автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Повышение эффективности плоского шлифования периферией круга путем поперечной осцилляции обрабатываемой заготовки

а

На правах рукописи

Воронков Александр Викторович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПЛОСКОГО ШЛИФОВАНИЯ ПЕРИФЕРИЕЙ КРУГА ПУТЕМ ПОПЕРЕЧНОЙ ОСЦИЛЛЯЦИИ ОБРАБАТЫВАЕМОЙ ЗАГОТОВКИ

Специальность 05.02.08 - Технология машиностроения

1 2 ДПР Ш

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005019773

Орел-2012

005019773

Работа выполнена в Технологическом институте им. H.H. Поликарпова ФГБОУ ВП «Госуниверситет - УНПК».

Научный руководитель кандидат технических наук, доцент,

Василенко Юрий Валерьевич

Официальные оппоненты:

Козлов Александр Михайлович, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО Липецкий государственный технический университет», заведующий кафедрой «Технологии машиностроения»

Поляков Алексей Иванович, кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Госуниверситет - УНПК», доцент кафедры «Технология машиностроения и конструкторско-технологическая информатика»

Ведущая организация ФГБОУ ВПО «Брянский государственный

технический университет»

Защита состоится «27» апреля 2012 г., в 14~ часов на заседании диссертационного с вета Д212.182.06 при ФГБОУ ВПО «Госуниверситет - УНПК» по адресу: 302020, Орел, Наугорское шоссе, 29, ауд. 212.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Госуниверсите - УНПК».

Автореферат разослан «24» марта 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Василенко Юрий Валерьевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Машиностроение - это ядро всей экономики и главный плац дарм для инновационных преобразований, который в современных условиях приобретает особое системообразующее значение. Его приоритетное технологическое развитие становится решающим условием инновационного развития страны. Одной из главных задач, стоящих перед отечественным машиностроением, остается его технологическая модернизация.

В настоящее время большое количество научно-технических работ направлено на интенсификацию способов шлифования с целью повышения производительности обработки. Однако не всегда должное внимание уделяется обеспечению эксплуатационных показателей качества обработанных поверхностей деталей машин, поэтому комплексный подход к совершенствованию способов абразивной обработки поверхностей деталей машин становится наиболее востребованным, экономически оправданным и технологически обоснованным в современном машиностроении.

Эксплуатационные свойства деталей машин определяются как параметрами шероховатости обработанной поверхности, так и направлением неровностей. ГОСТ 2.309-73 регламентирует лишь обозначение типа микрорельефа и направление его измерения, если оно отличается от предусмотренного ГОСТ 2789-73. Однако в данных ГОСТах, отсутствуют параметры рассматриваемых микрорельефов (шаг неровностей, угол их скрещивания и пр.)

В этой связи одним из актуальных научных направлений в технологии машиностроения является развитие методов и способов высокопроизводительной обработки, в том числе абразивной, обеспечивающих формирование микрорельефа обработанной поверхности с управляемым расположением микронеровностей. В наибольшей степени эксплуатационным требованиям удовлетворяют поверхности, имеющие изотропный микрорельеф.

Под поверхностью с изотропным микрорельефом понимается поверхность, у которой высотные параметры шероховатости инвариантны к направлению измерения.

Задача формирования изотропного микрорельефа эффективно решена для ряда лезвийных и абразивных способов механической обработки. В этой связи актуальными являются исследования направленные на разработку научно - обоснованных технологических решений по формированию изотропного микрорельефа при плоском шлифовании периферией круга.

Цель работы: повышение качества и производительности процесса плоского шлифования периферией круга путем сообщения вынужденных поперечных осцилляций заготовке.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

• разработать способ плоского шлифования периферией круга с поперечной осцилляцией заготовки и выполнить его кинематический анализ;

• разработать математическую модель определения шероховатости поверхности детали при плоском шлифовании периферией круга с поперечной осцилляцией заготовки;

• разработать программу для ПЭВМ, позволяющую производить имитационное моделирование и анализ микрогеометрии поверхности после плоского шлифования периферией круга с поперечной осцилляцией заготовки;

• провести экспериментальные исследования влияния технологических факторов на эффективность процесса плоского шлифования периферией круга с поперечной осцилляцией заготовки;

• разработать научно-обоснованные конструкторско-технологические рекомендации по практическому применению способа плоского шлифования периферией круга с поперечной осцилляцией заготовки.

Объект исследования: процесс плоского шлифования периферией круга.

Предмет исследования: микрорельеф обработанной поверхности.

Методы исследования: теоретические исследования базируются на теориях шлифования материалов, инженерии поверхности, механических колебаний, планирования многофакторного эксперимента, математической статистики, дифференциального и интегрального исчисления.

Автор защищает:

• способ плоского шлифования периферией круга с поперечной осцилляцией заготовки, его кинематическую модель и зависимости по расчету скорости съема металла;

• математическую модель определения шероховатости при плоском шлифовании периферией круга с поперечной осцилляцией заготовки;

• результаты экспериментальных исследований влияния технологических факторов на шероховатость обрабатываемой поверхности и производительность плоского шлифования периферией круга с поперечной осцилляцией заготовки;

• конструкторско-технологические рекомендации по практическому применени способа плоского шлифования периферией круга с поперечной осцилляцией заготовки.

Научная новизна работы:

• разработан способ и технология плоского шлифования периферией круга с попе речной осцилляцией заготовки, обеспечивающие формирование различного типа на правления неровностей;

• получена кинематическая модель, устанавливающая взаимосвязь технологиче ских параметров обработки и осцилляции заготовки с углом скрещивания неровно стей, траекторией движения абразивного зерна, длиной его дуги контакта с обрабаты ваемой заготовкой и скоростью съема металла;

• разработана математическая модель определения шероховатости поверхности npi плоском шлифований периферией круга с поперечной осцилляцией заготовки.

Практическая значимость:

• разработана конструкция промышленной установки для реализации способа плос кого шлифования периферией круга с поперечной осцилляцией заготовки;

• получены научно обоснованные технологические рекомендации по практиче скому применению способа плоского шлифования периферией круга с поперечной ос цилляцией заготовки.

Результаты работы внедрены на ЗАО «Техоснастка» (г. Орел) и ООО «Цен Погрузчик - Сервис» (г. Орел).

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на междуна родной научно-технической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемь техники и технологии», Орел, 2008 - 2011 гг.; региональной студенческой научно - тех нической конференции «Актуальные проблемы техники и технологии машиностроитель ного производства», Орел, 2008 - 2011 гг.; всероссийской научно-технической конферен ции «Студенческая научная весна 2008: Машиностроительные технологии», Москва, 200 г.; международной научно-технической конференции «Проблемы качества машин и и конкурентоспособности», Брянск, 2008 г.; международной молодежной научной конфе ренции «Гагаринские чтения», Москва, 2009 г.; региональной научно-практической кон

ференции молодых ученых и аспирантов «Научный потенциал Орловщины в модернизации промышленного комплекса малых городов России», Орел - Ливны, 2010 г.; международной научно-технической конференции «Модернизация машиностроительного комплекса России на научных основах технологии машиностроения», Брянск, 2011 г.

Публикации

Основные результаты диссертации опубликованы в 18 печатных работах, в том числе 5 статей в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК для публикации материалов диссертационных исследований, 1 монография, 4 решения о выдаче Патента РФ на изобретение.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы и 4 приложений. Работа изложена на 140 страницах, содержит 65 рисунков и 17 таблиц, список литературы из 97 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность, цель, задачи, объект и предмет исследования, методы исследования, научная новизна и практическая значимость работы.

Первая глава посвящена аналитическому обзору состояния вопроса по формированию изотропного микрорельефа при различных методах обработки. Значительный вклад в развитие науки о качестве поверхностного слоя внесли как отечественные ученые: С.Б. Айбиндер, A.C. Ахматов, А.П. Бабичев, С.Г. Бишутин, A.M. Беляев, В.Ф. Безъязычный, A.C. Васильев, O.A. Горленко, В.Г. Гусев, A.M. Дальский, Б.В. Дерягин, В.В. Ефимов, Ю.М. Зубарев, В.В. Измайлов, В.Б. Ильицкий, A.B. Киричек, A.M. Козлов, И.И. Колтунов, E.H. Маслов, Ю.К. Новоселов, А.Н. Овсеенко, И.А. Одинг, Н.П. Петров, П.А. Ребиндер, В.М. Смелянский, Ю.С. Степанов, А.Г. Суслов, A.B. Тотай, А.П. Улашкин, М.М. Хрущев, B.C. Харченков, Ю.Г. Худобин, JI.B. Шнейдер, П.И. Ящерицын, так и зарубежные: Н. Адам, В. Гаркинс, Д. Кумабе, Ф. Линг, Е. Рабинович, Е. Ридил, X. Уте, Р. Хольм, X. Чихос, Дж. Шульман.

При шлифовании, в зависимости от принятой кинематической схемы и конструкции инструмента, соотношения скоростей резания, продольной и поперечной подач, на обработанной поверхности формируется различный микрорельеф. Получаемые поверхности обладают и различными эксплуатационными показателями. В наибольшей степени эксплуатационным требованиям удовлетворяют поверхности, имеющие изотропный микрорельеф.

Формирование изотропного микрорельефа, как правило, происходит за счет совершенствования кинематики процесса. В этой связи актуальными являются направления научных исследований, заключающиеся в разработке способов и технологий, основанных на введении в зону резания дополнительных движений (вынужденных осцилляций). Кроме того, введение в зону резания вынужденных осцилляций способствует увеличению толщины среза единичным абразивным зерном, что приводит к сокращению времени обработки и, как следствие, повышение производительности.

Вторая глава посвящена теоретическому обоснованию технологии плоского шлифования периферией круга с поперечной осцилляцией заготовки (ПОЗ).

Одним из направлений получения изотропного микрорельефа при плоском шлифовании является осцилляция зоны резания, которую можно осуществить за счет специального привода шпинделя или заготовки. С точки зрения модернизации станочного оборудования предпочтительнее выглядит метод сообщения поперечных осцилляций заготовке, поскольку подобную схему конструктивно проще осуществить. Поэтому разработан способ плоского шлифования периферией круга с сообщением обрабатываемой заготов-

ке вынужденных поперечных колебаний заданной амплитуды и частоты (рисунок 1) [15] При этом способе обработки круг совершает вращательное движение со скоростью резания Укр. В поперечном направлении со скоростью У„п и в продольном направлении со скоростью Уд осуществляется движение стола станка, на котором устанавливают обрабатываемую заготовку. Заготовке сообщаются поперечные колебания со скоростью Уха, которая определяется по зависимости:

(1)

где а - амплитуда осцилляций, мм; /- частота вынужденных осцилляций, Гц; Л - радиус шлифовального круга, мм; <рА - угол контакта шлифовального круга с заготовкой, радианы;

Наложение на заготовку осцилляций обеспечивает участие большего числа зерен в процессе обработки, траектории движения которых увеличены и не эквидистанты что приводит к образованию сетки разнонаправленных микронеровностей и увеличению металлосъема (рисунок 2). На рисунке 3 (а, б) представлен график зависимости максимальной скорости осциллирующего движения заготовки Уха от частоты осцил ляций/и амплитуды колебаний а.

Рисунок 1 - Кинематическая схема процесса плоского шлифования периферией круга с ПОЗ

Рисунок 2 - Топография обработанной поверхности предлагаемым способом (увеличено в 3000 раз)

í [ГЦ] 2001

а [мм]

Рисунок 3 - Зависимость максимальной скорости колебаний Уха от амплитуды а и частоты/ осцилляций

При такой обработке поверхность получается с меньшей степенью разрыхления и нарушения правильного кристаллического строения и лучшими эксплуатационными свойствами.

Для теоретического обоснования способа плоского шлифования периферией круга с ПОЗ были разработаны следующие математические модели:

1. Кинематическая модель процесса плоского шлифования периферией круга с ПОЗ, которая позволяет определить траекторию резания, длину дуги контакта абразивного зерна с заготовкой, толщину среза при обработке единичным абразивным зерном, скорость съема металла.

В модели используются следующие допущения: 1) образование среза происходит в результате преимущественного резания единичным абразивным зерном; 2) режущие абразивные зерна круга разделены промежутками по окружности и по высоте - расположены на концентрических окружностях; 3) абразивные зерна представлены в виде точек; 4) исходная поверхность детали гладкая - ее профиль представляет собой горизонталь-

ную прямую линию.

Рисунок 4 - Схема движения инструмента при плоском шлифовании периферией круга с ПОЗ

Основываясь на общих положениях теоретической механики, были выведены уравнения движения (2) единичного абразивного зерна (точка А), лежащего на расстоянии Я от мгновенного центра скоростей (рисунок 4).

Уравнение (2) описывает траекторию дви-

жения абразивного зерна в одной плоскости - торцевом сечении круга. Для описания траектории движения абразивного зерна при плоском шлифовании периферией круга с I ЮЗ, необходимо ввести дополнительное уравнение, описывающее осциллирующее движение заготовки (3). Опуская промежуточные преобразования, получено уравнение траектории движения абразивного зерна при шлифовании периферией круга с ПОЗ (4):

У л =Л(1-с08р<(),

БІП^І

6(Ж

р /

103К

V ч> У

(2)

(3)

2 ф(рл

\ кР

уА =Л(1-со ер,)

(4)

2 А =К

вІПі'рА :

У»9л

Элементарная длина кривой контакта шлифовального круга с заготовкой:

*Рл -

^ у<ьгл+4у1А+(к2Аа<рл.

(5)

Полная длина кривой контакта единичного абразивного зерна с заготовкой в пределах угла фА:

£„. = 210"

25-10 Л

С05(рл ±

+ ЫП(<рА)2

+ (2л/а) сое

2 к}К<рл

103К

ч кр ;

(6)

а)

На рисунке 5 (а, б) представлен график зависимости длины дуги кон такта Ьт абразивного зерна с заготовкой от частоты / и амплитуды а осцилляции (Окр = 250 мм, В = 40 мм, I = 0,01 мм, Уд = 20 м/мин, УКі> = 35 м/с).

Введение в кинемати ку процесса плоского шлифования дополнительного движения (поперечная ос цилляция заготовки) обеспечивает увеличение длины

Рисунок 5 - Зависимость длины дуги контакта Ьт от частоты / и амплитуды а осцилляций дуги контакта единичного абразивного зерна с заготовкой до 24%, при скорости осцилляций Уха = 34 м/с (а = 0,6 мм, { = 9 кГц). При низкочастотных осцилляциях (Т < 200 Гц) увеличение длины дуги контакта не превышает 0,5%. Следовательно, повышение производительности процесса за счет увеличения длины дуги контакта возможно лишь при высокочастотных осцилляциях.

Наличие поперечных осцилляций положительно отражается на производительности процесса, т.к. происходит изменение формы среза единичным абразивным зерном.

Для абразивного зерна, аппроксимированного в форме эллипсоида вращения, толщина среза ах1 единичным абразивным зерном определяется уравнением (7), а суммарное пе ремещение шлифовального круга за время поворота на угол ^.зависимостью (8):

3 -103 г

(8)

(9)

Формула для расчета объема недеформированного среза единичным абразивным зерном имеет вид:

= \)ахг1ш42Рахг ,

Скорость съема металла при плоском шлифовании периферией круга с ПОЗ:

(10)

В зависимостях (7) - (10) используются следующие обозначения: глубина шлифования, мм; р - средний радиус округления вершин режущих кромок, мм; Ыреж - число режущих кромок, приходящихся на 1 мм2 рабочей поверхности круга; В - высота круга, мм; кд - коэффициент, учитывающий уменьшение скорости съема металла из-за упругих отжатий и износа круга.

На рисунке 6 представлен график зависимости скорости съема металла от частоты осцилляций/(Бкр = 250 мм, В = 40 мм, I = 0,01 мм Уд = 20 м/мин, УКр = 35 м/с, а = 0,6 мм.)

Из графика видно, что осцилляция зоны резания ^ = 90 Гц, а = 0,6 мм) обеспечивает увеличение скорости съема металла в 1,55...1,75 раза и, как следствие, повышение производительности.

2. Математическая модель определения шероховатости поверхности после плоского шлифования периферией круга с ПОЗ, построенная на теории инженерии поверхности. Шероховатость обработанной поверхности после плоского шлифования периферией круга с ПОЗ:

= 0,18 ■ (А, + + /¡з + й4), (11)

80 100 120 Частота осцилляции([Гц]

Рисунок 6 - Зависимость скорости съема металла 2г от частоты осцилляций/

где А/ - составляющая профиля шероховатости, обусловленная геометрией и кинематикой перемещения рабочей части инструмента, мкм; Ь2 - составляющая профиля шероховатости, обусловленная колебаниями инструмента относительно обрабатываемой поверхности, мкм; Из -составляющая профиля шероховатости, обусловленная пластическими деформациями в зоне контакта ин-

струмента и заготовки, мкм.; - составляющая профиля шероховатости, обусловленная шероховатостью рабочих поверхностей инструмента, мкм (к4 = 0).

На основе анализа геометрии абразивного круга, кинематики перемещения рабочей 'части инструмента и детали получена формулу для расчета составляющей профиля шероховатости И,. Расчетная схема изображена на рисунке 7.

іф

1+К

(12)

Влияние колебаний инструмента на шероховатость обработанной поверхности оценивалась с помощью составляющей И2, отражающей перемещение концевого сечения шпинделя относительно поверхности обрабатываемой заготовки. Данная составляющая Ьвязывает приложенную в том же сечении силу Ру от единичного абразивного зерна и коэффициенты податливости системы: я,- - в случае абсолютно жестких опор (Рисунок 8, а); А а,- - в случае податливых опор (Рисунок 8, б). Приняты следующие допущения: 1) система, состоящая из шпинделя с установленным на его конце абразивным кругом, рассматривается как абсолютно жесткий двухопорный ротор на упругих опорах с соответствующими коэффициентами жесткости; 2) колебания рассматриваются в плоскости перпендикулярной оси вращения ротора; 3) на роторе отсутствуют неуравновешенные массы; 4) продольные перемещения центра масс ротора пренебрежимо малы; ¡5) угол отклонения центральной оси ротора от горизонтального положения пренебрежимо мал и в расчетах не учитывается.

Рисунок 7 - Расчетная схе-I ма к определению составляющей профиля шероховатости А;

Рисунок 8 - Расчетная схема к определению составляющей /г2: а) в случае абсолютно жестких опор; б) в случае податливых опор

К-

JР ^pLp ^ 1 3 EJ, Jj j fi

хЛ

/=о

(13)

Составляющую И3 для плоского шлифования периферией круга с ПОЗ определяв на основании работ Суслова А.Г. Ввиду наличия осциллирующей подачи детали вдоль ос X, в традиционной формуле для расчета И3 следует учитывать не только поперечную под) чу НО и осциллирующую подачу

к =

2г„

0,12-Кпг, ±

V,R<Pa 103 F

) ( -HI

+ 0> 1

(14)

32

Уравнения (12) - (14) включают в себя следующие параметры: / - среднестатист; ческое расстояние между зернами, мм; /V- число выхаживаний; та- адгезионное взаим; действие инструмента и детали; ат - предел текучести обрабатываемого материала, П| упп - поперечная интегрированная подача, м/мин; г - радиус скругления режущих зере| мм; п-, - количество элементарных площадок на поверхности инструмента; и - м| менты инерции площади сечения соответствующих участков ротора, м ; Е - модуль у ругости материала, Па; 1Р - расстояние между опорами, м; ЬР - вылет переднего кош шпинделя, м\]П - динамическая жесткость, Н/м; Ру,- сила суммарного резания всеми р1 бочими зернами, находящимися на рассматриваемой контактной площадке, Н.

На рисунках 9 (а - б) и 10 представлены графики зависимости составляющих Ц Ь3 шероховатости обработанной поверхности от частоты осцилляций Г (при I = 0,() мм, Уд = 20 м/мин, УКР = 35 м/с, ст. 45 (НЯС 45...50), круг ПП 250x40*1 4А40СМ19К 35м/с А2 кл.) Из графиков видно, что осцилляция зоны резания обеспечив^ ет снижение шероховатости обработанной поверхности на 1,4 раза ^ = 90 Гц, а = 0,6 м: по сравнению с традиционным маятниковым шлифованием.

На основании математических зависимостей рассмотренных выше была разраб! тана программа для имитационного моделирования процесса плоского шлифования п| риферией круга с ПОЗ (далее ПИМ). Интерфейс программы изображен на рисунке 11.

Программа позволяет как визуально просматривать любой участок обработанной п| верхности, так и выполнять его анализ, в который входит: анализ шероховатости поверхн1 сти согласно ГОСТ 2789-73; построение профилограмм поверхности; построение лин^ разреза поверхности под любым углом; гармонический анализ микронеровностей обраб! танной поверхности; построение гистограмм высот и их распределения по поверхност построение опорной кривой (кривой Аббота) обработанной поверхности.

а = 0.1 мм ';

--------_ Х4 мм ■

....... —

1 1

.........г........i......... ......... V

; J ! !

: 1 1 :

I

75 100 125 150 175 200 Частота осцилляции f [Гц]

I ! I I ......\ j

! а = 0 4 мм /1

i /

.......!....... I а = 0.1 к- М !

- : -1

—-—

0 20 40 ВО 80 100 120 140 160 180 201 Частота осцилляций f [Гц]

а) б)

Рисунок 9 - Зависимость составляющей h, (а) и h2 (б) шероховатости обработанной поверхности от частоты осцилляций /

а) б)

Рисунок 13 - Установка для экспериментальных исследований процесса плоского шлифования с ПОЗ

Рисунок 10 - Зависимость составляющей И3 шероховатости обработанной поверхности от частоты осцилляций/

Рисунок 11 - Интерфейс программы для геометрической имитации процесса плоского шлифования периферией круга с ПОЗ

На рисунке 12 представлены опорные кривые поверхности, построенные по дан-'ным, полученным с помощью данной программы (а - шлифование периферией круга с ¡ПОЗ - Сталь 45 (НЯС 45...50), Окр = 250 мм, В = 40 мм, Укр = 35 м/с, Уд = 15 м/мин, I = ,0,01 мм, Г = 500 Гц, а = 0,1 мм; б - маятниковое шлифование периферией круга - Сталь 145 (НЯС 45...50), Окр = 250 мм, В = 40 мм, Укр = 35 м/с, Уд = 15 м/мин, I = 0,01 мм). Анализ опорной кривой поверхности (рисунок 12) показывает, что она имеет плавный перевод от зоны незначительного контакта в зону развитого контакта, площадь плоских участков, возникающих на контактной поверхности при 0 -г- 20% срезе, увеличивается не 'менее чем на 35% по сравнению с маятниковым шлифованием, что свидетельствует о ¡том, что при работе такая поверхность требует меньшее время на приработку и обладает лучшими эксплуатационными характеристиками.

Численные исследования, проведенные в ПИМ, показали, что при скорости осцилля-'ций Уха = 5...35 м/с, \кр = 35 м/с, V, = 20 м/мин и I < 0,015 мм на обработанной пoвegxнocти формируется изотропный микрорельеф с углом скрещивания неровностей а = 12 ...90 .

В третьей главе представлены результаты экспериментальных исследований 'влияния технологических факторов на эффективность процесса плоского шлифования (периферией круга с поперечной осцилляцией заготовки. Эксперименты проводились ¡на установке, изображенной на рисунке 13, а - б, которая включала в себя: 1 - приспособление для шлифования периферией круга с ПОЗ; 2 - электродвигатель АИР71А2У2; 3 - преобразователь частоты АШуаг АТУЗ12Н075Ы4, необходимый для управления частотой вращения электродвигателя. Сообщение осцилляций рабочему столу приспособления ! производится с помощью эксцентриковой втулки, установленной на приводном валу.

25 50 75 100 125 150 175 200 Частота осцилляций f (Гц]

Рисунок 12 - Опорные кривые поверхности

[

Первый этап экспериментальных исследований был направлен на определен^ производительности процесса плоского шлифования периферией круга с ПОЗ.

По результатам проведенных экспериментальных исследований получены уравге ния регрессии для определения шероховатости обрабатываемой поверхности в зав^ симости от времени обработки (числа выхаживаний): -для стали 45:

Яа„ = 0,4028 - 0,0187-п - 0,0261-/ + 0,0167-1 — 0,0083-п -V, (15) | - для стали 40ХН:

Яа„ = 0,7744 ~0,03б2-п - 0,0286-/ + 0,0210-1 -0,0010-п-(. (16)

В результате проведенного экспериментального исследования влияния частоты осцц ляций на скорость съема металла выявлено, что осцилляция зоны резания позволяет увел^ чить скорость съема металла, что приводит к снижению основного времени обработки.

На рисунке 14 (а - б) представлены графики зависимости скоростного съема мета! ла <2т от частоты осцилляции /, построенные с помощью математических моделей, ра смотренных в главе 2, и экспериментальных данных.

Сопоставление экспериментальных и расчетных данных, полученных при помощ зависимости (7), показало расхождение не более 15%, что является приемлемым, учить вая стохастичность процесса шлифования.

Экспериментальные исследования показали, что способ плоского шлифования п риферией круга с ПОЗ целесообразно применять при числе проходов от 1 до 4 (для стш! 45) и при числе проходов от 1 до 3 (для стали 40ХН), так как при данных условиях н блюдается снижение шероховатости обработанной поверхности до 40%. Это приводит, уменьшению основного времени обработки, необходимого для достижения требуемС шероховатости обработанной поверхности и увеличению производительности. При чи ле выхаживаний от 5 до 8 (для стали 45) и числе выхаживаний от 4 до 8 (для стали 40X1 снижение шероховатости составляет 12%, а при числе выхаживаний более 8 снижен!1 шероховатости не превышает 4%.

Установлено, 41 способ плоско^ шлифования с ПС1 обеспечивает пов£ шение произвол, тельности за сч увеличения скорост съема металла до 311 (рисунок 15).

На втором эт пе был проведен р« экспериментальны исследований влн ния технологически факторов на шерох' ватость обрабат^ ваемой поверхнос^ при шлифовании п

риферией круга с ПОЗ. 1

По результатам этих исследований получены следующие уравнения регрессии: | 1. Уравнения регрессии влияния технологических факторов на продольную шер| ховатость обработанной поверхности Яапр:

1 •Л ' ' с ПОЗ (С!. ■!!>>';" -..и

г\/у л Н\/ . маятн« «ое! \

V ' \\ - ¡шлифом ние:"""; ) г/;

Г її- ¿1 V V \\ .1.. ... Лчч^Л I ■ Г : ' V"? : і

II І і II

1 2 3 5 6 7 9 10

и>

03 | 0.3 »0.7 І

3 °-5

о

а <М

3 0.3 02 0.1 0.0

• \\: У< с1ЮЗ(сг40ХН!: . : РТ-........Г" "1.....Г'П и

"і"'" ^^^ Тсі^охН)6 і : . V Оч^. *..... .....

— г - : • ; І ,

Число выхаживаний, п - экспериментальные данные; - ■ а) Стань 45

13 3 4 5 6 7 8

Число выхаживаний, п расчетные значения. б) Сталь 40ХН

Рисунок 14 - Влияние числа выхаживаний на шероховатость поверхности при различных способах плоского шлифования периферией круга

(18)

(20)

- для стали 45:

RanP = 0,3937-10,3539-t- 0,0257-f- 0,0082- Vd + 0,2487-f■ t + + 2,7571 t-Vd - 0,0293-ft-Vd.

- для стали 40XH:

Ranp = 0,6466- 18,3856-t- 0,0442-f- 0,0141-Vd + 0,4561-f■ t + + 4,6211 -t-Vd-0,0519ft-Vd;

2. Уравнения регрессии влияния технологических факторов на поперечную шероховатость обработанной поверхности Rann'-I -для стали 45:

Rann = 0,4737 + 41,6640-1+ 0,0675-/+ 0,00849-V,- 0,3763-f-t - (т

- l,3078-f-Vd-0,0135-VK4-t-Vd; v 7

- для стали 40ХН:

Rann = 0,7256 + 21,8266-t + 0,0134f+ 0,0102-Vd-0,1415ft -| - 0,7625-f- Vd - 0,0097- Vocll-t- Vü.

1 Экспериментальные исследования показали, что осцилляция зоны резания (Vxa = ¡1,35 м/с) обеспечивает снижение шероховатости обработанной поверхности как в продольном, так и в поперечном направлении в среднем в 1,43 раза. Выявлено, что для обеспечения максимальной производительности с формированием изотропного микрорельефа, способ плоского шлифования периферией круга с ПОЗ целесообразно применять при Глубинах шлифования до 0,015 мм.

При скорости движения стола Уд < 23 м/мин и фиксированных f = 90 Гц, а = 0,6 мм, ' = 0,005...0,015 мм, на обработанной поверхности формируется изотропный микрорельеф, с углом скрещивания неровностей а < 1 град.

В четвертой главе представлено оборудование и технологические рекомендации по практическому применению способа плоского шлифования периферией круга с ПОЗ. В результате экспериментальных исследований была апробирована конструкция лабораторной остановки для реализации способа плоского шлифования периферией круга с ПОЗ. На ее базе была разработана конструкция промышленной установки для реализации предложенного способа (рисунок 16).

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Частота осцилляции f (Гц] - экспериментальные данные; - - расчетные значения.

Рисунок 15 - Графики зависимости скоростного съема металла <2т от частоты осцилляции/

/ - Индентор УГ ИЛ10-1.8; 2 - Магнитная плита; 3 -Планка; 4 - Пружина; 5 - Винт; 6 - Плоский подшипник; 7 - Упор; 8 - Промежуточная плита; 9 - Пластина.

Рисунок 16 - Общий вид промышленной установки для плоского шлифования периферией круга с ПОЗ

Частота осцилляций обеспечивается ультразвуковым генератором (фазовой АПЧ), мплитуда осцилляций устанавливается механической настройкой приспособления.

Разработаны рекомендации

Таблица 1 - Минимальная достаточная ве- практическому применению спосо личина амплитуды осцилляций а в зависимости плоского шлифования перифери от зернистости абразивного круга. круга с ПОЗ:

• согласно ГОСТ 2789-73 ше ховатости исходной поверхность не ниже 2,5 мкм (чистовое строгаш

Таблица 2 - Зависимость угла скрещива- ™стовое Цилиндрическое и торцо ния следов абразивных зерен а и скорости ос- Фрезерование, плоское предварите цилляций VXA DKp = 125 мм, Vtp = 35 м/с, V, = ное шлифование); 20 м/мин, t = 0,05 мм). ' минимальная достаточная

личина амплитуды осцилляции а в висимости от зернистости абразив го круга представлена в таблице 1;

• скорость осцилляций Vxa должна превышать скорость абраз ного круга VKp (Vxa - Vkp). Зави мость угла скрещивания следов аб зивных зерен а и скорости осцилляц Vxa представлены в таблице 2;

• максимальная производите ность за счет сокращения основн времени обработки обеспечивается п числе выхаживаний п < 4;

• рекомендуемые технологичес режимы применения способа плоек шлифования периферией круга с П представлены в таблице 3.

• глубина шлифования t при об ботке способом плоского шлифован

периферией круга с ПОЗ назначается аналогично окончательному традиционному ма никовому шлифованию.

Проведено опытное внедрение способа плоского шлифования периферией круп поперечной осцилляций заготовки в условиях ЗАО «Техоснастка» (г. Орел) и ООО «Це1 Погрузчик - Сервис» (г. Орел). Расчет годового экономического эффекта показал, что ср окупаемости проекта составляет до 4 месяцев, а суммарный годовой экономический эфф составит более 400 тыс. рублей.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. В представленной научно - квалификационной работе изложены научно обос ванные технические и технологические решения, направленные на повышение качес и производительности плоского шлифования периферией круга путем поперечной цилляции обрабатываемой заготовки, имеющие существенное значение для машт строения.

2. Разработан способ плоского шлифования периферией круга с поперечной осц ляцией заготовки, обеспечивающий снижение шероховатости обработанной поверхнос в 1,4 раза с формированием на ней изотропного микрорельефа, и повышение произво тельности обработки в 1,7 раза.

3. Разработана кинематическая модель плоского шлифования периферией круга с перечной осцилляцией заготовки. Установлено, что поперечная осцилляция заготовки об

Номер зернистости 16 25 40

Амплитуда осцилляций а, мм а 0,16 2 0,25 ä 0,4

Vxa, м/с 5 10 15 20 25 30 35

а,град 12 25 35 51 64 77 90

Таблица 3 - Рекомендуемые технологические режимы применения способа плоского шлифования периферией круга с ПОЗ (Круг ПП 250x40x76 4А40СМ19К 35м/с А2 кл, Укр = 35 м/с, а = 0,6 мм).

\Г.Гц 30 45 60 75 90 Ra, мкм (ГОСТ 2789-73)

t, ММ \ Уд, м/мин

0,005 4* 3* 7 4 11 10 16 12 23 19 0,39...0.29 0,63...0,60

0,01 5 3 7 4 10 8 13 11 21 18 0,50...0,35 0,74...0,69

0,015 3 2 6 4 9 6 13 11 20 18 0,64...0,55 0,81...0,76

* Верхнее значение для стали 45, нижнее — для стали 40ХН.

печивает увеличение длины дуги контакта абразивного зерна с заготовкой до 24% и скорости съема металла до 76% при скорости осцилляции Vxa= 34 м/с.

4. Разработана математическая модель определения шероховатости поверхности детали при плоском шлифовании периферией круга с поперечной осцилляцией заготовки. Теоретически обосновано снижение шероховатости Ra обработанной поверхности до 42% по сравнению с традиционным шлифованием.

5. Разработана программа имитационного моделирования плоского шлифования периферией круга с поперечной осцилляцией заготовки. Численным экспериментом установлено, что площадь плоских участков, возникающих на контактной поверхности при 0 4- 20% срезе, увеличивается не менее чем на 35%. Установлено, что при скорости осцилляций Vxa= 5...35 м/с, Укр= 35 м/с, Уд < 20 м/мин и t < 0,015 мм на обработанной поверхности формируется изотропный микрорельеф с углом скрещивания неровностей а = 12...90 град.

6. Экспериментально установлено, что увеличение скорости съема металла (на 31%) и снижение шероховатости обработанной поверхности до 40% наблюдается при числе выхаживаний п < 4 (f = 90 Гц, а = 0,6 мм).

7. Экспериментально установлено, что осцилляция зоны резания снижает шероховатость обработанной поверхности в продольном и в поперечном направлении до 1,4 раза при f = 90 Гц, а = 0,6 мм. При увеличении скорости движения стола Уд шероховатость обработанной поверхности в продольном направлении растет, а в поперечном - снижается. При скорости движения стола Уд < 23 м/мин и фиксированных f = 90 Гц, а = 0,6 мм, t = 0,005...0,015 мм на обработанной поверхности формируется изотропный микрорельеф, с углом скрещивания неровностей а < 1 град.

8. Разработана конструкция установки для промышленной реализации способа плоского шлифования периферией круга с поперечной осцилляцией заготовки и технологические рекомендации по практическому применению данного способа. Установка и технологические рекомендации прошли производственную апробацию на ЗАО «Техоснастка» (г. Орел) и ООО «Центр Погрузчик - Сервис» (г. Орел), ожидаемый годовой экономический эффект от внедрения составил более 400 тыс. рублей.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах

Монографии:

1. Повышение эффективности плоского шлифования усложнением кинематики процесса [Текст] / A.B. Воронков, Ю.В. Василенко, A.B. Морозова // Моделирование технологических процессов абразивной обработки. Монография / Г.В. Барсуков, Л.Г. Вайнер, Ю.В. Василенко, A.B. Воронков и др. - Под ред. Ю.С. Степанова и A.B. Киричека - М.: Издательский дом «Спектр», 2011. - 256 е.: ил. - с. 99 -144.

Список публикаций в изданиях, рекомендованных ВАК:

2. Воронков, A.B. Повышение качества и производительности финишных операций механической обработки [Текст] / Ю.В. Василенко, A.B. Воронков. - Известия ОрелГТУ. Серия «Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии»: IX Международная научно-техническая конференция. - №2-2/270(545).-Орел: ИПЦ ОрелГТУ, 2008. - с. 4 - 9.

3. Воронков, A.B. Плоское виброшлифование с сообщением колебаний обрабатываемой заготовке [Текст] / Ю.В. Василенко, A.B. Воронков, О.С. Заброда. - Известия ОрелГТУ. Серия «Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии». - №3-3/271(546).-Орел: ИПЦ ОрелГТУ, 2008 - с. 8 - 9.

4. Воронков, A.B. Обзор способов чистовой механической обработки с наложением вибраций / Ю.В. Василенко, A.B. Воронков, О.С. Заброда // Известия ОрелГТУ. Серия «Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии»: материалы студенческой региональной научно-технической конференции. - №2-4/270(545).-Орел: ИПЦ ОрелГТУ, 2008. - с. 56 - 59.

5. Воронков, A.B. Кинематическая модель процесса плоского шлифования с поперечной осцил-яцией заготовки [Текст] / Ю.В. Василенко, A.B. Воронков, О.С. Заброда. - Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. - №2-4/274(560). - Орел: ИПЦ ОрелГТУ, 2009. - с. 78 - 81.

6. Воронков, A.B. Математическая модель шероховатости поверхности детали при плоском шлифовании с усложненной кинематикой [Текст] / A.B. Воронков. - Фундаментальные и приклад-

ные проблемы техники и технологии. - №2/3(286) 2011. - Орел, ИПЦ ФГБОУ ВПО «Госунивер тет - УНПК». - с. 23 - 30

Список публикаций в других изданиях, решения о выдаче патентов РФ:

7. Воронков, A.B. Повышение качества поверхности при чистовой обработке плоских поверх! стей [Текст] / Ю.В. Василенко, A.B. Воронков, О.С. Заброда. - Всероссийская научно-техническая кон ренция студентов, посвященная 140-летию высшего технологического образования МГТУ им. Н.Э. Б' мана. «Студенческая научная весна 2008: Машиностроительные технологии». - М.: МГТУ им. Н.Э. Б мана, 2008. - с. 55 - 56.

8. Воронков, A.B. Повышение качества и производительности отделочной обработки [Текст] / Ю Василенко, A.B. Воронков. - Проблемы качества машин и их конкурентоспособности: материалы 6-й ждународной научно-технической конференции, г. Брянск, 22-23 мая 2008 г. / под. общ. ред. А.Г. Суслов, Брянск: БГТУ, 2008. - с. 271 - 272.

9. Воронков, A.B. Теоретический анализ кинематики процесса плоского шлифования периферией к га с осевыми колебаниями [Текст] / A.B. Воронков, О.С. Заброда. - XXXV Гагаринские чтения. Межпунар пая молодежная научная конференция. Научные труды в 8 томах. Т.1.М.:МАТИ, 2009,250 с. -Зс.- С. 101-10

10. Воронков, A.B. Финишная вибрационная обработка поверхности детали [Текст] / A.B. ронков, О.С. Заброда. - 59 открытая студенческая научно-техническая конферен-ция СНТК МАМ

2009. 13 -30 апреля 2009 г. 41. - с. 35 - 36.

11. Воронков, A.B. Математическая визуализации процесса плоского шлифования с поперечной цилляцией заготовки [Текст] / A.B. Воронков, И.Ф. Шадрин, O.A. Василенко, О.С. Заброда. - Сборник дов Региональной научно-практической конференции молодых ученых и аспирантов, Орел-Ливиы, 26 ф раля 2010 / Под общей редакцией Ю.С. Степанова. - Орел: ОрелГТУ, 2010.-е. 19 - 23.

12. Воронков, A.B. Формирование изотропного микрорельефа при плоском шлифовании риферией круга [Текст] / Ю.В. Василенко, A.B. Воронков, О.С. Заброда. - Сборник трудов Реп нальной научно-практической конференции молодых ученых и аспирантов, Орел-Ливны, 26 февр 2010 / Под общей редакцией Ю.С. Степанова. - Орел: ОрелГТУ, 2010. - с. 36 - 41.

13. Воронков, A.B. Обзор комплексных способов механической обработки обеспечивающих у личение дуги контакта инструмента с заготовкой [Текст] / A.B. Воронков, А.Ю. Казаков, A.B. Тюх O.A. Василенко. - Сборник трудов Региональной научно-практической конференции молодых учены аспирантов, Орел-Ливны, 26 февраля 2010 / Под общей редакцией Ю.С. Степанова. - Орел: ОрелГ

2010.-е. 111 - 115.

14. Воронков, A.B. Установка для экспериментальных исследований процесса плоского шлифова! с поперечной осцилляцией заготовки / A.B. Воронков // «Модернизация машиностроительного компле России на научных основах технологии машиностроения (ТМ-2011)» [Текст] + [Электронный ресурс]: TP - 3 Международная научно-техническая конференция, г. Брянск, 15-20 мая 2011. / Под общ. ред. Сус ва А.Г. - Брянск: Десяточка 2011 . - с. 30 - 31.

15. Решение о выдаче патента РФ на изобретение от 24.11.2011 г., заявка 2010139844/02(056951) Способ плоского виброшлифования. Степанов Ю.С., Киричек A.B., Афонас Б.И., Самойлов H.H., Овсянникова И.В., Василенко Ю.В., Воронков A.B. // В24В7/00, В24В1/ B24D7/06 28.09.2010 г.

16. Решение о выдаче патента РФ на изобретение от 6.12.2011 г., заявка 2010139850/02(056957) Способ вибрационного плоского шлифования. Степанов Ю.С., Киричек А. Афонасьев Б.И., Самойлов H.H., Овсянникова И.В., Василенко Ю.В., Воронков A.B. // В24В7/ В24В1/00, B24D7/06 28.09.2010 г.

17. Решение о выдаче патента РФ на изобретение от 24.11.2011 г., заявка 2010139846/02(056953) Устройство для плоского виброшлифования. Степанов Ю.С., Киричек А. Афонасьев Б.И., Самойлов H.H., Овсянникова И.В., Василенко Ю.В., Воронков A.B. // В24В7/ В24В1/00, B24D7/06 28.09.2010 г.

18. Решение о выдаче патента РФ на изобретение от 25.11.2011 г., заявка 2010139848/02(056955) Устройство для вибрационного плоского шлифования. Степанов Ю.С., Кирич A.B., Афонасьев Б.И., Самойлов H.H., Овсянникова И.В., Василенко Ю.В., Воронков A.B. // В24В7/ В24В1/00, B24D7/06 28.09.2010 г.

Подписано в печать «20» марта 2012 г. Формат 60x84/16. Усл. печ. л. 1. Тираж 100 экз. Заказ № 0ЮП/12 Отпечатано с готового оригинал - макета на полиграфической базе ФГБОУ ВПО «Госуниверситет - УНПК». Россия, 302030, г. Орел, ул. Московская, д. 65.

61 12-5/3199

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ -УЧЕБНО-НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ КОМПЛЕКС» (ФГБОУ ВПО «ГОСУНИВЕРСИТЕТ - УНПК»)

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ИМ. Н.Н. ПОЛИКАРПОВА ФГБОУ ВПО «ГОСУНИВЕРСИТЕТ - УНПК»

На правах рукописи

ак>Х_

ВОРОНКОВ АЛЕКСАНДР ВИКТОРОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПЛОСКОГО ШЛИФОВАНИЯ ПЕРИФЕРИЕЙ КРУГА ПУТЕМ ПОПЕРЕЧНОЙ ОСЦИЛЛЯЦИИ ОБРАБАТЫВАЕМОЙ ЗАГОТОВКИ

05.02.08 - Технология машиностроения

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель кандидат технических наук, доцент

Ю. В. Василенко

Орел-2012

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ................................................................................................ 4

Глава 1 АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА ПО ФОРМИРОВАНИЮ ИЗОТРОПНОГО МИКРОРЕЛЬЕФА ПРИ РАЗЛИЧНЫХ МЕТОДАХ ОБРАБОТКИ.................................... 7

1.1 Анализ методов обработки, формирующих на обработанной поверхности регулярный или изотропный микрорельеф................................................................................... 14

1.2 Анализ видов и способов абразивной обработки с формированием на обработанной поверхности изотропного микрорельефа...................................................................... 22

Выводы по главе 1..................................................................................... 33

Глава 2 ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПЛОСКОГО ШЛИФОВАНИЯ ПЕРИФЕРИЕЙ КРУГА С ПОПЕРЕЧНОЙ ОСЦИЛЛЯЦИЕЙ ЗАГОТОВКИ............... 34

2.1 Построение модели для исследования общих закономерностей плоского шлифования периферией круга с поперечной осцилляцией заготовки................................................. 34

2.2 Способ плоского шлифования периферией круга с наложением вынужденных поперечных колебаний на обрабатываемую заготовку.......................................................................... 36

2.3 Кинематическая модель процесса плоского шлифования периферией круга с поперечной осцилляцией заготовки.... 43

2.4 Определение шероховатости поверхности после плоского шлифования периферией круга с поперечной осцилляцией заготовки................................................................................... 56

2.5 Программа для имитационного моделирования процесса плоского шлифования периферией круга с поперечной осцилляцией заготовки.................................................. 70

Выводы по главе 2..................................................................................... 77

Глава 3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРОЦЕССА ПЛОСКОГО ШЛИФОВАНИЯ ПЕРИФЕРИЕЙ КРУГА С ПОПЕРЕЧНОЙ ОСЦИЛЛЯЦИЕЙ ЗАГОТОВКИ............................................................... 79

3.1 Методика проведения экспериментальных исследований..... 79

3.2 Исследование влияния технологических факторов на производительность процесса плоского шлифования периферией круга с поперечной осцилляцией заготовки........ 85

3.3 Исследование влияния технологических факторов на шероховатость обрабатываемой поверхности при плоском шлифовании периферией круга с поперечной осцилляцией заготовки..................................................................... 91

Выводы по главе 3..................................................................................... 95

Глава 4 ОБОРУДОВАНИЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРАКТИЧЕСКОМУ ПРИМЕНЕНИЮ СПОСОБА ПЛОСКОГО ШЛИФОВАНИЯ ПЕРИФЕРИЕЙ КРУГА С ПОПЕРЕЧНОЙ ОСЦИЛЛЯЦИЕЙ ЗАГОТОВКИ.......... 97

4.1 Конструкция промышленной установки для реализации способа плоского шлифования периферией круга с поперечной осцилляцией заготовки.............................................. 97

4.2 Рекомендации по практическому применению способа плоского шлифовании периферией круга с поперечной осцилляцией заготовки........................................................... 99

4.3 Расчет экономической эффективности практического внедрения экспериментальной установки для плоского шлифования периферией круга с поперечной осцилляцией заготовки..................................................................... 101

Вывод по главе 4........................................................................................ 105

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ............................................................. 106

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ................................ 108

ПРИЛОЖЕНИЯ......................................................................................... 118

ВВЕДЕНИЕ

Машиностроение - это ядро всей экономики и главный плацдарм для инновационных преобразований, который в современных условиях приобретает особое системообразующее значение. Его приоритетное технологическое развитие становится решающим условием инновационного развития страны. Одной из главных задач, стоящих перед отечественным машиностроением,

остается его технологическая модернизация [64].

В настоящее время большое количество научно-технических работ направлено на интенсификацию способов шлифования с целью повышения производительности обработки. Однако не всегда должное внимание уделяется обеспечению эксплуатационных показателей качества обработанных поверхностей деталей машин, поэтому комплексный подход к совершенствованию способов абразивной обработки поверхностей деталей машин становится наиболее востребованным, экономически оправданным и технологически обоснованным в современном машиностроении [95].

Эксплуатационные свойства деталей машин определяются как параметрами шероховатости обработанной поверхности, так и направлением неровностей [96].

ГОСТ 2.309-73 регламентирует лишь обозначение типа микрорельефа и направление его измерения, если оно отличается от предусмотренного ГОСТ 2789-73. Однако в данных ГОСТах, отсутствуют параметры рассматриваемых микрорельефов (шаг неровностей, угол их скрещивания и пр.) [14, 96].

В этой связи одним из актуальных научных направлений в технологии машиностроения является развитие методов и способов высокопроизводительной обработки, в том числе абразивной, обеспечивающих формирование микрорельефа обработанной поверхности с управляемым расположением микронеровностей. В наибольшей степени эксплуатационным требованиям удовлетворяют поверхности, имеющие изотропный микрорельеф [91 - 94, 96].

Под поверхностью-' с изотропным микрорельефом понимается поверхность, у которой высотные параметры шероховатости инвариантны к направлению измерения [14].

Задача формирования изотропного микрорельефа эффективно решена для ряда лезвийных и абразивных способов механической обработки. В этой связи актуальными являются исследования направленные на разработку научно -обоснованных технологических решений по формированию изотропного микрорельефа при плоском шлифовании периферией круга.

Цель работы: повышение качества и производительности процесса плоского шлифования периферией круга путем сообщения вынужденных поперечных осцилляций заготовке.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

• разработать способ плоского шлифования периферией круга с поперечной осцилляцией заготовки и выполнить его кинематический анализ;

• разработать математическую модель определения шероховатости поверхности детали при плоском шлифовании периферией круга с поперечной осцилляцией заготовки;

• разработать программу для ПЭВМ, позволяющую производить имитационное моделирование и анализ микрогеометрии поверхности после плоского шлифования периферией круга с поперечной осцилляцией заготовки;

• провести экспериментальные исследования влияния технологических факторов на эффективность процесса плоского шлифования периферией круга с поперечной осцилляцией заготовки;

• разработать научно-обоснованные конструкторско-технологические рекомендации по практическому применению способа плоского шлифования периферией круга с поперечной осцилляцией заготовки.

Объект исследования: процесс плоского шлифования периферией круга.

Предмет исследования: микрорельеф обработанной поверхности.

Методы исследования: теоретические исследования базируются на теориях шлифования материалов, инженерии поверхности, механических колебаний, планирования многофакторного эксперимента, математической статистики, дифференциального и интегрального исчисления.

Научная новизна работы:

• разработан способ и технология плоского шлифования периферией круга с поперечной осцилляцией заготовки, обеспечивающие формирование различного типа направления неровностей;

• получена кинематическая модель, устанавливающая взаимосвязь технологических параметров обработки и осцилляции заготовки с углом скрещивания неровностей, траекторией движения абразивного зерна, длиной его дуги контакта с обрабатываемой заготовкой и скоростью съема металла;

• разработана математическая модель определения шероховатости поверхности при плоском шлифовании периферией круга с поперечной осцилляцией заготовки.

Практическая значимость:

• разработана конструкция промышленной установки для реализации способа плоского шлифования периферией круга с поперечной осцилляцией заготовки;

• получены научно обоснованные технологические рекомендации по практическому применению способа плоского шлифования периферией круга с поперечной осцилляцией заготовки.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА ПО ФОРМИРОВАНИЮ ИЗОТРОПНОГО МИКРОРЕЛЬЕФА ПРИ РАЗЛИЧНЫХ МЕТОДАХ ОБРАБОТКИ

Непрерывно возрастающие требования к качеству выпускаемых машин связаны с необходимостью повышения их точности и надежности, производительности и коэффициента полезного действия, которые в значительной мере определяются эксплуатационными свойствами их деталей и узлов (износостойкость и коэффициент трения, усталостная прочность, коррозионная стойкость, контактная жесткость, прочность сопряжений и др.) [2].

Значительный вклад в развитие науки о качестве поверхностного слоя внесли, как отечественные ученые: С.Б. Айбиндер, A.C. Ахматов, А.П. Бабичев, С.Г. Бишутин, A.M. Беляев, В.Ф. Безъязычный, A.C. Васильев, O.A. Горленко, В .Г. Гусев, A.M. Дальский, Б.В. Дерягин, В.В. Ефимов, Ю.М. Зубарев, В.В. Измайлов, В.Б. Ильицкий, A.B. Киричек, A.M. Козлов, И.И. Колтунов, E.H. Маслов, Ю.К. Новоселов, А.Н. Овсеенко, И.А. Одинг, Н.П. Петров, П.А. Ребиндер, В.М. Смелянский, Ю.С. Степанов, А.Г. Суслов, A.B. Тотай, А.П. Улашкин, М.М. Хрущев, B.C. Харченков, Ю.Г. Худобин, Л.В. Шнейдер, П.И. Ящерицын, так и зарубежные: Н. Адам, В. Гаркинс, Д. Кумабе, Ф. Линг, Е. Рабинович, Е. Ридил, X. Уте, Р. Хольм, X. Чихос, Дж. Шульман

Эксплуатационные свойства деталей и узлов машин существенно зависят от качества поверхностного слоя, которые определяются геометрическими (макроотклонение, волнистость, шероховатость) и физико-механическими (микротвердость, остаточные напряжения, структура) характеристиками. Все эти параметры зависят от технологии обработки деталей и сборки машин. Таким образом, техническое решение проблемы повышения качества машин в значительной мере обусловлено возможностью технологического обеспечения качества поверхностного слоя деталей,

которое включает в себя как геометрические характеристики, так и физико-химические свойства [3].

В технологии машиностроения имеются значительные резервы повышения эксплуатационных свойств поверхностей деталей машин. Совершенствуются такие прогрессивные методы чистовой обработки, как поверхностное пластическое деформирование, электромеханическая, электроалмазная обработка, лезвийная обработка, различные виды абразивной обработки [2]. -'

Качество, надежность и долговечность машин и механизмов зависят от характера контактирования сопрягаемых деталей друг с другом или другой средой, определяемого состоянием поверхностного слоя контактирующих деталей [1]. Особенно следует выделить оптимизацию микрогеометрии контактирующих поверхностей. В большинстве случаев на практике формируемся микрорельеф с неоднородными по форме и размерам неровностями, что вызывает трудности в решении ряда основных задач оптимизации микрогеометрии: достоверного научного обоснования, технологического обеспечейия, точного измерения и контроля [1,3].

Таким образом, неоднородность микрорельефа, как негативное его свойство, образующееся в результате применения большинства традиционных способов обработки, определяет основное направление совершенствования финишных операций механической обработки -регуляризацию микрорельефов обработанных поверхностей [1].

Согласно ГОСТ 24773-81, все известные способы образования регулярных микрорельефов могут быть разделены на две группы:

1. Способы, с помощью которых на поверхности создается полностью новый регулярный микрорельеф;

2. Способы, позволяющие создавать частично регулярный микрорельеф.

В первом случае на поверхности образуется полностью новый микрорельеф с одинаковыми по форме, высоте и взаимному расположению

неровностями; во втором - образуются дискретно расположенные углубления, между которыми остается нетронутый исходный микрорельеф [1].

При шлифовании, в зависимости от принятой кинематической схемы и конструкции инструмента, соотношения скоростей резания, продольной и поперечной подач на обработанной поверхности формируется различный микрорельеф (направление микронеровностей) [14, 96]. Данные поверхности обладают и различными эксплуатационными показателями [91, 94]. Как показываю проведенные исследования [92, 93, 96], в наибольшей степени эксплуатационным требованиям удовлетворяют поверхности, имеющие

изотропный микрорельеф.

Под поверхностью с изотропным микрорельефом понимается такая

поверхность, у которой высотные параметры шероховатости инвариантны к направлению измерения. В противном случае поверхность считается анизотропной.

При плоском шлифовании периферией круга на обработанной поверхности формируется нерегулярный или анизотропный микрорельеф.

Для иллюстрации вышесказанного рассмотрим топографию поверхности после плоского шлифования периферией круга [31].

Структура поверхности (рисунок 1.1) после шлифования представляет собой множество неглубоких параллельно расположенных царапин, произведенных абразивными зернами, находящимися на периферии шлифовального круга. Зерна, участвующие в процессе резания, имеют разную степень износа, что приводит к неоднородности получаемой

шероховатости поверхности.

В большинстве теоретических моделей принято считать, что шлифованная поверхность - это результат серии случайных контактных взаимодействий. Однако, на практике это не так, поскольку инструмент для правки шлифовального круга придает поверхности шлифовального круга ярко выраженную направленную структуру. Совместно с траекторией

движения шлифовального круга это придает анизотропность получаемой поверхности [31].

В процессе суперфиниширования, напротив, происходит формирование ненаправленной структуры обработанной поверхности (рисунок 1.2), за счет того, что брусок совершает сложное движение относительно обрабатываемой детали, траектория движения отдельных абразивных зерен и в целом бруска формирует на поверхности ненаправленный (изотропный) микрорельеф.

Рисунок 1.1- Топография поверхности после плоского шлифования периферией круга

Рисунок 1.2 - Топография поверхности после суперфиниширования

Данный микрорельеф схож с частично регулярным микрорельефом [1] - на поверхности присутствуют непрерывно или дискретно расположенные углубления, между которыми остается нетронутый исходный микрорельеф обработанной поверхности.

По данным ряда ученых [1, 14, 91, 92, 93, 94], а так же основываясь на исследованиях НПФ «Плазмацентр» (г. Санкт-Петербург), можно утверждать, что при формировании изотропного микрорельефа, достигается улучшение ряда служебных свойств поверхности, таких как:

прирабатываемость, износостойкость и др. [1, 64]. Это происходит за счет того, что при трении шероховатых поверхностей в контакте участвуют только наиболее выступающие микронеровности (Ярк), составляющие верхнюю часть опорной кривой [64].

Характерный вид опорной кривой (кривой Аббота) с профилограммой

шероховатости обработанной поверхности представлен на рисунок 1.3 - а, б. Данная кривая достаточно информативна, по ней определяют параметры, связанные с процессом изнашивания - так в период приработки высота неровностей может уменьшаться до полутора раз, что, с одной стороны, приводит к увеличению фактической поверхности контакта, а с другой -увеличивает зазор (люфт) в соединении [64].

RPK - высота выступов, активно изнашивающихся в период приработки пары трения в начале эксплуатации;

RK - основа профиля, которая длительное время находится в работе, определяет несущую (опорную) поверхность, (площадь которой увеличивается по мере изнашивания профиля) и величину сближения контактирующих деталей под нагрузкой;

Rvk - глубина впадин профиля, которая влияет на процессы усталостного разрушения.

Рисунок 1.3 - Профилограмма шероховатости (а) и опорная кривая поверхности (кривая Аббота) (б)

Для обеспечения нормальной работы пары трения необходимо, чтобы поверхности контакта деталей обладали определенной маслоемкостью (наличие масляного кармана глубиной Rvk), а для повышения несущей способности и сн