автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.07, диссертация на тему:Обеспечение качества поверхности зубьев протяжек при их шлифовании профилированными прерывистыми кругами

На правах рукописи

Богуцкий Владимир Борисович

ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТИ ЗУБЬЕВ ПРОТЯЖЕК ПРИ ИХ ШЛИФОВАНИИ ПРОФИЛИРОВАННЫМИ ПРЕРЫВИСТЫМИ КРУГАМИ

Специальность 05.02.07 — Технология и оборудование механической и физико-технической обработки

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

6 НОЯ 2014

005554682

Севастополь - 2014

005554682

Работа выполнена на кафедре технологии машиностроения Севастопольского национального технического университета (СевНТУ)

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Братан Сергей Михайлович, Севастопольский национальный технический университет, заведующий кафедрой технологии машиностроения.

Официальные оппоненты: - доктор технических наук, профессор

Гусев Владимир Владиленович,

Донецкий национальный технический университет, заведующий кафедрой мехатронных систем машиностроительного оборудования;

- кандидат технических наук, доцент Ягьяев Эльмар Энверович, Крымский инженерно-педагогический университет, заведующий кафедрой электромеханики и технологии сварки.

Ведущая организация - ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный

технический университет им. И.И. Ползунова».

Защита состоится 9 декабря 2014 г. в 12.00 часов на заседании диссертационного совета К 50.052.01 при Севастопольском национальном техническом университете п адресу: 299053, г. Севастополь, ул. Университетская, 33 конференц-зал РЕБТО.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Севастопольского национальног технического университета по адресу: 299053, г. Севастополь, ул. Университетскг 31, а также на сайте sevntu.com.ua.

Автореферат разослан «_» октября 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н., профессор

Харченко А.О. "

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Перед предприятиями, осуществляющими производство режущего инструмента, достаточно остро стоит задача обеспечения его качества, которое в значительной степени определяет эффективность механической обработки деталей и обеспечивает высокую конкурентоспособность выпускаемой продукции.

В первую очередь это относится к тем операциям механообработки, где режущий инструмент является лимитирующим звеном технологической цепочки, являясь при этом чрезвычайно сложным и дорогим. К такому инструменту в полной мере можно отнести различные виды протяжек и прошивок.

Производство протяжек включает в себя большое количество технологических операций. Анализ чертежей протяжек и технологических процессов их механической обработки показал, что одной из наиболее сложных и трудоемких операций при их производстве является операция шлифования стружечных канавок, заточка и переточка зубьев по передней поверхности. На данный момент точность и качество обработки таких изделий определяется опытом и квалификацией рабочих.

В настоящее время обработка поверхностей протяжек осуществляется профильным абразивным инструментом, который, с одной стороны, должен обладать высокой размерной стойкостью, а с другой - обеспечивать высокое качество поверхностного слоя.

Несмотря на то, что протяжки имеют значительный запас прочности, заложенный конструктором, их зубья ломаются, происходит ускоренный износ вследствие наличия скрытых дефектов. При шлифовании зубьев недопустимы искажение формы стружечных канавок зубьев, уступы на передней поверхности, завалы, заусенцы, прижоги, пересекающиеся круговые и лучевые риски.

Контроль заточенных протяжек говорит о нестабильности значений передних и задних углов и формы стружечных канавок, что приводит к преждевременному выходу инструмента из строя.

Появление дефектов является результатом нестационарности процесса шлифования. Вследствие износа абразивных зерен с течением времени изменяется состояние рабочей поверхности абразивного инструмента, ухудшаются режущие свойства, возрастают силы резания, что приводит к колебаниям значений показателей качества и в ряде случаев к скрытому браку, снижению ресурса работы режущего инструмента.

Для обеспечения заданного качества поверхностей протяжек осуществляют частую правку шлифовального круга, производят подналадку оборудования и корректировку управляющих программ.

Вышеуказанные мероприятия приводят к значительным затратам времени, расходу абразивного инструмента и требуют высокой квалификации персонала.

Для проектирования процессов шлифования протяжек используются методики, построенные на основе традиционных детерминированных моделей протекания технологического процесса (ТП). Вместе с тем процессы обработки абразивным инструментом имеют сложную стохастическую природу, что приводит к ошибкам при использовании современных методик расчета режимов резания.

Снижение количества дефектов при изготовлении протяжек возможно за счет применен™ прерывистых абразивных кругов. Однако данный метод не нашел широкого применения в инструментальной промышленности вследствие необходимости формирования специального профиля на рабочей поверхности круга, сложности из-

готовления абразивного инструмента, необходимости дополнительных затрат на формирование прерывистой поверхности и отсутствие методик правки и расчета режимов резания, отражающих стохастическую природу процесса.

Отсутствие стохастических нестационарных моделей и недостаточная изученность процесса формообразования деталей кругами с прерывистой поверхностью являются сдерживающими факторами в создании эффективных методов заточки режущих поверхностей протяжек, повышающих стабильность качества обработки.

Необходимо комплексное решение вышеуказанных вопросов, совокупность которых представляют собой нерешенную до настоящего времени задачу.

Связь с научными программами, планами, темами. Работа выполнена на кафедре технологии машиностроения Севастопольского национального технического университета (СевНТУ) и является составной частью научных исследований, проведенных кафедрой в рамках комплексного плана исследований Министерства образования и науки Украины по проблеме повышения качества деталей при механической обработке. Результаты, полученные автором диссертации, использованы при выполнении госбюджетных тем «Основы управления качеством при чистовом и тонком шлифовании» (№0105У009118, 2006-2008 гг., СевНТУ), «Основы создания систем управления процессами обработки материалов» (№0109Ш01703, 2009-2013 гг., СевНТУ), «Моделирование, синтез и оптимизация процессов обработки материалов вращающимися инструментами» (2012-2014 гг., СевНТУ).

Цель работы — обеспечение параметров качества за счет разработки комплекса технических решений, обоснованных анализом и изучением особенностей взаимодействия прерывистого шлифовального круга с заготовкой на операциях шлифования зубьев протяжек.

Основные задачи исследования:

1. Выполнить анализ существующих методов формообразования поверхностей стружечных канавок и передних поверхностей зубьев протяжек, причин происхождения технологических дефектов, обусловливающих ухудшение эксплуатационных свойств протяжек.

2. Выполнить анализ взаимодействия прерывистого шлифовального круга с заготовкой на операциях шлифования зубьев протяжек. Для установления взаимосвязей между входными и выходными переменными рассмотреть процесс шлифования зубьев протяжек как динамическую систему.

3. Определить форму зоны контакта для условий шлифования со скрещенными осями абразивного инструмента и детали.

4. Провести аналитическое моделирование процесса шлифования внутренних протяжек, разработать зависимости съема материала и шероховатости поверхности.

5. Исследовать закономерности износа прерывистого абразивного инструмента и разработать методику расчета величины слоя, снимаемого при правке круга, предложить метод и устройство формирования прерывистой поверхности круга.

6. Экспериментально определить достоверность результатов исследований.

7. Оптимизировать цикл шлифования зубьев протяжек.

8. Осуществить проверку полученных технических решений и внедрение результатов в производство и выполнить оценку эффективности предлагаемых решений.

Объектом исследования является процесс шлифования зубьев протяжек кругом с прерывистой поверхностью.

Предметом исследования являются взаимосвязи между входными и выходными показателями процесса шлифования зубьев протяжек прерывистыми кругами с учетом нестационарных свойств и стохастической природы процесса.

Методы исследования. Теоретические исследования проводились на базе научных основ технологии машиностроения, теории резания металлов, системного анализа, теории вероятностей, проверки статистических гипотез. При проверке адекватности моделей применены методы моделирования, базирующиеся на аналитическом и численном эксперименте (система трехмерного моделирования «КОМПАСС», при кладные программы Excel и Maple), а также на экспериментальной проверке результатов моделирования в лабораторных и производственных условиях.

Достоверность теоретических и экспериментальных исследований подтверждается результатами опьггно-промышленной проверки и внедрения в производство.

Научная новизна работы. На основе системного подхода к исследованию технологических операций и основных положений теории абразивной обработки в работе получены следующие новые научные результаты:

1) предложена концепция обеспечения качества протяжек, основанная на применении прерывистых шлифовальных кругов с коррекцией числа и размеров выступов, режимов резания при шлифовании стружечных канавок и режущих элементов по передней поверхности;

2) впервые установлено, что зона контакта при шлифовании зубьев протяжек для условий шлифования с перекрещивающимися осями имеет форму криволинейно го двуугольника;

3) впервые получены зависимости, учитывающие взаимосвязь текущего значения глубины микрорезания i(z) от эквивалентного диаметра Д, при шлифовании зубьев протяжек и стружечных канавок для условий обработки с перекрещивающимися осями;

4) уточнены закономерности износа тарельчатого шлифовального круга при шлифовании зубьев протяжек, что позволило определить период работы шлифовального круга, при которых обеспечивается заданное качество обрабатываемой поверхности, рассчитать геометрические параметры прерывистой поверхности шлифовального круга и разработать методику профилирования прерывистых шлифовальных кругов;

5) получила дальнейшее развитие теория шлифования абразивными инструментами, на основе которой построена стохастическая нестационарная математическая модель съёма материала и шероховатости поверхности, что позволило учесть действительное количество зерен, участвующих в резании, и более адекватно прогнозировать поведение процесса;

6) для условий шлифования зубьев протяжек прерывистыми шлифовальными кругами разработана модель, позволяющая осуществлять расчет оптимальных циклов шлифования зубьев протяжек с учетом изменения состояния технологической системы с течением времени, минимизировать штучное время или себестоимость обработки.

Практическое значение и реализация полученных результатов. Практическое значение результатов работы заключается в том, что применение разработанных теоретических методов позволило усовершенствовать технологию обработки зубьев протяжек, обеспечивающую заданное качество обработанных деталей при повыше-

нии производительности шлифования. Разработаны конструкции шлифовальных кругов с прерывистой поверхностью и устройство их правки непосредственно на станке.

Работа выполнена на кафедре технологии машиностроения Севастопольского национального технического университета и является составной частью научных исследований, проводимых кафедрой.

Результаты выполненных исследований внедрены на предприятиях ОАО «Завод «ФИОЛЕНТ» (г. Симферополь), ПП «Мелитопольский моторный завод» (г. Мелитополь) в рамках тем «Основы управления качеством при чистовом и тонком шлифовании» (№0105V009118,2006-2008 гг., СевНТУ), «Основы создания систем управления процессами обработки материалов» (№0109U001703, 2009-2013 гг., СевНТУ), «Моделирование, синтез и оптимизация процессов обработки материалов вращающимися инструментами» (2012-2014 гг., СевНТУ).

Годовой экономический эффект при изготовлении и переточке протяжек на предприятии ОАО «Завод «ФИОЛЕНТ» составил 88157 грн. на ноябрь 2013 года, на предприятии ПП «Мелитопольский моторный завод» - 217837 грн. на декабрь 2013 года.

Материалы диссертации также внедрены в учебный процесс и используются для разработки методических комплексов по дисциплинам «Технология инструментального производства», «Теория абразивно-алмазной обработки», включенных в программу подготовки студентов направления 15.03.05 «Конструкторско-технологическая подготовка машиностроительных производств» на кафедре технологии машиностроения Севастопольского национального технического университета 20.05.2014 г.

Достоверность полученных результатов. Достоверность результатов работы обеспечивается строгостью постановки задач при построении математических моделей, обоснованностью принятых допущений, использованием математически корректных методов. Адекватность полученных результатов подтверждена экспериментальной проверкой и результатами внедрения на машиностроительных предприятиях.

Личный вклад соискателя заключается в формулировании целей и задач работы, разработке методов их решения, проведении экспериментальных исследований, построении математических моделей, установлении теоретических зависимостей, анализе и обобщении полученных результатов исследований, формулировании новизны и основных выводов по результатам работы. Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований, которые выносятся на защиту, получены автором самостоятельно.

Апробация работы. Основные положения, результаты и выводы докладывались на научно-технических конференциях и семинарах профессорско-преподавательского состава Севастопольского национального технического университета в 2007-2014 гг.; «Высокие технологии в машиностроении. Интерпартнер-2007» (Харьков, 2007); «Автоматизация: проблемы, идеи, решения» (Севастополь, 2007); «Современные инженерные и инженерно-педагогические технологии в промышленности и образовании» (Симферополь, 2011); VII International Conference «Strategy of Quality in Industry and Education» (Varna, 2012); «Современные направления и перспективы развития технологий обработки и оборудования в машиностроении» «Механообработка. Севастополь — 2012»; «Высокие технологии в машиностроении. Интерпартнер-2012» (Алушта, 2012); «Современная техника и технологии: проблемы, состояние и перспекти-

вы» (Барнаул, 2012); «Прогрессивные направления развития машино-приборостроения, транспорта и экологии» (Севастополь, 2013); «Современные направления и перспективы развития технологий обработки и оборудования в машиностроении» «Механообработка. Севастополь - 2013»; «Высокие технологии в машиностроении. Интерпартнер-2013» (Харьков, 2013); «Машинобудування - очима молодих» (Кременчуг, 2013); «Машиностроение и техносфера XXI века» (Севастополь, 2014).

В полном объеме диссертация доложена и одобрена на международной научно-технической конференции «Машинобудування - очима молодих» (Кременчуг, 2013), международной научно-технической конференции «Современные направления и перспективы развития технологий обработки и оборудования в машиностроении» «Механообработка. Севастополь-2014»; объединенном научном семинаре кафедр технологии машиностроения, автоматизированных приборных систем, теории машин и механизмов, автомобильного транспорта, автоматизации технологических процессов :: производств Севастопольского национального технического университета.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 24 работы. Основное содержание отражено в 16 статьях входящих в отечественные и международные наукометрические базы и трех патентах на изобретения, перечень которых представлен в списке использованных источников.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, четырех глас, основных выводов, списка использованных литературных источников, содержащего 153 наименования, приложения, актов внедрения результатов работы, патентной документации. Диссертация содержит 61 рисунок и 22 таблицы. Общий объем работч -150 страниц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении отражена актуальность темы и обоснована необходимость обеспечения параметров качества при шлифовании зубьев протяжек; обоснованы направления исследований; определены цель и научные задачи работы; перечислены основные результаты с оценкой их научной новизны и практического значения; описана структура работы.

Первая глава посвящена анализу современного состояния исследуемого вопроса и формированию задач, решение которых необходимо для достижении поставленной цели исследований.

Фундаментальные положения обеспечения качества в теории шлифования освещены в исследованиях Аврутина Ю.Д., Байкалова A.B., Бакуля В.Н., Богомолова Н.И., Бокучавы Г.В., Евсеева Л.Г., Кальченко В.И., Королева A.B., Корчака С.Н., Кошина A.A., Кремня З.И., Лоладзе Т.Н., Лурье Г.Б., Маталина A.A., Маслова E.H., Новоселова Ю.К., Петракова Ю.В., Редько С.Г., Резникова А.Н., Сизого Ю.А., Суслова А.Г., Старкова В.К., Узуняна М.Д., Федосеева О.Б., Филимонова Л.Н., Худобина Л.В., Якимова A.B. и многих других. Представленные работы освещают широкий спектр проблем, однако данные исследования не учитывают специфику условий нестационарности и случайного характера процессов шлифования зубьев протяжек.

Вопросам обеспечения показателей качества при чистовой обработке посвящены работы ученых Братана С.М., Гусева В.В., Леонова С.Л., Носенко В.А., Татаркина

Е.Ю. и др. Однако в них не рассмотрены особенности шлифования зубьев протяжек, расчета режимов резания для изменяющихся с течением времени условий обработки инструментом с прерывистой рабочей поверхностью.

Выполненный анализ показал, что вопросы обеспечения показателей качества при шлифовании зубьев протяжек слабо изучены и требуют дальнейшей детальной проработки.

Во второй главе диссертации осуществлен анализ и моделирование пространственно-временного взаимодействия инструмента и обрабатываемой поверхности при шлифовании зубьев протяжек. Для решения задач диссертационных исследований операция рассмотрена как динамическая система, где процесс формирования поверхности исследуется не только в пространстве, но и во времени. На основе системного подхода рассмотрена структура операции, сформулированы основные положения и методы анализа процесса. При структурном анализе операция шлифования расчленена по функциональным признакам на подсистемы станка, приспособления, инструмента, детали, СОТС, зоны правки и зоны контакта. Определены входные, выходные переменные и параметры состояния каждой из подсистем. Установлено, что параметры технологической системы могут изменяться с течением времени предсказуемым и непредсказуемым образом под действием различных факторов. Для оценки взаимодействия подсистем в главе более детально рассмотрены особенности контакта шлифовального круга и заготовки при прерывистом шлифовании.

Выполненный анализ схем шлифования зубьев протяжек позволил определить форму зоны контакта, которая при шлифовании стружечных канавок представляет собой поверхность в виде двух криволинейных сегментов, при шлифовании зубьев — криволинейный двуугольник. Для указанных схем обработки получены аналитические выражения, позволяющие осуществлять расчёт действительной глубины резания

и эквивалентных диаметров: t(z) — t,——; шлифование канавок D, =-—;

De D cos 6 + dx

шлифование зубьев D, =-^^-, (1)

D sin y — d1 sin(5 — у)

где De — эквивалентный диаметр, определяется выражением; D, dl , d2 — диаметр шлифовального круга, стружечной канавки и образующей передней поверхности зуба; /у - фактическая глубина резания; z — расстояние сечения заготовки до основной плоскости;

8 — угол между осью круга и заготовки; у — передний угол протяжки.

Для условий шлифования зубьев протяжки разработана математическая модель износа абразивного зерна круга:

4alaPjV„±Vuy^)¡

h = А', о А,

(2)

л/п

* /

где ст — нормальное давление; А,,К,,х и а, — эмпирические коэффициенты; а - коэффициент зависящий от материалов взаимодействующих тел; Бк - площадь теплового источника; А. - коэффициент теплопроводности; Рух— радиальная составляющая си-

лы резания; Р\М) - вероятность неудаления материала;т -текущее время; Ук,Уи -окружные скорости круга и заготовки, соответственно.

На основе анализа схем обработки со скрещивающимися осями заготовки и круга и основных положений теории абразивной обработки разработана динамическая вероятностная модель удаления обрабатываемого материала в зоне контакта детали с крутом; предложены зависимости для вычисления вероятности удаления материала в любой точке зоны контакта с учетом времени протекания процессов шлифования.

Для расчета вероятности контакта абразивных зерен с обрабатываемым материалом в работе получены зависимости:

- при шлифовании стружечной канавки

Рк = Р(М) = ехр

nKcng{Vk+Vu)JÍ¿¡

,3/2

-(Ddi cosS/(DcosS + d))2

5

n - 3

x ЕС/ -У, -'Ar)2 +-(tf-y, ■ i=2 8

■ArY

2z zJ

Z--T- + -

3Ll 5 4 15

(3)

Чу -"^y

- при шлифовании зуба протяжки по передней поверхности

Ра=ДА/) = схы-

лКсПх(Ук-Уи)^

V Н3'2

^(Dd2/(Dsmy-d2 sin (S-y)))2

x híf-yj —г'Дг)2 +\(tf -yj-ArY ¿=2 8

2z z z--—+ -

34 5 Li 15

(4)

где ' s — радиус округления при вершине зерна; Кс вания; п„

коэффициент стружкообразо-количество вершин зерен на единицу поверхности рабочего слоя круга; Ьу

- расстояние от основной плоскости до пересечения уровня у с условной наружной поверхностью инструмента; у — расстояние от условной наружной поверхности заготовки до рассматриваемого уровня; Н „ - величина слоя рабочей поверхности круга по глубине, в пределах которого подсчитывается число абразивных зерен ; Дг - радиальный съем металла.

Для расчета величины Дг получены выражения: - для шлифования стружечной канавки

К/Л(У„ + К„) • (pí:Ddtcos5/(Dcos8 + díf2

Дг = -

13,66F„ +lA7SKctfns(Vk + Vu) • cos8/(D cosó + dt% при шлифовании зуба протяжки по передней поверхности K/fne(Vt - F„) • (pgPd2 cos8/(Dsiny-¿?2 sin(5 - y ))}i

Ar =

(5)

(6)

13,66F„ +1,478Kctfne (Vk-Vu)- (p gDd2 cos 8/(D sin y -d2 sin(S - y)))i Также в главе 2 разработаны аналитические зависимости для расчёта радиуса округления вершины зерна рг(т), изменения числа зерен ng(r) на поверхности инструмента в процессе его работы:

р,со-*р,-Р г.=0'0535-^-5Г' (7)

_ 18,692Я(0,0535Д°'955 + (Я-цр)(1-е^ я УЛ я > ГД6 Р' (0,0535^9"(1-А>« ±К)х)-!ч(Ук ±Уи)(Н-ир)т)В°/» ~ КОЭффиЦНСНТ юме" нения радиуса округления зерна; Вё - основной размер абразивного зерна.

п^) = К„г.п^=0,62-Кп/В^\ (8)

где К„ =1,613

коэффициент изменения коли-

чества зерен.

На основе современных представлений по кинетике износа и разрушения абразивных материалов разработана динамическая теоретико-вероятностная модель износа абразивного инструмента. Размерный износ единичных абразивных зерен на i обороте круга с деталью является функцией относительного износа и длины пути микрорезания, которая определяется с учетом вероятности контакта вершины абразивного зерна с металлом:

- для шлифования стружечной канавки

hg= 4 3(tj - Ar)—— (ля^-^-Д'О'Ч; (9)

- при шлифовании зуба протяжки по передней поверхности

., (Dd2 /(Dsiny-d, sin(5-y)))2 , з/

* К 3(1-1) (Л/^т-/;г-ЛгУЧ, (Ю)

где AR — величина износа круга.

Анализ разностных уравнений, описывающих динамику износа абразивного инструмента, показывает, что каждой характеристике абразивного инструмента и режиму шлифования соответствует вполне определенное значение радиального износа круга.

Наряду с рассмотренными выше в работе получены зависимости для расчета характеристик шероховатости поверхности, глубины дефектного слоя и составляющих сил резания.

Третья глава посвящена оценке адекватности формализованных моделей процессов шлифования зубьев протяжек и получения эмпирических коэффициентов для теоретических моделей. Для проверки адекватности использовались материалы экспериментальных исследований, выполненных под руководством или при непосредственном участии автора в лабораторных условиях Севастопольского национального технического университета и в производственных условиях ряда машиностроительных предприятий.

При проведении экспериментальных исследований использовались тарельчатые круги из электрокорунда белого на керамической связке с зернистостью F90, F60, F54 и твердостью I, К, М, О. Контроль характеристик качества обрабатываемых поверхностей проводился с использованием координатно-измерительной машины мод. DEA Micro-Hite 3D, профилометра ПМ-300, профилометра-профилографа мод. 252, рентгеновского дифрактометра ДРП «РИКОР-4», прибора для контроля микротвердости

ПМТ-3, цифрового индикатора МагСаШг 1087211 и др.

Проведенные качественная и количественная оценки свидетельствуют об адекватности математической модели процессов шлифования зубьев протяжек, разработанной во второй главе, реальному процессу (рис. 1, 2). В главе также приведены ре зультаты исследования физико-механического состояния поверхностного слоя зубье протяжек кругами с прерывистой поверхностью, которые показали, что в тончайших поверхностных слоях после заточки повышается микротвердость, появляются остаточные напряжения сжатия (рис. 3, 4).

Я.

че]. обу новая эабогк 1 чистовая 1 1 , выхаживание ! оораоотка 1

1 1 1 1

1 1

1 1 1

1 1 1

1 т 1 1 1

|\ ч 7— £ 7 11 |_15

/ 1 /

1....... |

10 12 14 г, С

Рис. 1. Проверка адекватности расчета Рис. 2. Изменение параметра В,а за время

износа шлифовального круга при цикла шлифований зубьев протяжки:

шлифовании зуба: 1 - круг с сплошным 1,3,7,11,15 - номер зуба (расчетные профилем; 2 - круг с прерывистым кривые); Т - экспериментальная кривая, профилем.

Особенностью изменений физико-механических свойств по глубине является от сутствие слоя с пониженной микротвердостью. При шлифовании обычными кругами его появление обусловлено структурными превращениями, возникающими при высоких температурах зоны контакта.

Нщ ГПа

ИГ

Т5-Й-53-30"

СГНГ, Н/м; 2

1

/ 7 -

/ /

Рис. 3. Распределение микротвердости в

поверхностных слоях образцов из закаленной стали Р6М5: 1 — сплошным кругом; 2 — кругом с прерывистым профилем.

1 3 5 7 9 11 сцмкм

Рис. 4. Остаточные напряжения в поверхностных слоях образцов из закаленной стали Р6М5: 1 - сплошным кругом; 2 - кругом с прерывистым профилем.

При шлифовании кругами с прерывистой поверхностью уменьшается время контакта сечения поверхности с инструментом до 1,7-Ю^.-.З^-10^ с, скорость нагревания и охлаждения поверхностного слоя до 2,0- Ю6...3,6-106 °С/с При таких скоростях

термических процессов возникновение отпущенного слоя маловероятно.

Снижение шероховатости поверхности, появление в поверхностном слое сжимающих остаточных напряжений и упрочнения благоприятно влияют на эксплуатационные свойства деталей.

Четвертая глава посвящена разработке методики профилирования прерывистых шлифовальных кругов и построению циклов шлифования зубьев протяжек, проверке полученных технических решений и внедрению результатов исследований в производство.

Расчет круга с прерывистой рабочей поверхностью включает в себя следующие этапы:

1) Выбор характеристик и геометрических размеров абразивного инструмента; 2) Расчет температуры Тпшх в зоне резания при шлифовании зубьев протяжки сплошным кругом, определение температуры начала фазовых превращений в материале протяжки Ткр и степени понижения температуры р= Т^Т^, 3) Расчет безразмерного параметра скорости и;4) Определение критерия Фурье 5) Расчет длин выступов 1выс, впадин 1вп и их числа ТУ; 6) Определение глубины впадин й„„; 7) Определение периода перепрофилирования круга.

Безразмерный параметр скорости и определяется по зависимости

1

Р-с1г-11 "

и = 0,5VU

ч

a [D sin х - ú?2 sin(<J - /)]

(11)

где а — коэффициент температуропроводности обрабатываемого материала.

Длины выступов 1вж, впадин 1в„ и их число 7V рассчитывается по зависимостям

_ Vk.D.d2.tf.F01

'выс 1вп лГг->- j-/r\V V

4а ■ [£> sin у - c?2 sin(íy - Y) J 1выс + len

где For критерий Фурье.

Для определения глубины впадины на рабочей поверхности шлифовального круга построена размерная цепь (рис. 5), согласно которой:

= + (И)

где Ahu - величина снимаемого при правке дефектного слоя.

Величина дефектного слоя на поверхности круга для случая правки абразивного круга алмазными инструментами, по данным А.Н. Резникова, связана с размером зерна шлифовального круга соотношением Лhu = (0,2...0,25)B¡¡, отсюда величина снимаемого при правке слоя

hnp =(0A...0.5)Bg+ÁR. (15)

Определение периода перепрофилирования круга определяется его стойкостью. В диссертационной работе для определения периода перепрофилирования круга в качестве критерия выбран уровень вибрации в технологической системе.

4 '

а) б)

Рис. 5. Схема профилирования прерывистой поверхности круга а) размерная цепь; б) профилограмма зоны перехода режущей поверхности шлифовального круга во впадину.

Критерием для определения стойкости круга являлась амплитуда колебания заготовки А. Шлифование прекращали при А>4 мкм, предшествующей прижоговому порогу. На рис. 6 приведен пример зависимости износа прерывистого шлифовального круга 14 70x8x25 24АР54К7У с четырьмя выступами за период его стойкости с осциллограммами интенсивности колебаний в начальный момент работы и в конце периода стойкости. Для правки кругов автором разработано специальное устройство (Патент Украины №37655).

2,0

г, мин

0\_1 3 ........7 9____/ 11

......... V ' " V"

Время между правками Рис. 6. Зависимость износа прерывистого шлифовального круга 14 70x8x25 24АР54К7У за период его стойкости.

На предприятии ОАО «Завод «ФИОЛЕНТ» (г. Симферополь) и ПП «МеМЗ» (г. Мелитополь) были проведены сравнительные испытания по оценке качества поверхностей зубьев протяжек, обработанных по заводской технологии и кругами с прерывистым профилем (таблица 1).

Все протяжки, заточенные прерывистым кругом, по шероховатости поверхности, допуску по углу заточки зуба и наличию прижогов соответствовали требованиям технологической документации. По сравнению с обработкой протяжек по заводской технологии дисперсия по размеру углов заточки уменьшается в 1,5 раза, по шероховатости поверхности - в 1,66 раза.

Следует отметить, что полученные в диссертационной работе результаты позволяют оптимизировать процесс шлифования зубьев протяжки, например, за период стойкости круга. Для этого с учетом разработанных в работе ограничений и полученных математических зависимостей осуществлен расчет оптимальных по быстродействию циклов шлифования зубьев протяжек.

Пример оптимальных по быстродействию циклов шлифования зубьев протяжек из быстрорежущей стали Р6М5 диаметром 35 мм кругом 14 60x10x25 24АР54К7У показан на рис. 7.

Таблица 1. Сравнительные результаты оценки качества поверхностей зубьев протяжек, обработанных по заводской технологии и кругами с прерывистым профилем.

№ протяжки в партии Отклонения величины переднего угла зуба протяжки от номинального значения Д, мин Шероховатость поверхности Яа, мкм

Шлис ювание зуба протяжки по заводской технологии

Наличие прижогов тах тш Дисперсия а2 мин2 тах тт Дисперсия а2 мкм2

1 + 0,033 0,019 5,44x10"6 0,36 0,22 4,0x1с"4

2 - 0,030 0,015 6,25* Ю-6 0,33 0,21 4,0x10 г4

3 + 0,031 0,018 4,69x10^ 0,34 0,23 4,44x10^

2, + 0,035 0,017 5,46хЮ~6 0,343 0,22 4,14x10^ ;

Шлифование зуба протяжки кругом с прерывистым профилем

Наличие прижогов тах тт Дисперсия а2 мин2 тах тт Дисперсия а2 мкм2

1 - 0,027 0,016 3,36x10^ 0,32 0,22 2,25* Ю-4

2 - 0,031 0,018 4ДХЮ"6 0,31 0,22 2,25x10"4

3 - 0,026 0,015 3,4x10"" 0,29 0,20 2,25x10"4

- 0,028 0,0163 3,62* Ю-6 0,30 0,213 2,25x10"4

1,75 1,1 1,5 1,14 1,04 1,66 )

«+» - Наличие прижогов на каком либо из зубьев протяжки

При расчете циклов учитывался износ инструмента, поэтому продолжительность каждого последующего расчетного цикла оказалась больше продолжительности предшествующего. Общее время цикла обработки первого зуба в 1,5 раза меньше цикла шлифования зуба по заводской технологии. При обработке 8-го, 17-го, 25-го, 34-го зубьев основное время снижается в 1,39; 1,27; 1,16 и 1,04 раза. На ПП «МеМЗ» провели сравнительные испытания процессов шлифования зубьев протяжек из стали Р6М5 на станке модели ЗМ601Ф1 (таблица 2).

мм/мин 0.6

0.5

0.4

0.3

0.2

0.1

0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0 35.0 40.0 Т, с.

Рис. 7. Изменение цикла шлифования зубьев протяжки за период стойкости инструмента по продольной подаче Ъ'ух (1, 8, 17, 25, 34 - номер зуба протяжки после правки круга; т - время шлифования).

Таблица 2. Сравнительные результаты оценки качества поверхностей зубьев протяжек, обработанных кругами с прерывистым профилем без использования и с использованием циклов управления.______________

№ протяжки в партии Отклонения величины переднего угла зуба протяжки от номинального значения Д, мин Шероховатость поверхности Ка, мкм

Шлифование зуба протяжки кругом с прерывистой рабочей поверхностью (с использованием оптимизированных циклов управления)

Наличие прижогов шах шш Дисперсия 2 2 а мин тах тт Дисперсия ; о2 мкм2

1 -• 0,020 0,009 3,4х10'6 0,28 0,21 1.36Х10-4

2 - 0,021 0,012 2,25x10"6 0,29 0,20 2,25x10"4

3 - 0,023 0,013 2,77x10"6 0,30 0,23 1,36x10"4

- 0,021 0,010 2,8x10"" 0,28 0,21 1,66x10-"

- 1,33 1,6 1,29 1,07 1,02 1,35

«+» — Наличие прижогов на каком либо из зубьев протяжки

По сравнению с обработкой протяжек кругом с прерывистой поверхностью без использования циклов управления дисперсия по размеру углов заточки уменьшилась в 1,29 раза, по шероховатости поверхности - в 1,35 раза.

По сравнению с заводской технологией в среднем производительность операций повышается при шлифовании зубьев протяжки 20...26%.

1 -

1 х 17

«1..IX.

! 1

11 ! ! Ч 34 Заво, юкой ци <л

/

---- ' ! Т| Г" 1 1 ! / 1 1

"ИГ ------ I 1 ---- --->Т_Т ____ 1 1 1

----г~т ~Г

1 1 ! 1 ! 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 _1__

5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0 ' 35.0 40.0

Таким образом, выполненные производственные испытания подтверждают высокую эффективность предложенных рекомендаций.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ II ВЫВОДЫ

1. Для решения задачи обеспечения параметров качества протяжек, операция шлифования рассмотрена как динамическая система. Установлено, что параметры технологической системы могут изменяться с течением времени предсказуемым и непредсказуемым образом под действием различных факторов. Несмотря на то, что протяжки имеют значительный запас прочности, заложенный конструктором, их зубья ломаются, происходит ускоренный износ, вследствие наличия скрытых дефектов.

2. Выполненный анализ схем шлифования зубьев протяжек позволил определить форму зоны контакта, которая представляет собой криволинейный двуугольник, получены аналитические выражения для расчёта эквивалентного диаметра.

3. На основе анализа схем обработки со скрещивающимися осями заготовки и круга и основных положений теории абразивной обработки разработана динамическая вероятностная модель удаления обрабатываемого материала в зоне контакта детали с кругом; предложены зависимости для вычисления вероятности удаления материала в любой точке зоны контакта съема материала, величины дефектного слоя и параметров шероховатости с учетом времени протекания процессов шлифования.

4. На основе современных представлений по кинетике износа и разрушения абразивных материалов разработана динамическая теоретико-вероятностная модель износа абразивного инструмента. В основе динамики износа инструмента лежит размерный износ, скалывание и вырывание единичных абразивных зерен. Размерный износ единичных абразивных зерен на / обороте круга с деталью является функцией относительного износа и длины пути микрорезания, которая определяется с учетом вероятности контакта вершины абразивного зерна с металлом. Получены аналитические зависимости для расчета радиуса округления вершины зерна, коэффициента изменение радиуса округления зерна и коэффициента изменения числа зерен на поверхности инструмента в процессе его работы.

5. Выполнен метрологический анализ и осуществлена проверка на адекватность реальному процессу моделей процессов шлифования зубьев. Сравнение расчетных и экспериментальных данных показало достаточную точность разработанных моделей, что позволяет использовать их для прогнозирования основных показателей процессов в широком диапазоне изменения режимов резания, характеристик инструмента при обработке зубьев протяжек из быстрорежущих сталей. Погрешность расчетов по разработанным зависимостям относительно экспериментальных данных в большинстве случаев не превышала 28%.

6. Предложены методика профилирования прерывистых шлифовальных кругов и устройства, защищенные патентами, позволяющие формировать прерывистую поверхность круга непосредственно на станке.

7. Оптимизирован цикл обработки зубьев протяжек, что позволило осуществлять шлифование зубьев протяжек с заданным качеством и максимальной производительностью обработки.

8. Проведенные производственные испытания убедительно показывают, что при шлифовании зубьев протяжек по сравнению с традиционными методами

обеспечивается заданное качество поверхностей. По сравнению с обработкой протяжек по заводской технологии дисперсия по размеру углов уменьшается в 1,95 раза, по шероховатости поверхности - в 2,69 раза. Сравнительные результаты оценки . качества поверхностей зубьев протяжек, обработанных кругами с прерывистым профилем без использования и с использованием циклов управления, показывают, что дисперсия по углам уменьшается в 1,29 раза, по шероховатости поверхности - е 1,35 раза. Одновременно повышается производительность шлифования в сравнении с заводской технологией, в среднем на 20.. .26%.

9. Годовой экономический эффект при изготовлении и переточке протяжек на предприятии ОАО «Завод «ФИОЛЕНТ» составил 88157 грн. на ноябрь 2013 года, на предприятии ПП «Мелитопольский моторный завод» - 217837 грн. на декабрь 2013 года.

СПИСОК ПЕЧАТНЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Каинов, Д.А. Моделирование износа инструмента при программном управлении операцией шлифования / Д.А. Каинов, В.Б. Богуцкий, В.А. Титков // Резание н инструмент в технологических системах : междунар. науч.-техн. сб. — Харьков : НТУ «ХПИ», 2006. - Вып. 70. - С. 210-215.

2. Богуцький, В.Б. Облк змши профшю шструмента й В1брацш у технолопчнш систем! при оцшщ фактичноТ глибини р1зання / В.Б. Богуцький // Зб1рник наукових

> праць Севастопольського в1Йськово-морського шституту. - Севастополь : Вид-во Се вВМ1, 2008. - № 1(14). - С. 11-14.

3. Богуцький, В.Б. СтабЫзащя парам етр!в якосп при обробщ вироб1в на опера-щях чистового иипфування з позицш системного анашзу / В.Б. Богуцький // Зб1ршг; наукових праць Севастопольського вшськово-морського ¡нституту. - Севастополь Вид-во СевВМ1, 2008. - № 2(15). - С. 33-37.

4. Новосёлов, Ю.К. Расчет размерного износа абразивных зерен при наружно-.: круглом шлифовании / Ю.К. Новосёлов, С.М. Братан, В.Б. Богуцкий // Ползуновский альманах. № 1. - Барнаул : АлгГТУ им. И.И. Ползунова, 2012. - С. 279-283.

5. Новосёлов, Ю.К. Анализ связи износа инструмента с износом абразивных зерен / Ю.К. Новосёлов, В.Б. Богуцкий // Резание и инструмент в технологических системах : междунар. науч.-техн. сб. - Харьков : НТУ «ХПИ», 2012. - Вып. 81. - С. 228237.

6. Богуцкий, В.Б. Анализ конструкционных особенностей шлифовальных кругов с прерывистой поверхностью / [В.Б. Богуцкий, Л.Б. Шрон, Б.В. Богуцкий, Б.Л. Шрон] // Ученые записки Крымского инженерно-педагогического университета. Выпуск 35. Технические науки. - Симферополь: НИЦ КИПУ, 2012. - С. 60-64.

7. Новосёлов, Ю.К. Расчет параметров шероховатости поверхности при круглом наружном шлифовании / [Ю.К. Новосёлов, В.Б. Богуцкий, Ф.Н. Шелковой, Л.Б. Шрон] // Вюник Нацюналыюго техшчного ушверситету «ХП1» : зб!рни: наукових праць. Сер^я: Технологи в машинобудуванш. - Харкт : НТУ «ХП1», 2012. -№53(959).-С. 98-119.

8. Новосёлов, Ю.К. Износ абразивных зерен в круге при шлифовании заготовок / Ю.К. Новосёлов, В.Б. Богуцкий // Вшник СевНТУ : зб. наук. пр. Вып. 129. Сер1я: Машиноприладобудування та транспорт. - Севастополь, 2012. — С. 23-29.

9. Богуцкий, В.Б. Системный анализ операции чистового шлифования / В.Б. Бо-гуцкий, Ю.К. Новосёлов // Вкник СевНТУ : зб. наук. пр. Вип. 139. Cepia: Машиноп-риладобудування та транспорт. - Севастополь, 2013. - С. 13-21.

10. Богуцкий, В.Б. Стабшзащя параметрш hkoctí на операшях чистового umi-фування в суднобудуванш / В.Б. Богуцкий, С.М. Братан, Л.Б. Шрон // 1нформацшш технологи в ocbltí, наущ та виробницта: зб!рник наукових праць Одеського нащона-льного полггехшчного ушвсрситету. Випуск 1(2). - Одеса: АО Бахва, 2013. - С.56-62.

11. Novoselov, Y. Calculation of surface roughness parameters for external cylindrical grinding / [Y. Novoselov, S. Bratan, V. Bogutski, Y. Gutsalenko] // Journal Fiability & Durability Supplement. - 2013. - № 1. - P. 5-15. Editura "Académica Bráncu§i" , Tárgu Jiu,

12. Новосёлов, Ю.К. Аналитическая оценка параметров шероховатости шлифованных поверхностей / Ю.К. Новосёлов, В.Б. Богуцкий,, С.М. Братан // Резание и инструмент в технологических системах : междунар. науч.-техн. сб. — Харьков : НТУ «ХПИ», 2013. - Вып. 83. - С. 208-222.

13. Богуцкий, В.Б. Кинематический анализ процесса шлифования стружечных канавок/ В.Б. Богуцкий, Л.Б. Шрон, Э.С. Гордеева, А.В. Буров / Учёные записки крымского инженерно-педагогического университета. Выпуск 40. Технические науки.

- Симферополь: НИЦ КИПУ, 2013г. - С. 80-86.

14. Богуцкий, В.Б. Анализ процесса шлифования стружечных канавок протяжек / В.Б. Богуцкий, С.М. Братан // Прогрессивные технологи в машиностроении : международный сборник научных трудов. Выпуск 3(49). - Донецк : ЧП «Технополис», 2014.

- С. 15-22.

15. Богуцкий, В.Б. Моделирование процессов шлифования и заточки поверхностей зубьев протяжек / В.Б. Богуцкий, С.М. Братан // Bíchhk СевНТУ : зб. наук. пр. Вип. 151. Cepin: Машиноприладобудування та транспорт. - Севастополь, 2014. - С. 14-23.

16. Богуцкий, В.Б. Обеспечение стабильности параметров качества при шлифовании и заточке протяжек / В.Б. Богуцкий, Л.Б. Шрон // Ученые записки Крымского инженерно-педагогического университета. Выпуск 43. Технические науки. - Симферополь : НИЦ КИПУ, 2014. - С. 77-82.

17. Патент № 23352 УкраТна, МПК7 В 24 D 7/00. Штфувальний круг з перерив-частою робочою поверхнею / В.Б. Богуцький, Ю.К. Новосьолов, В.В. Малигша, - № U200612121; опубл. 25.05.2007, Бюл. № 7.

18. Патент № 14565, УкраТна, МПК7 В 24 В 53/06. Пристрш для правки шшфу-вального круга з переривчастою робочою поверхнею / В.Б. Богуцький, Ю.К. Новосёлов, И.А. Рудковская. -№ и200511521; опубл. 15.05.2006, Бюл. № 5.

19. Патент № 37655 УкраТна, МПК7 В 24 В 53/06. Пристрш для правки шшфува-льного круга з переривчастою робочою поверхнею / В.Б. Богуцький, Ю.К. Новосёлов, Ю.Ю. Колосовский, А.Г. Пасечник. - № U200806160; опубл. 10.12.2008, Бюл. № 23.

Подп. к печати 08.10.14. Формат 60x90/16.

Усл. печ. лист. 1,0. Тираж 120 шт. Зак. № 14 А Издатель и изготовитель — Севастопольский национальный технический университет Адрес: ул. Университетская, 33, г. Севастополь 299053 тел. (0692) 435-210,435-019. E-mail: root@sevgtu.sebastopol.ua

Свидетельство субъекта издательской деятельности ДК № 1272 от 17.03.2003 г.