлифовании.

5. Оптимизировать режимы ротационного ленточного охватывающего шлифования методом планирования и обработки результатов многофакторного эксперимента.

6. Разработать принципы проектирования и создания технологических машин для обработки бунтовой проволоки малого диаметра методом ротационного ленточного охватывающего шлифования, обеспечивающих высокую технологическую эффективность.

7. Разработать оборудование и технологию ротационного ленточного охватывающего шлифования бунтовой проволоки диаметром до 6 мм из бунта в бунт.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 1 монография; 4 учебных пособия; 73 статьи в журналах, сборниках и научных изданиях, в том числе 19 рекомендованных ВАК для публикации результатов исследований докторских диссертаций, 4 в зарубежных журналах; получено 5 патентов на изобретения и 3 свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объем работы: Диссертация состоит из введения, восьми глав, основных результатов и выводов, библиографического списка из 291 наименований. Работа включает в себя 348 страниц текста, в том числе 137 рисунков, 46 таблиц и приложения.

Первая глава посвящена анализу современного состояния задачи в области механической обработки бунтовой проволоки. Приведена классификация стальной проволоки, основные дефекты проволоки и существующие методы удаления дефектного слоя. Выполнен обзор и анализ методов обработки длинномерных изделий из бунтовой проволоки. Рассмотрена область применения ленточного шлифования, отмечены достоинства и недостатки ленточного шлифования. Проанализированы основные направления в области проектирования конкурентоспособного технологического оборудования при реализации высокоэффективных технологии механической обработки.

В заключение первой главы, на основании анализа состояния проблемы и выбранного направления исследований, сформулированы цель работы и задачи исследований.

Во второй главе приводится обоснование применения метода ротационного ленточного охватывающего шлифования при обработке бунтовой проволоки. В ней рассмотрены основные закономерности формообразования цилиндрических поверхностей при ротационном ленточном охватывающем шлифовании.

В главе представлена схема процесса обработки длинномерных нежестких заготовок на устройстве ротационного ленточного охватывающего шлифо-

вания, где с учетом конструктивных особенностей оборудования выделяются основные подсистемы - кинематическая, динамическая и теплофизическая.

Выполнены расчеты величин геометрических параметров ротационного ленточного охватывающего шлифования, характеризующих работоспособность, производительность и эксплуатационные характеристики процесса шлифования (длина абразивной ленты, угол охвата абразивной лентой обрабатываемой проволоки, площадь контакта абразивной ленты с деталью).

Проведен анализ составляющих сил резания при обработке проволоки на устройстве ротационного ленточного охватывающего шлифования, необходимых для обеспечения наилучших условий работы устройства. Разработана схема изменения угла охвата шлифовальной лентой обрабатываемой проволоки при сохранении длины абразивной ленты. Получены зависимости по определению силы прижима ленты к обрабатываемой поверхности в зависимости от усилия натяжения.

Выполнен кинематический расчет устройства ротационного ленточного охватывающего шлифования и определены мощности двигателей приводов устройства.

В третьей глава приводятся результаты исследования динамики устройства ротационного ленточного охватывающего шлифования.

В ней проведены исследования динамики привода движения абразивной ленты устройства, позволяющие установить рациональный скоростной диапазон движения абразивной ленты для обеспечения производительности установки, достаточной для промышленных масштабо