автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Повышение эффективности плоского ленточного глубинного шлифования путем управления структурой однослойных шлифовальных лент при варьировании режимов резания

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1 Анализ существующих методик описания геометрических параметров абразивных зерен и структуры шлифовального инструмента. Л

1.2 Анализ исследований процесса изнашивания абразивного инструмента.

1.3 Анализ силовых процессов, возникающих при плоском шлифовании.

1.4 Анализ существующих циклов для ленточного глубинного шлифования.

1.5 Результаты анализа состояния проблемы и задачи исследования.

2. СТРУКТУРНАЯ МОДЕЛЬ ОДНОСЛОЙНОГО АБРАЗИВНОГО ИНСТРУМЕНТА НА ЭЛАСТИЧНОЙ ОСНОВЕ.

2.1 Модель абразивного зерна, определение геометрических параметров и объема зерна при варьировании свойств шлифматериала и технологии его измельчения.

2.2 Модель однослойного абразивного инструмента на эластичной основе.

2.3 Моделирование процесса изнашивания абразивного зерна.

Выводы

3 МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПЛОСКОГО ШЛИФОВАНИЯ ОДНОСЛОЙНЫМИ АБРАЗИВНЫМИ ЛЕНТАМИ.

3.1. Анализ влияния характеристик опорного ролика на точность плоского ленточного глубинного шлифования.

3.2. Модель силового взаимодействия инструмента с обрабатываемой поверхностью.

3.3. Определение теоретически допустимого объема материала, снимаемого элементарной гексагональной структурой инструмента.

3.4. Работа элементарной гексагональной объемной структуры однослойного абразивного инструмента (ЭГОСИ) в процессе шлифования.

3.5. Определение величины средних контактных температур, возникающих при плоском ленточном глубинном шлифовании.

Выводы.

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ПЛОСКОГО ЛЕНТОЧНОГО ГЛУБИННОГО ШЛИФОВАНИЯ.

4. 1. Методика экспериментальных исследований.

4. 1. 1. Оборудование, обрабатываемый материал, характеристика абразивного инструмента и условия обработки.

4. 1. 2. Измерение составляющих силы резания Ру и Р,.

4. 1.3. Измерение контактной температуры.

4. 1. 4. Измерение шероховатости обработанной поверхности.

4. 1. 5. Методика исследования процесса изнашивания однослойного абразивного инструмента на примере шлифовальной ленты NORTON 844-40.

4. 2. Силы резания при ленточном глубинном шлифовании.

4. 3. Определение средних контактных температур в зоне обработки при ленточном глубинном шлифовании.

4. 4. Шероховатость обработанной поверхности при ленточном глубинном шлифовании.

4.5. Удельная работа резания при плоском ленточном глубинном шлифовании изделий однослойными абразивными лентами.

4.6. Исследование процесса изнашивания однослойных абразивных лент.

4.7. Определение интенсивности съема металла.

Выводы.

5. РАЗРАБОТКА РАБОЧИХ ЦИКЛОВ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕКОМЕНДАЦИЙ ДЛЯ ОПЕРАЦИЙ ПЛОСКОГО ГЛУБИННОГО ШЛИФОВАНИЯ.

5.1. Общие принципы разработки рациональных рабочих циклов плоского ленточного глубинного шлифования.

5.2. Разработка рабочих циклов и определение выходных параметров для операций плоского ленточного глубинного шлифования.

Наиболее распространенными методами финишной обработки заготовки деталей машин, обеспечивающих высокую точность и качество обработки, являются шлифование и полирование разнообразными абразивными инструментами. Одним из перспективных направлений абразивной обработки в последнее время становится ленточное глубинное шлифование, позволяющее за один - два рабочих хода снять припуск, достигающий нескольких десятков миллиметров, и получить при этом хорошее качество обработки.

Глубинное шлифование абразивными лентами имеет ряд существенных преимуществ перед аналогичным процессом с использованием традиционных абразивных кругов: сравнительно низкая стоимость инструмента при относительно высокой его стойкости; высокая производительность шлифования при относительно низких контактных температурах; безопасность обработки при разрыве инструмента и т. д.

Метод глубинного шлифования используется в таких отраслях промышленности, как авиационная, инструментальная, станкостроение, энергомашиностроение, автомобилестроение и др., в условиях крупносерийного, серийного и мелкосерийного производства. При этом исключаются операции предварительной лезвийной обработки ( точение, фрезерование, строгание и т. п.). Кроме этого, у данного метода обработки есть существенное преимущество - возможность обрабатывать изделия из сталей и сплавов, трудно поддающихся обработке лезвийным инструментом ( жаропрочные сплавы, сплавы на никелевой основе, инструментальные стали, алюминиевые сплавы и др. материалы). Все это обуславливает необходимость определения путей повышения эффективности операций глубинного шлифования, направленных, главным образом, на повышение производительности, качества обработанной поверхности и снижение себестоимости обработки.

Одним из основных направлений совершенствования глубинного ленточного шлифования является автоматизированное управление циклом обработки с целью ее оптимизации, то есть достижения необходимых параметров точности и качества шлифованных поверхностей за наименьшее время и с наименьшими затратами. Актуальность этого направления диктуется также увеличением применения станков - автоматов для работы в условиях автоматизации производства, непременным условием эффективности которого является наличие разработанного рационального цикла обработки - основы управления станком. Соединение двух указанных выше перспективных направлений совершенствования процесса шлифования позволит существенно изменить структуру операций шлифования, даст возможность осуществлять управление процессом обработки по параметру возможного удаляемого объема стружки, приходящегося на межзерновое пространство инструмента и реализовать в одной операции существенное увеличение скорости съема металла с достижением заданной точности размеров и качества шлифованной поверхности. Для выполнения данной задачи необходима оперативная информация о состоянии инструмента (изменении его режущей способности по мере изнашивания). Данными проблемами занимались: Бабош-кин А.Ф. [4, 6, 14 и др.]; Ваксер Д.Б. 18.20]; Звоновских В.В. [32]; Зубарев Ю.М. [33, 34] ; Калинин Е.П. [38]; Корчак С.Н. [45 и др.]; Костин Н.В.[70]; Маслов E.H. [51.53]; Маталин A.A. [52.58]; Островский В.И. [66.68]; Пань-ков Л.А.[70]; Приемышев A.B. [82]; Редько С.Г. [86]; Саютин Г.Н [103]; Филимонов Л.Н. [97.99]; Харченко И.В. [103, 104]; Щешлев В.А. [111]; Ящерицын П.И. [116] и др.

Аналогичные исследования проводятся за рубежом, особенно в научных и производственных кругах Японии и Германии [21, 40, 69, 71.74, 101, 103, 105, 113]. Для реализации данного направления необходимо выполнить теоретические и экспериментальные исследования плоского ленточного глубинного шлифования (ПЛГШ) с использованием современных достижений в области разработки рациональных рабочих циклов шлифования. Такие исследования включают в себя, в первую очередь, получение расчетных зависимостей для основных показателей процесса на основе изучения его физической сущности, а также определение наиболее рациональных соотношений всех технологических параметров обработки.

Решение этой комплексной задачи позволит создать методику, описывающую структуру однослойных абразивных лент для использования в процессах плоского ленточного глубинного шлифования. В соответствии с данной методикой станет возможным определение области применения рациональных режимов резания (скорости резания V; продольной подачи обрабатываемой заготовки 8; глубины резания I) на операциях ленточного глубинного шлифования, сформулировать обоснованные технологические рекомендации по их применению, определить оптимальные характеристики инструмента и условия выполнения операции в виде рабочих циклов ПЛГШ.

Цель работы: повышение эффективности операций плоского ленточного глубинного шлифования путем управления характеристиками слоя абразива на ленте, и создания на этой основе рационального цикла обработки. Научная новизна результатов проведенных исследований:

1. Получена зависимость изменения геометрических характеристик шлифмате-риала от способа его измельчения, характеристик абразивного материала и варианта набора фракций выбранной зернистости.

2. С применением ЭВМ разработана модель структуры однослойного абразивного инструмента, моделирующая работу при изменении геометрических характеристик и количества абразива на поверхности ленты. Введено новое понятие - элементарная гексагональная объемная структура инструмента, позволяющая моделировать процесс изнашивания однослойного абразивного инструмента на эластичной основе, при нанесении шлифматериала в электростатическом поле.

3. В рамках проведенных работ с применением ЭВМ разработана уточненная модель силового взаимодействия и стружкообразования при работе однослойным абразивным инструментом на гибкой основе.

4. На основе проведенного компьютерного моделирования кинематики взаимодействия рабочей поверхности ленты с обрабатываемой поверхностью заготовки получены зависимости:

- удельного объема материала, срезаемого элементарной гексагональной структурой инструмента;

- параметров шероховатости К.а, К2, Кт обработанной поверхности;

- стойкости ленты;

- средней контактной температуры.

5. Получены эмпирические зависимости выходных параметров процесса, и структурных показателей инструмента в зависимости от варьирования: режимов резания, характеристик обрабатываемого материала и инструмента.

6. На базе предложенной методики, описывающей структуру однослойных шлифовальных лент и ее изменение в процессе изнашивания инструмента, разработана методика построения рациональных рабочих циклов плоского ленточного глубинного шлифования.

Автор защищает:

1) математическую модель и методику определения геометрических параметров абразивного зерна в зависимости от зернистости, индекса и комбинаций фракций, характеристик шлифматериала и способа измельчения абразива;

2) модель построения и процесса изнашивания абразива на поверхности однослойных шлифовальных лент при нанесении шлифматериала в электростатическом поле; модель элементарной гексагональной объемной структуры инструмента;

3) модель работы однослойной абразивной ленты с шлифматериалом, нанесенным в электростатическом поле. Расчет величины критического удельного рабочего объема инструмента, при котором инструмент не работоспособен. Влияние режимных параметров модели и структурных параметров инструмента на величину критического удельного рабочего объема инструмента;

4) методику теоретического определения средней контактной температуры по задаваемым: геометрическим и теплопроводным характеристикам обрабатываемой заготовки и нормальной составляющей силы резания;

5) методику составления рациональных циклов обработки для операций плоского ленточного глубинного шлифования применительно к конкретным обрабатываемым поверхностям.

Практическая ценность результатов работы.

1. Разработана методика и программное обеспечение, позволяющая систематизировать геометрические параметры абразива, исходя из характеристик шлифматериала, размера поперечного сечения зерна и технологии измельчения шлифматериала в структуре изготавливаемых шлифовальных лент.

2. На основе методики, описывающей работу структуры однослойной абразивной ленты, создана методика расчета рациональных рабочих циклов для обработки конкретных заготовок методом плоского ленточного глубинного шлифования.

3. Разработана программа для ЭВМ, позволяющая автоматизировать процесс разработки рациональных рабочих циклов плоского ленточного глубинного шлифования для конкретных условий обработки.

Реализация результатов работы.

Разработана и запушена в эксплуатацию навесная установка для плоского ленточного глубинного шлифования на базе горизонтально-фрезерного станка в условиях производства АО "Электросила" (см. Приложение 1). На данной установке проведены эксперименты по сравнению производительности ряда технологических процессов по обработке клиньев роторов электрогенераторов. С использованием ЭВМ разработаны рабочие циклы ленточного глубинного шлифования по обработке клиньев роторов электрогенераторов из стали ЗОХМА. Подана заявка на патент "Инструмент шлифовальный" (см. Приложение 2), в котором реализована модель оптимального удельного объема, снимаемого однослойным абразивным инструментом. Результаты исследования процесса плоского

10 ленточного глубинного шлифования используются при переподготовке инженерно-технических работников (см. Приложение 2). Апробация работы:

Основные положения диссертационной работы были доложены и обсуждены на Международных и Всероссийских научно-технических конференциях: международная конференция «Технология - 96» (Новгород 1996 г.); заседании секции металлообработки Петербургского Дома Ученных им. М. Горького АН РФ (С.Петербург 1997 г.); конференции «Металлообработка, резание, станки и инструмент» на НПО «Авангард» (С.-Петербург 1998 г., и 1999 г.); на международной конференции «Сварка -99» (Петербург 1999 г.); выездной секции международной конференции «Сварка -99» (Новгород 1999 г.).

По теме диссертации опубликовано 16 работ, подана заявка на патент РФ (зарегистрирована 30.04.98 №98108713/02 (009560)).

Автор выражает искреннюю благодарность коллективу лаборатории «Целенаправленной интенсивной подготовки специалистов и высоких технологий», коллективу кафедры «Технология машиностроения» и лично к.т.н., доценту Ба-бошкину А.Ф. за оказанную помощь в проведении данной работы.

1. Разработать модель, описывающую геометрические параметры абразивных зерен в зависимости от способа их измельчения и структуры однослойного абразивного инструмента при электростатическом нанесении слоя шлифмате-риала.

2. Разработать модель, описывающую процесс изнашивания однослойного абразивного инструмента на эластичной основе.

3. Разработать модель силового взаимодействия абразивной ленты с обрабатываемой поверхностью с целью получения возможности аналитического определения выходных параметров процесса шлифования.

4. Разработать рациональные рабочие циклы глубинного ленточного шлифования применительно к конкретным деталям энергомашиностроения.

5. СТРУКТУРНАЯ МОДЕЛЬ ОДНОСЛОЙНОГО АБРАЗИВНОГО ИНСТРУМЕНТА НА ЭЛАСТИЧНОЙ ОСНОВЕ.

6. Нормальный электрокорунд зернистостью 40.

7. Электрокорунд белый зернистостью 40.

8. Карбид кремния черный зернистостью 40.

9. Карбид кремния зеленый зернистостью 40.

10. Нормальный электрокорунд зернистостью 25

11. Электрокорунд белый зернистостью 25.

12. Карбид кремния черный зернистостью 25.

13. Нормальный электрокорунд зернистостью 16.

14. Электрокорунд белый зернистостью 16.

15. Карбид кремния черный зернистостью 16. 11 .Карбид кремния зеленый зернистостью 16.

16. Абразивное зерно представляется в виде параболоида (или эллипсоида) вращения, который характеризуется длиной Н, мм, и шириной (диаметром максимального поперечного сечения) В, мм.

17. При задании номера и индекса зернистости, а также варианта набора фракций, входящих в данную зернистость, теоретически определяется поперечный размер зерна В.

18. При задании предела прочности на изгиб и средней твердости абразивного материала, способа измельчения шлифматериала и размера поперечного зерна В возможно теоретически определить высоту абразивного зерна Н.

19. Рассчитанные по предлагаемой методике величины Н и В абразивных зерен хорошо коррелируются с экспериментальными данными.

20. Разработана модель процесса изнашивания абразивного зерна с учетом времени работы и задаваемых режимов обработки скорости резания, подачи и глубины шлифования.

21. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПЛОСКОГО ЛЕНТОЧНОГО ШЛИФОВАНИЯ ОДНОСЛОЙНЫМИ АБРАЗИВНЫМИ ЛЕНТАМИ.