автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Имитационное моделирование процесса шлифования кругами из эльбора на гальванической связке

В ^ САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

. . , ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

КАЗИНЕЦ Евгений Меерович

ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ШЛИФОВАНИЯ КРУГАМИ ИЗ ЭЛЫЮРА НА ГАЛЬВАНИЧЕСКОЙ СВЯЗКЕ

Специальность 05.03.01 - Процессы механической и фишко- технической обработки, станки и инструменты

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Саикт -11етерб)рг - 199.1

Работа выполнена в ГосНИИАШ (С,- Петербург) Научный руководитель - засл. деят. наук» и техн. Р.Ф.,

доктор техн

профессор

Оф 1 шальные оппоненты - доктор технических наук.

профессор Щеголей Б.А. - кандидат технических наук, доцент Зубарев Ю.М.

I

Ведущее предприятие- ЛО "Абразивный завод "Ильич" (С. Петербург)

Защита состоится "08" июня 1993 года и 15.00 часов на заседании специализированного Совета Д 063..IX. 16 о Санкт-Петербургском государственном техническом университете (адрес г. Сапкт- Петербург, ул. Политехническая, дом 29, а. 41, I уч. корпус)

ических наук, 1>.А.Глаговский

С диссертацией можно ознакомиться и библиотеке университета.

Автореферат"разослан "07" мая г.

I

Ученый секретарь специализированного совета к.т.н., доцеи г

И.А.Сенчило

ОЫНДЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ГАГ.ОТЫ

Актуальность работы. Разработка технологии шлифования криво-лши'йимх поверхностей, таких как рабочие поверхности зубьев зубчатых колес, различных шлицев с криволинейными образующими, стружечных канавок спиральных сверл и т.п., является важной народохозяйственной задачей. Решить эту задачу путем применения традиционных шлифовальных кругов не всегда представляется возможным ввиду их недостаточной стойкости и режущей способности. Эффективное решение этой проблемы способны обеспечить шлифовальные круги из эльбора на гальванической связке. Однако для успешною применения этих новых перспективных кругов необходимо разработать требования к шлифзерну и решить задачи рационального выбора характеристик инструмента и параметров режима шлифования. В связи с этим построение имитационной модели процесса шлифования,позволяющей без проведения большого количества дорогостоящих экспериментов разработать рекомендации по проектированию и эффективному применению эльборовых кругов на гальванической связке, является актуальной задачей.

Диссертационная работа выполнена в рамках программы работ, проведенных во НКИИАШ но теме: "Исследование возможности повышения в 2-3 раза производительности профильного глубинного шлифовании кругами из эльбора". НИР 25 86, № Гос.регистрации 01.86.0014446.

Автор защищает:

1. Разработанную и реализованную в виде компьютерной программы имитационную модель процесса глубинного профильного шлифования кругами из эльбора па гальванической связке.

2. Установленные с иомощыо компьютерного моделирования зависимости геометрических параметров процесса стружкообразогания и шероховатости обработанной поверхности от основных факторов, определяющих условия шлифования: зернистости, качества рассева абразивных зерен по размеру и но форме, типоразмера инструмента, параметров режима шлифования и радиальных колебаний круга относительно летали.

3. Разработанные рекомендации по проектированию и применению шлифовальных кругов из эльбора на гальванической связке.

Цель работы. Повышение эффективности процесса профильного глубинною шлифовании путем разработки на базе имитационных моделей рекомендаций по проектированию и рациональному применению

эльборовых кругов на гальванической сипке.

, Научная новизна. Разработана имнташюнная модель процесса шлифования, основанная на моделировании методом Монте-Карло абразивных зерен случайной формы и размера, их хаотичного расположения на рабочей поверхности круга, а также на моделировании срезов, образовавшихся от вершин этих зерен. Полумены зависимости параметров процесса стружкообразования и шероховатости обработанной поверхности от характегшетики круга и условии шлифовании.

Практическая ценность и реализация результатов работы в промышленности. В результате проведенных исследований разработаны научно-обоснованные рекомендации но выбору характеристики шлифовального круга и параметров режима шлифования, определены требования к качеству рассева шлифзерна и точности изнгшилеиии корпуса круга.

Разработанные рекомендации использованы при составлении документации на техпроцесс глубинного шлифования эльборовыми кругами на гальванической связке, внедренный на ряде машиностроительных предприятий.

Апробация работы. Основные положения работы были доложены и обсуждены на Всесоюзной конференции "ОПТИМШЛИФАЬРЛ'ЗШ! 88". (г.Ленинград, 1~ II сент. 1988 г.) и на международной конференции "Итсрграйнд-9!" (г.Ленинград, 1-4 октября 1991 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано четыре печатных работы.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, библиографии (99 наименовании) и приложений. Содержит: 102 страницы текста, 11 таблиц, 30 рисунков, 25 страниц приложении.

В первой части работы (глава I) изложено состояние вопроса н сформулированы задачи исследований.

Вторая часть работы (глава 2) посвящена разработке имитационной модели процесса плоского глубинного шлифования эльборовыми кругами на гальванической связке. Сформулированы и обоснованы используемые допущения, изложен алгоритм моделирования, приведен пример моделирования конкретной операции шлифовании.

В третьей части работы (главы 3 н 4) путем компьютерного моделирования получены зависимости геометрических параметров процесса стружкообразования и шероховатости обработанной поверхности от характеристики шлифовального круга ( зернового состава шлифматериала, зернистости, концентрации зерен, их ориентации, диаметра круга), а также от элементов режима роапняи радиальных колебании крута очноетельио

детали.

1? четвертой части работы (глава 5) па базе зависимостей, полученных п третьей части, разработаны рекомендации по проектированию и эффективному применению однослойных зльборовых кругов на операциях плоского глубинного профильного шлифования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Н этой части работы рассмотрены особенности конструкции и преимущества эльборовых кругов на гальванической связке по сравнению с традиционными. Покачана принципиальная возможность и целесообразность разработки имитационной модели процесса шлифовании этими кругами. Результаты выполненного анализа могут быть сформулированы в виде следующих выводов.

1. Установлено, что для обработки деталей сложного профиля целесообразно применение метода глубинного шлифования эльборовыми кругами , воспроизводящими заданный профиль. Применение эльбора вместо электрокорунда позволяет снизить теплонапряженность в зоне обработки и получить высокую точность формы и качество шлифованной поверхности.

2. Эльборовый круг на гальванической связке представляют собой металлический корпус с нанесенным на его рабочую поверхность одним слоем высокопрочного эльборового зерна и является новым перспективным инструментом, обладающим в сравнении с другими шлифовальными кругами более высокой режущей способностью, значительно большей стойкостью, способностью работать на скоростях 100-200м/с, возможностью работать без правки.

3. Для эффективного применении этого нового инструмента необходимо исследовать влияние зернового состава шлифовального материала на шероховатость обработанной поверхности и на режущую способность круга. Необходимо также разработать рекомендации по рациональному выбору параметров режима шлифования, а также требования к точности изготовления корпуса однослойного эль борового круга.

4. Колебания шлифовального круга относительно обрабатываемой поверхности оказывают большое, а иногда определяющее влияние на важнейшие выходные показатели процесса. Вследствие колебании могут возникать прижогн, а период стойкости круга может существенно уменьшиться. Однако обоснованные требования к допустимым значениям параметров колебаний отсутствуют.

5. Для решения указаных выше вопросов целесообразно разработать

модель процесса шлифования однослойными эльборовыми кругами. 1! литературе имеются многочисленные примеры применения теоретико-вероятностных моделей процесса шлифования, однако, возможности этого вида моделирования ограничены сложностью соответствующих математи ческих задач. Имеете с тем, имеется ряд примеров применения имитаци онного моделирования при исследовании отдельных аспектов процесса шлифования, показывающий достаточно высокую эффективность этого метода. Тем не менее, до сих пор не разработана цельная имитационная модель процесса нитфшаиия, включающая и себя основные факторы, определяющие условия его протекания.

6. Имеются предпосылки для разработки достаточно цельной имитационной модели процесса шлифовании однослойными эльбороиыми кругами, позволяющей определять геометрические параметры процесса стружкообразования (размеры единичных срезов) и шероховатости обработанной поверхности в зависимости ог таких факторов, как зерновой состав шлифматериала, типоразмер инструмента, пластические свойства обрабатываемого материала, элементы режима резания, параметры колебаний шлифовального круга относительно детали.

Геометрические параметры процесса стружкообразования, которые могут быть получены с помощью имитационного моделирования, позволяют про лети качественны», а в некоторых случаях и количественный анализ процесса шлифования. Возможность расчета размеров срезов от каждого работающего абразивного зерна может служить базой для оценки сил резания, контактных температур, износа круга и других важнейших показателей процесса и, соответственно, для решения задач оптимизации и управления процессом шлифования.

В соответствии с изложенным можно сформулировать следующие задачи работы:

1. Разработать и реализовать в виде компьютерной программы ими тационную модель процесса плоского глубинного шлифования эльборовыми кругами на гальванической связке, позволяющую оценивать геометрические параметры процесса стружкообразования, параметры шероховатости обработанной поверхности и решать задачи оптимизации и управления процессом шлифования.

2. Определить с помощью компьютерною моделирования зависимости геометрических параметров процесса стружкообразования и шеро ховатости обработанной поверхности от характеристик зернового состава шлифзерна и шлифовального круга, элементов режима шлифования, радиальных колебаний круга относительно детали.

3. Разработать на основе полученных зависимостей рекомендации по

проектированию и .»(¡1фскгяиному применению -.зльборовых кругов на гальванической связке на операциях плоского глубинного профильного шлифования.

II. ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПЛОСКОГО ГЛУБИННОГО ШЛИФОВАНИЯ ОДНОСЛОЙНЫМИ ЭЛЬБОРОВЫМ И КРУГАМИ

При построении имитационной модели были приняты следующие допущения.

Допущение 1. Абразивные зерна располагаются на рабочей поверхности инструмента хаотично, так что можно считать вероятностный закон их распределения на поверхности равномерным.

Допущение 2. Абразивные зерна подобны по форме и отличаются друг от друга только размерами. Форма профиля единичного абразивного зерна представляет собой симметричный относительно продольной оси шестиугольник.

Допущение 3. Известен вероятностный закон распределения абразивных зерен ио размеру.

Допущение 4. В результате микрорезания единичным зерноц на обрабатываемой поверхности остается шлифовочная риска, профиль которой в сечении плоскостью, перпендикулярной вектору скорости резания, совпадаете профилем проекции режущей вершины на указанную базовую плоскость. При этом пластическая деформация обрабатываемого материала проявляется в виде образования боковых наплывов вдоль шлифовочных рисок. Коэффициент вытеснения (относительная плошадь наплывов), а также относительная высота наплывов - известны.

Допущение 5. В результате приработки шлифовального круга абразивные зерна, выступающие изевязки на высоту большую критической, вырываются изевязки или обламываются. Значение критической высоты устанавливается экспериментальным путем.

При моделировании оказалось удобным использовать известное представление рабочей поверхности шлифовального круга в виде последовательности приведенных режущих профилей. Приведенный режущий профиль (ПРП) определяется следующим образом. Выделим некоторую плоскость, перпендикулярную вектору скорости резания. Спроектируем на эту плоскость псе абразивные зерна, отстоящий от нее на растоннии не превосходящим X . ПРП называют огибающую всех этих проекций. Для целей моделирования во многих случаях дос таточно выбрать X 1мм.

Имитационное моделирование процесса шлифования включает в

себя следующие этапы (см. рис.).

1 этап. Ввод входных данных, к которым относятся следующие: характеристика инструмента (диаметр круга, фракционный состав шл^фзерна, зернистость, типичная форма черен, копнен(рация черен на рабочей поверхности шлифовального круга); характеристики обрабатываемого материала (относительная площадь н относительная высота боковых паплмиои при мнкроречлнин единичным черном); члеменгы режима шлифования (скорость резании, скорость продольной иодачп, глубина шлифовании); параметры радиальных колебаний (амплитуда, частота, фаза).

2 этан. М одел про mm не текущего ПРИ. Па этом лапе с помощью метода Монте-Карло моделируются размеры, форма п расположение на рабочей поверхности Kpyia тех зерен, которые "входят" в данный lll'll. Те зерна, которые выступают выше критического уровня, удаляются из рассмотрения. Далее, с помощью тригонометрических формул определяются отсчеты профили проекции каждого зерна па базовую плоскость (переднем •

- 30-40 отсчетов для каждой проекции). После что го находится огибающая укачанных проекций, то есть II I'll. Среднее количество черен, участвующих в формировании ПРИ, зависит or концентрации абрачивных черен на рабочей поверхности шлифовального круга.

3 этап. Построение режущей поверхности круга, путем повторения "вцикле" предыдущего этапа Nраз, где N,,- общее число ПРИ на рабочей поверхности (зависит от диаметра круга).

4 этап. Выбирается конкретный ПРИ и для каждою "входящего " в этот профиль единичною зерна определяется, будет ли оно режущим. И случае положительного отпета с помощью известных формул определяемся следующие параметры среза, производимою вершиной -лого черна: толщина, длина, площадь сечения и объем среза. Определяется также "вклад" единичного среза в формирование 'профиля шлифованной поверхности.

5 этап. Повторение "в цикле" предыдущего этапа N,, раз, где N,, общее число И I'll. Ii результате он редслию гея: тетограммы распределений параметров единичных срезов.п их средние значении, микропрофиль шлифованном поверхности и сю параметры: Р средний уровень; Ra . Ks

- среднее арифметическое и среднее квадрат ическое отклонения oi среднею уровни; Р , Рмдч - минимальное и максимальное значения отсчеюв профили от бачовою уровня.

Указанные этапы моделирования ПРИ были реализованы в виде специальной компьютерной программы на измке ФОРТРАН, ориентированной на УНМ PC ХТ/А'Т.

Рис. Блок-схема программы, моделирующий процесс плоского глубинного шлифования однослойным» эльборовыми кругами

В качестве контрольного примера рассмотрена конкретная операция глубин ног» шлифования однослойными зльборовамн кругами, описываемая следующими параметрами: диаметр D шлифовального круга - 150 мм; шлифзерно - стандартное, Л К.В 100/80; концентрация К зерен на рабочей поверхности круга - 39 шт/мм2; скорость v резания - 23 м/с, скорость s продольной подачи - I м/мин, глубина t резания - 0,3 мм; обрабатываемый материал - закаленная сталь 45 с характеристиками наплывов: относительная площадь наплывов 0,25, относительная высота наплывов - 0,5.

В результате проведенного моделирования было получено, что значение параметра .Ra шероховатости шлифованной поверхности равно 1+0,1 мкм (до приработки круга Ra=l 111 мкм); процент режущих зерен -6-9% (до приработки 1,5- 2%); средняя тол щи на а, единичных срезов равна 4±0,4 мкм (до приработки а^=10± I мкм); 80% срезов (до приработки - 70%) имеют максимальную дли ну, равную длине дуги контакта круга с заготовкой; средняя прощадь S, сечений единичных срезов равна 20±4 мкм3 (до приработки 5,-100120 мкм2); средний объем V, единичных срезов равен (50±10)х10'мкм' (до приработки V/=(250±50)xI0'mkm').

Полученная оценка параметра Ra согласуется с экспериментальными данными (RanKn=0,95+l мкм).

Следует также отметить, что полученный с помощью компьютера закон распределения толщин единичных срезов в целом аналогичен полученному экспериментально в работе JI.H. Филимонова. Отличие состоит втом, что теоретический закон имеет больший процент сверхтонких срезов. Окончательный вывод об адекватности предложенной модели сделан в последующих разделах работы на основании анализа поведения системы при изменении входных данных.

111. ПРИМЕНЕНИЕ МОДЕЛИРОВАНИЯ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ЗАВИСИМОСТЕЙ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА СТРУЖКООБРАЗОВАНИЯ И ШЕРОХОВАТОСТИ ОБРАБОТАННОЙ ПОВЕРХНОСТИ ОТ УСЛОВИЙ ШЛИФОВАНИЯ Благодаря тому, что разработанная модель учитывает данные о распределении зерен по размеру, а также их форму имеется возможность проследить влияние этих факторов на параметры единичных срезов и шерохов гости обработанной поверхности.

Были рассмотрены следующие варианты рассева зерен по размеру: I ) стандартное шлифовальное зерно; 2) стандартное шлифовальное зерно без предельной фракции; 3) шлифовальное зерно, состоящее только из зерен основной фракции; 4) шлифовальное зерно, состоящее только из

К)

" зерен СуЖСППОЙ вдвое основной фракции.

Кроме того, 5млн рассмотрены следующие варианты формы зерен эл вбора:

I) Усредненная форма профиля стандартного единичного зерна, описываемая в модели шестиугольником с параметрами: угол при вершине а=110°, отношение поперечного размера к продольному 1Ш=0,7; 2) усредненная форма профиля отборного зерна, полученного путем дополнительного рассева, описываемого в модели шестиугольником с параметрами о=110°, 1Ш=0,8; 3) форма профиля идеального изометричного зерна, описываемого правильным шестиугольником (<х=120°. 1Ш=0,87).

В таблице 1 приведены полученные путем моделирования результаты расчетов значений параметров Г1п и средне)) толщины а7 единичных срезов и начале и в конце приработки шлифовального круга в зависимости от формы зерен и качества их рассева.

Из таблицы видно, что в случае применения зерен стандартной формы качество их рассева по размеру влияет на значения параметров Иа а а/ н начале приработки и не влияет на их значения после завершения приработки. Это обстоятельство объясняется тем, что в результате приработки шлифовального круга сильно выступающие зерна вырываются из связки или обламывайся, вследствие чего различие в качестве рассева зерен по размеру нивелируется. В случае изометричных зерен ситуация меняется, так как различие в качестве рассева зерен по размеру проявляется значительно сильнее и не устраняется полностью в процессе приработки круга. Из таблицы (¡»дно, что п этом случае значения параметров Ка и ал уменьшаются, как в начале, зак п в конце приработки круга. Анализ данных, приведенных в таблице, показывает, что форма зерен существенно влияет на значение параметров как в начале приработки шлифовального круга, так и после его завершения, но в большей степени влияет при более узкорасклассифицированном зерне. Однако сужение диапазона возможных размеров абразивных зерен имеет свои разумные пределы. Из таблицы видно, что сужение вдвое основной фракции шлифзерна не приводит к заметному уменьшению значений параметров На и а, . Изданных таблицы также следует, что при применении специально рассеянного эльборового зерна повышенной изметричности следует ожидать снижение значении Ка на 25% (подтверждено экспериментальными данными), и уменьшение значения я/ на 15%.

Моделирующая программа позволяет также исследовать влияние характера ориентации абразивных зерен на параметры единичных срезов и шероховатости. Особое внимание уделено случаю, когда абразивные зерна имеют детерминированную (направленную) вертикальную

Таблица I

Влияние формы зеренэльбораи камеей« их рассева но размеру на значения параметров Яа и а, в начале и в конце приработки шлифовального круга

Форма Стандартная Идеальная Повышенной

зерен изометричная гзометричности

Вариант рассева 1 2 3 4 1 2 3 4 Дополнительно

зерен рассеянное

а7,,,ЛЧ), мкм 10 8,5 4,7 4.65 7 6 3,2 2,7 5,5

а2(К"ш,мкм 4 4 3,9 3,9 3 3 2,1 2 3,4

11а<||л'',мкм 11 6 2,5 2 8,5 3 1,15 0,9 4

11а,К0М), мкм 1 ! 0,95 0,9 0,7 0,7 0,6 0,5 0,75

ориентацию. Показано, что при отсутствии дополнительного рассева зерен по размеру значения параметров Яа и а, уменьшаются незначительно. Однако, аналог отношении аг/р - отношение а.,/^, , где Б,- площадь поперечного сечения среза, увеличивается в среднем на 20-25% за счет уменьшения значения 87, что свидетельствует об уменьшении сил и температур микрорезания и, соответственно, об уменьшении средней нагрузки на единичное зерно при той же средней толщине среза а7. Значительно больший эффект от направленной вертикальной ориентации зерен можно ожидать в том случае, если она применяется в сочетании с их дополнительным рассевом по размеру. Как показало моделирование, при применении зерен только основной фракции вертикально направленная ориентация обеспечивает снижение а^"л,|) с Шдо 2,5мкм, Яа"|л'" с 11 до 0,45 мш; Ка,кп1|) снижается с I мкм до 0,35 мкм, а а,'*0"1 снижается с 4 мкм до 2,3 мкм. Такое снижение значения ад'кош (в 1,7 раза) в случае шлифования кругом с хаотично ориентированными зернами соответствует уменьшению скорости продольной подачи в 9 раз. Если к тому же учесть факт увеличения отношения а2/р (точнее отношение S¿ ), то

становится ясно, что разработка технологии изготовления шлифовальных кругов с направленно ориентированными зернами могла бы открыт:» перспективы для значительного повышения производительности процесса шлифованияэльборовымн кругами.

Далее в работе исследована зависимость параметров единичных срезов и шероховатости обработанной поверхности от диаметра шлифовального круга. С помощью моделирования и последующей

статистической обработки его результатов было установлено, что с

увеличением диаметра О значение Ка убывает образно пропорционально

VI), средняя толщина а, единичных срезов п процент активных зерен

8,— *(/ —

убывают обратно пропорционально чО и ,а их средний объеми общее число активных зерен - возрастают пропорционально ^О и, ^О^ соответственно.

При применяемой в настоящее время технологии изготовлении эльборовых кругов на гальванической связке концентрация зерен не варьируется и близка к концентрации максимального возможного насыщения режущего слоя зернами эльбора. Некоторое уменьшение концентрации могло бы иметь положительное значение, так как при этом увеличилось бы свободное пространство для схода стружек и была бы облегчена подача СОЖ. Однако уменьшение концентрации зерен сверх этой необходимости приводит к неоправданному увеличению механической и термической нагрузки на абразивные зерна. В диссертации приведены зависимости, которые могут служить базой для расчета оптимальных значений концентрации абразивных зерен на рабочей поверхности инструмента.

В случае шлифования эльборовыми кругами на гальванической

связке зернистость абразивного материала оказывает более существенное

влияние на значение параметров [1а и а,, чем в случае шлифования

обычными кругами. Путем моделирования и теоретических рассмотрений 1Л5

установлено, что Ка=с ъ , а7=с г, где г - номер зернистости.

В работе получены зависимости параметров срезов от элементов режима шлифования, например а =

Установленная зависимость параметра ау от скорости 5 продольной подачи используется для определения резерва производительности , появляющегося при уменьшении параметра яу. К примеру, уменьшение параметра а/ с 4 мкм до 3,4 мкм при использовании специально рассеянного зерна может интерпретироваться как возможность увеличения скорости 5 продольной подачи в(4:3,4)4 = 1,9раза.

Моделирование показало, что при глубинном шлифовании параметр 11а шероховатости обработанной поверхности практически не зависит от глубины 1:, подачи я (в пределах 0,1-5 м/мин) и скорости резания (при у>20м/с).

Несмотря на то, что эльборовые круги на гальванической связке мо|уг работать без правки, в некоторых случаях, например, когда необходимо уменьшить шероховатость шлифованной поверхности, эти круги также подвергаются правке. В работе смоделированы два гипотетических типа правки: I тип правки, при котором все зерна, расположенные выше

п

определенного уровня М111А1| (глубины правки), вырываются нт связки и II тип правки, при котором все зерна, выступающие выше уровня !11||>м, обламываются на величину превышения этого уровня, причем форма режущей кромки зерна сохраняется неизмен 11011.

Первый тип правки является идеализацией того случая, когда механическая прочность единичного зерна превышает усилия его вырывания из связки. Второй тип правки является идеализацией того случая, когда, во-первых усилие скалывания абразивного зерна меньше усилии его вырывани/! 13 связки, и , во-вторых, когда единичное зерно при этом скалывается примерно на уровне правки. Реальная правка занимает в определенном смысле промежуточное положение между описанными двумя видами правки, и ее моделирование также возможно, если известно статистическое распределение размеров и формы сколов единичною абразивного зерна, образующихся под воздействием правки. Компьютерное моделирование позволяет определить оптимальную глубину правки в зависимости от заданных требований к шероховатости обработанной поверхности.

Известно, что радиальные колебания шлифовального круга относительно обрабатываемой поверхности оказывают значительное, а в случае однослойных кругов определяющее влияние на работоспособность инструмента. Колебания отрицательно сказываются также на шероховатости шлифованной поверхности.

Наличие радиальных колебаний приводит к тому, что приведенные режущие профиля, на которые условно разбивается рабочая поверхность шлифовального круга, имеют дополнительную величину смещения в направлении колебаний. Если задаться определенным типом колебаний, например, гармоническим и считать, что смешение шлифовального круга относительно обрабатываемой поверхности описывается функцией: у(т)=гАсо$(ют+ф), где 1 - текущее время, А, со. (р - амплитуда, частота и начальная фаза колебаний (соответственно), то нетрудно видеть, что дополнительное смещение ДУ] приведенного режущего профиля с номером

] может быть определено по формуле: АУ|"ЛсчкОи/!^, -+9), где ]=1..... N1,,;

Ы(1 - общее количество ПРИ на поверхности шлифовального круга. Принимая во внимание згу формулу, нетрудно провес™ моделирование процесса шлифования с учетом радиальных колебании круга относительно детали.

1 Доведенное моделирование позволило оценить влияние параметров радиальных колебаний на шероховатость шлифованной поверхности. В работахЛ.Н. Филимонова и Ю.Д. Аврупша получено экспериментально и доказано теоретически, что шероховатость изменяется вдоль волны на

обработанной поверхности закономерным образом: на вершине волны шероховатость меньше, чем во впалине. Проведенное моделирование показало, что при характерных для операции профильного глубинного шлифования соотношениях скоростей резания и продольной подачи различие в шероховатости вдоль волны практически отсутствует (менее 5%). При увеличении амплитуды Л колебаний шероховатость увеличивается: при А=5 мкм, значение 11а увеличивается примерно на 20%, при А=15 мкм - на 35%. Этот вывод справедлив, как для частоты Г=50 Гц (частота вращения круга) так и для частоты Г=500 Гц.

Проведенное моделирование дало возможность получить оценки максимальных значений средних толщин единичных срезов по периметру крута в зависимости от амплитуды и частоты его радиальных колебаний относительно обрабатываемой поверхности, что позволило определить степень снижения режущей способности и стойкости круга.

Высокочастотные колебания с амплитудой А увеличивают максимальную среднюю толщину ау единичных срезов примерно также, как низкочастотные с амплитудой А/2. Кроме того, из полученных данных следует, что уже при амплитуде А=2 мкм, 1=500 Гц, и при А=4 мкм, Г=50 Гц, средняя толщина единичных срезов на отдельных участках рабочей поверхности круга такая же, как в отсутствии колебаний при вдвое большей скорости 5 продольной подачи 2м/мин. Результаты анализа позволили сделать вывод о том, что для равномерной работы круга с достаточной стойкостью амплитуда колебаний его рабочей поверхности не должна превышать 2-4 мкм. При большей амплитуде наблюдается быстрый неравномерный износ круга и снижение качества обработанной поверхности.

IV. РАЗРАБОТКА РЕКОЛ1Е11ДАЦИЙ ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ И ЭФФЕКТИВНОМУ ПРИМЕНЕНИЮ ШЛИФОВАЛЬНЫХ КРУГОВ ИЗЭЛЬБОРА НА ГАЛЬВАНИЧЕСКОЙ СВЯЗКЕ

В этой части работы прежде всего формулируется общая задача оптимизации процесса шлифования, как задача минимизации стоимости съема единицы объема металла при тех или иных дополнительных ограничениях. В роли дополнительного ограничения может выступать ограничение на значение параметра На шероховатости шлифованной поверхности.

Если стоимость инструмента (и его установки) значительно меньше стоимости обслуживания и эксплуатации станка, то задача минимизации стоимости съема единицы объема металла эквивалентна задаче максимизации производительности шлифования.

Далее на базе результатов, полученных в предыдущем разделе, формулируются рекомендации по рациональному выбору характеристик круга и элементов режима шлифования.

Сначала остановимся на выборе зернового состава шлифзерна. С помощью компьютерного моделирования было показано, что шлифзерно, состоящее из более близких по размеру и более изометричных зерен, обеспечивает уменьшение шероховатости обработанной поверхности, толщин срезов и соответствующее снижение нагрузки на зерна при шлифовании. Однако получение подобною шлифзерна связано с дополнительными затратами , которые следует сопоставлять с возможным выигрышем от увеличения периода стойкости круга или от увеличения его режущей способности.

Пусть, к примеру, сравнивается два варианта шлифзерна - стандартное зерно (вариант №1) и специально рассеянное зерно (вариант №2) на основании сведений о форме зерен и качестве их рассева было получено путем моделирования, что в первом варианте Яа=1 мкм, =4 мкм, во втором варианте И а =0,75 мкм, а7 =3,4 мкм. Снижение значения параметра с 4 до 3,4 мкм позволяет повысить скорость продольной подачи в (4:3,4)** = 1,9 раза. То есть, в случае специально рассеянного зерна следует ожидать, что производительность шлифования может быть увеличена на 90% при сохранении (или даже некотором увеличении за счет большей прочности отборных зерен) периода стойкости шлифовального круга. Ввиду этого, стоимость сошлифованного за период стойкости металла уменьшится на величину ДС, равную примерно 50% от первоначальной стоимости. Таким образом, если разность в стоимости специально рассеянного и стандартного шлифзерна меньше величины ДС , то применение специального рассева экономически целесообразно.

Важнейшей характеристикой однослойного эльборового круга является его зернистость. С увеличением зернистости режущая способность круга возрастает, однако при этом существенно увеличивается шероховатость обработанной поверхности. Поэтому зернистость однослойного эльборового круга следует выбирать с учетом имеющихся требовани!! к шероховатости шлифованной поверхности. Такой выбор может быть осуществлен на основе данных таблицы 2, рассчитанных с помощью моделирующей программы (шлифзерно - специально рассеяное). В таблице учитывается значение диаметра шлифовального круга, которое, как правило, однозначно определяется условиями конкретной операции. В том случае, если имеется возможность выбора, следует предпочесть круг с большим диаметром, так как при этом появляется дополнительный резерв

Таблица 2

'Зависимость значений параметра Ra or зернистости и диаметра шлифовального круга (шлпфзерно - специально рассеянное)

7. " 25 50 100 150 200 300

Х0/60 IOO/.NO 1,2 1 M 0,Х 0,6 0,55 0,5

U О,1' (1.Х 0,75 0,7 .

125/100 1.7 1,4 1.2 1,1 1 0,9

1Ш/125 2.2 1.') 1,6 1,45 1,3 1,2

200/16(1 з 2,5 2.1 1.8 1,6

250/200 4/, .3,3 2.Х 2,5 2,4 2,1

для увеличения зернистости круга и периода ею стойкости. Ввиду этого алюртм поиска оптимальною сочетания диаметра и зернистости должен бы и. следующим. Сначала для рассматриваемой операции выбирается максимально возможное значение диамечра круга, затем для выбранного дпамегра по таблице 2 находится максимальная зернистость, при которой выполняется заданное требование к шероховатости шлифованной поверхности.

При выборе скорости резания следует исходить из того, что, как показано в работах К. Порпнга, Jl.ll. Филимонова и других, при увеличении скорости резания происходит улучшение практически всех показателей процесса шлифования, ввиду чет следуете фемин.ея к выбору максимально возможною значения эюю параметра, но с учетом возможностей станка и требовании техники безопасности. Эльборовые крут на гальванической связке moi уг применят ься па скоростях до 200 м/с, то сеть только эти круги Moiyi в полной мере рсалпзовынап. возможное))! высокоскоростной технологии шлифования, позволяются в десятки раз повысить произвол))(слыюсп. -лого процесса. Однако, при выборе оптимальной скорое m резания следует учтива п., что высокоскоростные шлифовальные оапки имени сущее тетю болыпуюаонмосп. по сравнению с o6i.I4hi.imii оанками.

При выборе скорости продольной подачи также естественно оремин.ся к максимально во шожному ее значению. Офаничением здесь являося появление нрнжогоп па обработанной поверхности и резкое уменьшение периода стойкости шлифовального круга. Проведенные во BI1ПИЛ1П Л.Л. Ьс.човым эксперимент пока шли. чго для рассматриваемой

операции плоского глубинного шлифования закаленной стали 45 при скорости резания 23 м/с и глубине резания 0,3 мм оптимальное значение продольной подачи равно 1 м/мин. Из результатов, полученных в предыдущем разделе, вытекает, что увеличить оптимальное значение скорости продольной подачи можно за счет применения специально рассеянного шлифзерна, благодаря тому, что при этом с одной стороны уменьшается механическая и тепловая нагрузка на абразивные зерна (об этом свидетельствует уменьшение среднего значения толщины единичных срезов), а с другой стороны увеличивается их средняя механическая прочность (вследствие повышения степени их изометричности),

Другой эффективный путь достижения большей производительности шлифования заключается в повышении скорости резания, так как это открывает возможность пропорционального или большего увеличения скорости продольной подачи.

При выборе глубины шлифования следует исходить из того, что оптимальной является максимальная глубина, при которой весь припуск снимается за один проход. При этом наблюдается меньший линейный износ шлифовального круга, чем при многопроходной схеме (эксперименты проведены в ГосНИИАШ А.А. Беловым).

Из изложенного вытекает, что оптимальной схемой профильного шлифования эльборовыми кругами на гальванической связке является схема глубинного профильного шлифования с максимально возможной скоростью резания. Рекомендуемый технологический цикл шлифования: снятие глубинным методом всего припуска за один проход при встречном шлифовании; затем ускоренный выхаживающим проход со скоростью подачи до 5 м/мин (расчеты показывают, что при таком значении продольной подачи шероховатость шлифовальной поверхности не ухудшится).

Как отмечалось в первой части работы, важное значение имеет разработка требований к точности изготовления и установки шлифовального круга на станок. На основе проведенного в работе анализа влияния радиальных колебаний на характер неоднородности толщин единичных срезов, установлено, что допустимое биение рабочей поверхности шлифовального круга на шпинделе станка не должно превышать 4-8 мкм. Биения большей величины вызывают появления прпжогов на шлифованной поверхности и существенно снижают режущую способность и стойкость круга.

ВЫВОДЫ

I .Разработана и реализована в виде компьютерной программы ими танионная модельнроцесса плоского глубинного шлифования однослой-

ными апьборовмми кругами, основанная на моделирования методом Монте-Карло абразивных зерен случайной формы и размера, их хаотичного расположения на рабочей поверхности круга, а также на моделировании срезов, образовавшихся от вершин этих зерен. Компьютерная программа позволяет оценить параметры шероховатости обработанной поверхности, размеры единичных срезов и их число в зависимости от качества рассева шлифзерна, характеристики инструмента, элементов режима шлифования и параметров радиальных колебаний круга относительно детали. Возможность расчета размеров единичных срезов (длины, толщины, площади сечения и т.д.) является базой для оценки сил резания, контактных температур, износа круга и других важнейших выходных показателей процесса шлифовании, и тем самым для решения задач его оптимизации и управления.

2. Путем моделирования с учетом экспериментальных данных установлено, что однослойный эльборовый круг в процессе приработки существенно меняегевой рельеф из-за вырывания из связки и выкрашивания примерно 5% наиболее выступающих зерен эльбора. По завершении приработки рельеф стабилизируется и наступает период длительного стабильного шлифования без существенных изменений его параметров. Расчеты, проведенные для конкретной операции плоского глубинного шлифования закаленной стали 45 (скорость резания 23 м/с, продольная подача 1 м/мин, глубина шлифования 0,3 ми, диаметр круга 150 мм, шлифзерно Л KB) показывают, что количество активных зерен в начале приработки составляет 1,5-2%, средняя толщина а7 единичных срезов 10±1 мкм, параметр Ra шероховатости обработанной поверхности 11 ± 1 мкм, а в конце приработки количество "активных"зерен увеличивается до 6- 9%, а/ =4+0,4 мкм и Ra=l±0,l мкм. Применение кругов, имеющих в составе эльборового зерна только основную фракцию, позволяет уменьшить значение параметров а7 и Ra в начале шлифования до 4,7 мкм и 2,5 мкм; после приработки влияние качества рассева зерен несущественно.

3. Применение узкоклассифицировамного и изометричного шлифзерна в однослойных зльборовых кругах позволяет существенно снизить значения Ra и а/ в 10 раз и в 4 раза в начале шлифования, и в 1,8 раза и в 2 раза после приработки. Дополнительно рассев шлифзерна, рекомендуемый для изготовления однослойных эльборовых кругов, позволяет увеличить процент монокристаллов с 35 до 80% и степень изометричности (отношение поперечного размера к продольному) с 0,7 до 0,8, что дает возможность уменьшить параметр Ra на 25% и а7 - на 20%. Экспериментальная проверка подтверждает расчетные данные, стойкость таких кругов увеличивается в 2 раза.

4. Путем моделирования установлено, что вертикально направленная ориентация зерен стандартного шлифзерна особенно эффективна в сочетании с их дополнительным рассевом по размеру. "Гак при сужении разброса размеров зерен до ширины основной фракции направленная ориентация обеспечиваетуменьшение значения Ка|К"ш втрое и аг(КО|1|в 1,7 раза. Кройе того, направленная ориентация зерен позволяет обеспечить более благоприятные условия для микрорезании. На сегодняшний день, однако, технология изготовления эльборовых кругов, обеспечивающая направленную ориентацию зерен, не разработана.

5. В случае шлифования эльборовыми кругами на гальванической связке зернистость шлифовального материала оказывает более существенное влияние на шероховатость шлифованной поверхности и среднее значение толщины единичных срезов, чем в случае шлифования обычными кругами на керамической связке. Так, при изменении зернистости вдвое (с 53/48 до 100/80) значение Яа увеличивается почти втрое (подтверждено экспериментальными данными), а значение а, - вдвое.

6. Расчеты показывают, что при увеличении диаметра круга О параметр шероховатости Ка к средняя толщина среза яу убывают, а средняя длина и объем срезов и \7 - увеличиваются. При увеличении диаметра круга в 4 раза значение параметра Г1а уменьшается примерно в 1.6 раза, а значение я.Л уменьшается примерно на 20%. При этом, процент активных зерен уменьшается в 1.3 раза, значение параметра \Л возрастает в 2 раза, значение \7 - в 1.4 раза, а общее количество активных зерен увеличивается приблизительно в 2.8 раза.

7. Полученные в результате моделирования зависимости параметров а7 и Ка от элементов режима шлифования показывают, что при увеличении продольной подачи 8 с 0,1 до 5 м/мин значение параметра а_, увеличивается пропорционально ^ а значение параметра Иа практически не меняется. При увеличении скорости V резания параметр а,уменьшается обратно пропорционально4^, а значение параметра 11а практически не меняется. При увеличении глубины I шлифования, параметр а, увеличивается незначительно (пропорционально^), а параметр Яа шероховатости шлифовальной поверхности не меняется.

8. Как показывают расчеты, вклад наплывов в шероховатость шлифованной поверхности может составлять до 80% и зависит, как от их относительной высоты, так к от их озноситсльпой площади. "Гак, при шлифовании закаленной стали 45 при скорости резания 40 м/с вклад боковых наплывов в шероховатость обработанной поверхности еоставляез 10-15%.

9. Радиальные колебания шлифовального круга относительно детали

отрицательно ск,-пинаются на показателях процесса шлифования, так как приводят к неравномерности толщин единичных срезов но периметру круга. С увеличением амплитуды характер неравномерности средних толщин срезов усиливается. При амплитуде Л колебании 5 мкм и частоте Г колебаний 50 Гц значение а/ на отдельных участках рабочей поверхности круга увеличивается и 1,2 раза, что требует уменьшения продольной подачи в 2 раза, при Л=1 5 мкм значение а/ увеличивается в 1,3 раза, что требует уменьшения продольной подачи в 3 раза. Влияние частоты колебаний менее значительное, однако увеличение частоты с 50 до 500 Гц приводит примерно к такому же увеличению параметров а/, как увеличение вдвое амплитуды колебаний.

Анализ влияния параметров радиальных колебаний круга на неравномерный характер изменения параметра ау позволил разработать обоснованные требования к точности изготовления и установки круга на станок. В частности, определено, что допустимое биение рабочей поверхности круга на шпинделе станка не должно превышать 4-8 мкм.

10. Проведенные эксперименты и расчеты показывают, что наиболее эффективный метод шлифования эльборовмми кругами на гальванической связке - глубинный высокоскоростной. При увеличении скорости резания рекомендуется как минимум пропорционально увеличить скорость продольной подачи. Экспериментально установлено, что при минимальной скорости резания, равной 23 м/с, оптимальное значение скорости продольной подачи :: -- —равно 1 м/мин; рекомендуемый при этом технологический никл шлифования: снятие глубинным методом всего припуска за один проход при встречном шлифовании; затем ускоренный выхаживающий проход со скоростью подачи до 5 м/мин (расчеты показывают, что шероховатость шлифованной поверхности при таком значении подачи не ухудшится).

11. Применение разработанного метода компьютерного моделирования дает возможность технологу-проектировщику абразивного инструмента без проведения большого количества дорогостоящих экспериментов решать задачи выбора оптимальной характеристики круга, точности его изготовления, а технологу по обработке металлов - решать задачи выбора рациональных технологических условии шлифования и создать предпосылки его управления. Промышленное применение эльборовых кругов на гальванической связке с рекомендуемыми в работе характеристиками и режимами обработки позволило увеличить производительность операций шлииешлифования и заточки обкаточных резцов в 4 раза и операции зубошлифования зубчатых колес в 2.1 раза при одновременном повышении качества и точности обработки, а также

стойкости кругов по сравнению со шлифовальными кругами па керамической связке.

Материалы диссертации отражены и публикациях:

1. Казнь сц Е.М. Статистическое моделирование профиля шлифованной поверхности на основе геометрического подхода //Тезисы докл. на Всесоюзн.конф., "Оптимшлифабразив-88", 7- 11 септ., 1988 г. - Л„ 1988. - С. 73-74.

2. Казинец Е.М., Белов A.A. Перспективы применения моделирования на ЭВМ при разработке САПР абразивного инструмента на гальванической связке// Тр.ВНИИАШ, 1988,- С.55-59.

3. Белов A.A., Казинец Е.М. Проектирование инструмента на гальванической связке с помощью моделировании на ЭВМ /Др.ВН И ПАШ, 1991. - С. 113- 115.

4. Казинец Е.М. О моделировании на ЭВМ процесса шлифования кругами па гальванической связке //Тезисы докл. на международной конф., "Интерграинд-91". 1-4 окт., Л., 1991.- С.90-92.