автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.07, диссертация на тему:Повышение эффективности плоского шлифования периферией круга за счет совершенствования техники подачи СОЖ

На правах рукописи

ООбОоилI"

Тюхта Антон Владимирович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПЛОСКОГО ШЛИФОВАНИЯ ПЕРИФЕРИЕЙ КРУГА ЗА СЧЕТ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ТЕХНИКИ ПОДАЧИ СОЖ

Специальность 05.02.07 - Технология и оборудование механической

и физико-технической обработки

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

г 8 ФЕВ 2013

Орел-2013

005050210

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательь учреждении высшего профессионального образования «Государственный университе учебно-научно-производственный комплекс» на кафедре «Автоматизированные стан« ные и инструментальные системы».

Научный руководитель кандидат технических наук, доцент,

Василенко Юрий Валерьевич

Официальные оппоненты: Гусев Владимир Григорьевич,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых» (ВлГУ) профессор кафедры «Технология машиностроения»

Дьяконов Александр Анатольевич, кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет», (национальный исследовательский университет) («ЮУрГУ» (НИУ)) доцент кафедры «Технология машиностроения»

Ведущая организация ФГБОУ ВПО «Липецкий государственный

технический университет»

Защита состоится «15» марта 2013 г., в 13— часов на заседании диссертационного совета Д212.182.06 при ФГБОУ ВПО «Госуниверситет - УНПК» по адресу: 302020, г. Орел, Наугорское шоссе, 29, ауд. 212.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Госуниверситет УНПК» по адресу: 302020, г. Орел, Наугорское шоссе, 29.

Автореферат разослан «7» февраля 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Василенко Юрий Валерьевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Машиностроение - это ядро всей экономики и главный плацдарм для инновационных [реобразований, который в современных условиях приобретает особое системообразующее начение. Его приоритетное технологическое развитие становится решающим условием ин-ювационного развития страны. Одной из главных задач, стоящих перед отечественным шшиностроением, остается его технологическая модернизация.

В настоящий момент развитие плоского шлифования требует использования всех :онструктивно-технологических резервов, в том числе тех, которые связаны с совершен-твованием техники применения смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ). Как показывает фактика, возможности СОЖ используются далеко не в полной мере, в некоторых случаях ;сего на 5-10%.

Экономические механизмы рыночных отношений требуют от промышленных пред-гриятий постоянного поиска резервов снижения себестоимости производства, в частности, шераций механической обработки. При шлифовании, одним из таких резервов является со-:ращение потерь СОЖ, основным источником которых являются безвозвратные потери разбрызгивание) технологической жидкости из зоны резания, обусловленные кинематикой [роцесса обработки. В то же время, возрастающие требования экологической безопасности аставляют предприятия разрабатывать меры по снижению уровня вредных выбросов в ¡кружающую среду, основными источниками которых при плоском шлифовании являются безвозвратные потери СОЖ и факел отходов, направлено движущийся из зоны резания. При том из-за специфики процесса обработки, затруднено эффективное применение традици-1нных средств очистки, таких как уловители или отсосы, поэтому требуется использование пециальных научно-обоснованных технических решений.

Несмотря на большое количество работ, где рассматриваются теоретические пробле-1Ы, связанные с применением СОЖ при плоском шлифовании, следует отметить, что пол-юстью не решены и остаются актуальными вопросы, связанные с сокращением безвозврат-[ых потерь СОЖ и нейтрализацией факела отходов обработки.

Представленные в данной работе результаты направлены на конструкторско-ехнологическую модификацию существующего парка плоскошлифовальных станков, |беспечивающую, при минимальных затратах на оборудование, снижение себестоимости, ювышение производительности и улучшение экологичности процесса за счет совершен-твования техники подачи СОЖ.

Цель работы: повышение производительности и экологичности процесса плоско-о шлифования периферией круга за счет применения нового (комбинаторного) способа юдачи СОЖ.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

• разработать новый способ подачи СОЖ при плоском шлифовании периферией круга комбинаторный, обеспечивающий повышение производительности процесса и полное

лавливание шлама и сопутствующих отходов шлифования в рабочей зоне станка;

• выполнить теоретическое обоснование комбинаторного способа подачи СОЖ;

• провести экспериментальные исследования влияния технологических факторов реа-изации комбинаторного способа подачи СОЖ на производительность и экологичность роцесса плоского шлифования периферией круга;

• разработать установку для промышленной реализации комбинаторного способа по-;ачи СОЖ;

• разработать конструкторско-технологические рекомендации по применению комби-аторного способа подачи СОЖ.

Объею" исследования: процесс плоского шлифования периферией круга.

Предмет исследования: производительность и экологичность процесса обработки.

Методы исследования: теоретические исследования базируются на теориях шлиф вания материалов, инженерии поверхности, аэрогидродинамики, гидравлики, планирован] многофакторного эксперимента, математической статистики, дифференциального и иш грального исчисления.

Научная новизна работы:

Разработан новый способ подачи СОЖ при плоском шлифовании периферией круп комбинаторный, обеспечивающий полную изоляцию рабочей зоны станка шторами СОЖ создание в зоне резания ванны из СОЖ, получены:

- математическая модель формирования штор и ванны из СОЖ в рабочей зоне стань устанавливающая взаимосвязь между технологическими условиями подачи СОЖ и глуб ной создаваемой ванны;

- математическая модель линейного взаимодействия частицы шлама со шторой СОЖ, обеспечивающая прогнозирование эффективности улавливания шлама.

Практическая значимость:

• разработана, изготовлена и прошла промышленную апробацию установка, реализу] щая комбинаторный способ подачи СОЖ при плоском шлифовании периферией круга, об« печивающая повышение производительности обработки до 30% и ее экологичности в 4 разг

• разработаны конструкторско-технологические рекомендации по применению ко бинаторного способа подачи СОЖ при плоском шлифовании периферией круга.

Автор защищает:

- новый способ подачи СОЖ при плоском шлифовании периферией круга - комбиь торный;

- математическую модель формирования штор и ванны из СОЖ в рабочей зоне плс кошлифовапьного станка;

- математическую модель линейного взаимодействия частицы шлама со шторой СОЖ при комбинаторном способе ее подачи;

- результаты экспериментальных исследований комбинаторного способа подачи СО и его влияния на температурную напряженность в зоне резания, производительность и эк логичность процесса обработки;

- конструкцию установки для реализации комбинаторного способа подачи СОЖ п плоском шлифовании периферией круга;

- конструкторско-технологические рекомендации по применению комбинаторно способа подачи СОЖ при плоском шлифовании периферией круга.

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 веере сийской научно-технической конференции «Студенческая научная весна 2008: Машии строительные технологии», Москва, 2008 г.; всероссийской молодежной научи технической конференции «Актуальные проблемы машиностроительных производсп Орел, 2011-2012 г.г.; региональной научно-практической конференции молодых учен] и аспирантов «Научный потенциал Орловщины в модернизации промышленного ко плекса малых городов России», Орел - Ливны, 2010 г.; международной научь технической конференции (МНТК) «Фундаментальные и прикладные проблемы техни и технологии», Орел, 2009-2012 г.г.; Всероссийском конкурсе научно-техническс творчества молодежи «НТТМ-2011», Москва 2011 г.; международной молодежной на> ной конференции «XXXVIII Гагаринские чтения», Москва, 2012 г.; МНТК «Высок технологии в машиностроении», Курган, 2012 г; МНТК «Наукоёмкие технологии в \ шиностроении и авиадвигателестроении», Рыбинск, 2012 г., МНТК «Фундаментальны« прикладные проблемы модернизации современного машиностроения и металлурги! Липецк, 2012 г.

Публикации.

Основные результаты диссертации опубликованы в 11 печатных работах, в том числе 3 статьях в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК для публикации материалов диссертационных исследований.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы и 3 приложений. Работа изложена на 131 страницах, содержит 59 рисунков и 10 таблиц, список литературы из 77 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 актуального и активно развивающегося научного направления в технологии машиностроения, заключающегося в развитии и совершенствовании техники подачи СОЖ для обеспечения роста производительности и экологичности механической обработки. Значительный вклад в развитие этого направления технической науки внесли как отечественные ученые: Н.В. Азарова, М.М. Аршанский, Ю.П. Бараник, Е.Г. Бердичевский, В.Р. Берзин, Н.И. Богомолов, A.B. Болдырев, Э.М. Берлинер, Э.С. Бранкевич, Е.М. Булыжев, М.Б. Гордон, В.Ф. Гурьяни-хин, В.Г. Гусев, A.M. Дальский, Д.Г. Евсеев, Ю.М. Ермаков, В.В. Ефимов, Ю.М. Зубарев, Е.С. Киселев, М.И. Клушин, С.Н. Корчак, Г.Ф. Кудасов, Б.С. Либерман, Г.Б. Лурье, E.H. Маслов, А.Н. Мельников, Л.Л. Мишнаевский, В.И. Островский, П.П. Переверзев, В.И. Пилинский, Ю.В. Полянсков, A.B. Приемышев, П.А. Ребиндер, А.Н. Резников, В.В. Рябов, Г. И. Саютин, В.Н. Серов, В.А. Сипайлов, В.К. Старков, Ю.С. Степанов, В.И. Ту-ромша, В.С Терган, Л.Н. Филимонов, Л.В. Худобин, Г.В. Чирков, В.Н. Шумилин, В.М. Шумячер, В.Д. Эльянов, С.Г. Энтелис, A.B. Якимов, П.И. Ящерицын так и зарубежные: Б. Бургуан, К. Гюринг, Е. Салье, Ж. Пекленик, С. С. Chang, G. Kluge, Koshima Kazuhiko, Lecher Gerhard, S. Manfred, T. Negamine, Plaska Stanislaw, J. Webster.

В современном металлорежущем оборудовании наиболее распространено использование подачи СОЖ поливом или напорной струей, что обусловлено относительной простотой применения данных способов и позволяет СОЖ оптимально выполнять свои смазывающую, моющую и охлаждающую функции. Однако недостатком данных способов следует признать большие потери технологической жидкости при разбрызгивании и интенсивном образовании «тумана» из паров СОЖ, особенно при плоском шлифовании, что приводит также к ухудшению экологичности процесса обработки.

Механизм действия СОЖ при механической обработке достаточно хорошо изучен, разработана широкая гамма способов подачи СОЖ, насчитывающая 30 основных способов и значительное число их разновидностей и комбинаций, из них наиболее простой -подача СОЖ поливом, а наиболее значимый по эффективности реализации технологической жидкостью своих функций - обработка в среде СОЖ. Экспертным анализом основных способов подачи СОЖ, выполненным с применением метода анализа иерархий доказано, что в качестве наиболее эффективной техники подачи СОЖ, рекомендуется применение комбинированного способа: свободно падающей струей совместно со шлифованием в среде СОЖ.

Некоторые из существующих способов подачи СОЖ частично реализуют функцию улавливания отходов шлифования. Однако для них эта функция является второстепенной и эффективность ее реализации низка, наиболее эффективным является заградительный способ подачи СОЖ, однако данный способ малоэффективен в борьбе с отходами плоского шлифования в зоне обработки.

В последнее время проведено значительное количество достаточно успешных исследований, направленных на повышение экологичности различных видов механической

обработки, в том числе абразивной, за счет совершенствования техники подачи и поел дующего улавливания отходов шлифования и отработавшей СОЖ, однако для плоско1 шлифования периферией круга подобного эффективного решения не предложено, всле, ствие специфики кинематики процесса обработки.

Вторая глава посвящена разработке и теоретическому обоснованию комбинате ного способа подачи СОЖ при плоском шлифовании периферией круга.

На качество поверхностного слоя обрабатываемой детали и ее структуру, а знач! на физико-механические свойства готового изделия, на количество проходящей чере зону резания СОЖ, износ и засаливание шлифовального круга, на температурный режи в зоне резания и другие технологические факторы, в значительной степени влияют аэр гидродинамические явления сопровождающие процесс шлифования.

Представлены результаты исследования по изучению аэродинамической обстано ки в рабочей зоне плоскошлифовального станка. За рабочую зону в исследованиях пр нималось пространство, ограниченное в вертикальной плоскости сторонами защитно! кожуха, а в горизонтальной плоскости - столом станка и краем кожуха.

Исследование проводилось на станке модели ЗЕ711ВФ1 с кругом 250x40x7 4А40СМ19К, УКр = 35 м/с, УПр = 5 м/мин. Для измерения направления и скорости движ ния воздушных потоков применялись дифманометр МР 200 и трубка Пито.

Установлено, что при выходе воздушных потоков из-под кожуха образуется цен", наддува. Сущность этого явления заключается в том, что направление движения воздух ных потоков в плоскости стола (обрабатываемой заготовки) совпадает с направление. лучей, исходящих из центра наддува. Он находится на проекции торца круга, на рассто нии 10-15 мм от проекции периферийной поверхности круга (рисунок 1).

Образование центра наддува объясняв ся конструкцией защитного кожуха станк Вдоль обрабатываемой поверхности заготов! воздушные потоки вне зоны резания движут* под углом 10-15° к кругу ламинарно со скор стью до 15 м/с, в зависимости от расстояш до абразивного круга.

Как правило, у плоскошлифовальнь станков, и в частности ЗЕ711ВФ1, шлиф вальный круг располагается ассиметрично о носительно кожуха, что обуславливает нера номерность в распределении скоростей пер ферийных воздушных потоков и образован): центра наддува, определяющего направление движения воздушных потоков у поверхн сти рабочего стола станка, что целесообразно учесть при проектировании средств ула_ ливания и нейтрализации отходов шлифования, движущихся из-под кожуха станка.

Возможность оптимизации параметров улавливания факела отходов при шлифов нии создает предпосылки к полному исключению выбросов аэрозоля СОЖ и абразивн: металлической пыли и снижению себестоимости обработки за счет экономии технолог ческой жидкости и улучшения санитарно-гигиенических условий труда.

Целями создания нового способа подачи СОЖ являются:

1) реализация такого способа подачи СОЖ, при котором ее функциональные де ствия проявляются в полном объеме;

2) создание эффективной преграды для распространения аэрозоля СОЖ и отход* : шлифования, как в виде факела, так и в виде отдельных частиц;

3) создание ванны из СОЖ в зоне резания, что исключает возможность сухого р зания и позволяет повысить производительность обработки за счет ужесточения реж мов резания.

цттр нвооуиа ~ о т

Рисунок 1 - Движение воздушных потоков в плоскости стола (обрабатываемой заготовки)

Теоретико-экспериментальные исследования аэродинамической обстановки вокруг зоны резания шлифовальных станков послужили основой для создания нового способа подачи СОЖ при плоском шлифовании периферией круга — комбинаторного (рисунок 2), сущность которого заключается в том, что зона обработки по периметру полностью окружается шторами из СОЖ, а за счет наклона этих штор в зоне резания создается ванна из технологической жидкости. Вследствие этого, весь шлам, вылетающий из зоны резания, полностью гарантированно улавливается защитными шторами из СОЖ, а в самой зоне резания создается ванна из технологической жидкости. Уловленные частицы шлама смываются в систему очистки СОЖ станка. Направленно движущиеся шторы СОЖ формируют в зоне обработки ванну из технологической жидкости, своим напором и углом атаки наполняя ее и удерживая от растекания, а также обеспечивая активную циркуляцию и проточность ванны

Устройство, позволяющее реализовать комбинаторный способ подачи СОЖ, представлено на рисунке 3.

СОЖ т

Рисунок 2 - 3-Б модель комбинаторного способа подачи СОЖ

Рисунок 3

бант из СОкУ - Схема устройства для комбинаторного способа подачи СОЖ

Устройство работает следующим образом. От трубопровода 5 системы подачи СОЖ станка, через вентили 9 и соединительные трубы жидкость попадает в сопла 4, ограждающие зону резания по периметру и формирующие замкнутую штору из СОЖ, с целью улавливания потока шлама и отдельных его частиц при вылете из зоны резания. Отработавшая жидкость отводится на очистку посредством дренажной системы станка. Устройство позволяет изменять скорость истечения СОЖ из сопел 4 и давление жидкости в системе вентилями 9. Контроль давления осуществляется при помощи манометров 10. При установлении определенного давления в системе подачи СОЖ обеспечивается формирование в зоне обработки ванны из СОЖ 7.

Для теоретического обоснования и реализации комбинаторного способа были разработаны следующие математические модели:

1. Математическая модель определения параметров срезаемого слоя единичным зерном, которая позволяет рассчитать максимальные размеры стружки, за счет чего определить максимальную дисперсность твердых частиц, формирующих поток шлама, образующийся в зоне резания при плоском шлифовании.

В модели используются следующие допущения: 1) кинематические соотношения, касающиеся поперечного сечения стружки, рассматриваются в одной плоскости (торцовом сечении круга); 2) исходная поверхность детали гладкая - ее профиль представляет собой горизонтальную прямую линию (для плоского шлифования).

Общеизвестно, что траекторией движения зерна шлифовального круга является циклоида. Проанализирован след от двух соседних абразивных зерен находящихся на

8

одном радиусе и лежащих в одной радиальной плоскости (рисунок 4) и получена фо{_ мула расчета площади среза:

Максимальный объем стружки, срезаемой единичным зерном равен:

(2)

Вследствие того, что процесс стружкообразования при шлифовании протекае под действием больших конечных пластических деформаций (локализуемых в узко' зоне пластического сдвига), в условиях высоких температур, больших скоростей до формирования и малой длительности во времени, состояние обрабатываемого метал! приближается к идеально-пластическому. На основании этого факта принято, чт вследствие такой деформации, срезаемая стружка приобретает шарообразную форм полую внутри, так как в этом случае, при движении она будет обладать максимально-энергией и минимальным лобовым сопротивлением.

Получено уравнение для расчета диаметра стружки шарообразной формы с1ст-

(3)

Юяух -Кпса

В зависимостях (1) - (3) используются следующие обозначения: 2 - размер зерн шлифовального круга, м; К„ол - коэффициент полостности стружки, для стали 45 ирг нимается Кпо„ = 1,1; упр - продольная подача шлифовального круга, м/с; у к - скорост: вращения шлифовального круга, м/с; Я - радиус шлифовального круга, м; / - глубиг шлифования, м.

Из анализа влияния технологических факторов на размер стружки, срезаемой ед! ничным зерном шлифовального круга (рисунок 5) следует, что доминирующее влияш на размеры стружки оказывает изменение глубины шлифования.

Рисунок 5 — Влияние продольной подачи и глубины шлифования на размер стружки, срезаемо единичным зерном шлифовального круга ПП 250x40x76 4А40СМ19К

2. Математическая модель формирования шторы из СОЖ, построенная на основных положениях гидродинамики, позволяющая рассчитать высоту создаваемой в раб( чей зоне ванны из СОЖ в зависимости от расхода технологической жидкости и размере этой зоны на станке.

При конструировании математической модели использованы следующие допуще ния: 1) на формирование шторы и ванны из СОЖ не влияет движение шлифовально1 круга и стола; 2) в модели не учитывается вязкость жидкости и коэффициент потерь, по, этому данная модель применима для создания ванны из СОЖ на водной основе; 3) што]:

Рисунок 4 - Расчетная схема к определению максимального объема стружки, срезаемой единичным зерном

СОЖ, вытекающая из сопла, неразрывна по всей длине; 4) для образования ванны из СОЖ необходимо, чтобы давление в шторе из СОЖ Ршт было больше давления ванны из СОЖ Рв, с которым она воздействует на шторы, ограждающие зону резания:

Ршт> Рв (4)

На рисунке 6 показана схема движения СОЖ, в результате которой в зоне резания образуется ванна из технологической жидкости (боковые сопла не показаны).

Максимальная скорость потока в шторе из СОЖ утах будет на выходе из сопла, а минимальная утш - при взаимодействии с обрабатываемой поверхностью. Опуская промежуточные преобразования, давление шторы из СОЖ определится выражением:

"" dS

2 vl

COS (р

5 cos'iр vm

л "У

5 cos3 <р

(г, "У

.м

5 cos3 (р

(5)

Р=-

Поскольку максимальное давление ванны из СОЖ на штору возникает у плоскости обрабатываемой поверхности, то сила давления ванны на штору определяется по формуле:

Р&ш „

(6)

Так как при истечении из прямоугольного сопла штора подвергается инверсии, ее площадь 8сеч в любом горизонтальном сечении определится по формуле:

5„, = а, ■ Ь, = (2г + Л к) ■ (21 - 0.08Л • к)

Коэффициент инверсии струи к зависит от высоты струи и выбирается по известным справочным данным.

Исходя из вышесказанного, высота ванны из СОЖ равна:

рОУ*

н = -

2vL [('/'Г {(г ну 2(W/)J1 _VL ((г/1)* 2 (r//)° •(2 r + hk)

cos3 <р 5 cos <р v„„ 3 V 5 cos3 <р v'L 3 5cos3ra ч у

(8)

В зависимостях (5) - (8) используются следующие обозначения: / - ширина сопла, мм; г - длина сопла, мм; vmax - максимальная скорость жидкости, м/с; Sce4 - площадь сечения шторы, м2; Q - расход жидкости, м3/с; h - высота шторы из СОЖ, мм; к - эмпирический коэффициент инверсии струи; Н— высота ванны из СОЖ, м; р - плотность СОЖ, кг/м3; v,„,„ - минимальная скорость жидкости, м/с.

3. Математическая модель взаимодействия потока шлама со шторой из СОЖ, базирующаяся на основных положениях гидродинамики, которая обеспечивает прогнозирование результатов такого взаимодействия и расчет эффективной толщины шторы СОЖ.

При расчете использованы следующие допущения: 1) штора СОЖ, вытекающая из сопла, неразрывна по всей длине, имеет одинаковую плотность и скорость потока; 2) факел шлама представляет поток частиц с одинаковой скоростью, но направленных под различными углами к горизонтальной плоскости; 3) движение частицы шлама в вертикальном потоке СОЖ равнозамедленное.

Рассмотрено движение частицы при попадании в движущийся поток СОЖ, толщина которого при уменьшении высоты h уменьшается (рисунок 7), наименьшее торможение испытает частица шлама с углом падения а = amin, т.е: ami„ = 0°.

Так как движение частицы шлама в вертикальном потоке СОЖ равнозамедленное, то горизонтальная проекция движения частицы:

(9)

■t —

Скорость частицы шлама рассчитывается по формуле:

ЪС,р. ■ L

P-dCT-Km

Рисунок 6 - Схема формирования ванны из СОЖ в рабочей зоне станка

Рисунок 7 - Распределение скоростей движения частицы шлама

Опуская промежуточные преобразования, горизонтальная проекция движени: частицы равна:

р ■ с1ст • Кпс

ЪСхрв1 р ■ с1ст ■ Кпа,

-1

Г

18р

3 V с1„

3 СхрвЬ р ■ с1ст ■ Кпт

-1

16ту

1 —

ЗСхр,-Ь р ■ <1СТ ■ Кпол

-1

2у

ЗСхрвЬ р ■ с1ст ■ Кпог

-1

(П)

Для эффективного улавливания факела отходов, толщина шторы из СОЖ В должн быть больше чем горизонтальная проекция расстояния, которое преодолеет частиц шлама при взаимодействии со шторой СОЖ, т.е:

В>ЯШх (12)

Уравнения (9) - (12) включают в себя следующие параметры: В - толщина штор! из СОЖ, м; ¡и - динамическая вязкость жидкости, Па с; /] - кинематическая вязкост жидкости, м2/с; р - плотность частицы, кг/м3; Ь- расстояние от зоны обработки до штор! из СОЖ, м; уст - скорость частицы шлама, м/с; г - время, за которое скорость частицы Уст уменьшится до скорости потока ^, с; а - ускорение, м/с2; Сх- коэффициент сопротивле ния воздуха; р, - плотность воздуха, кг/м3.

Анализ полученной математической модели показывает, что на потребную толщин шторы из СОЖ доминирующее влияние оказывает глубина шлифования (рисунок 8).

В третьей главе представлены результаты экспериментальных исследовани:: влияния технологических факторов на эффективность комбинаторного способа пода чи СОЖ при плоском шлифовании периферией круга. Для подтверждения представлен ных теоретических положений была разработана и изготовлена экспериментальная устг новка, изображенная на рисунке 9, а - б, состоящая из защитного кожуха, с закреплег ными на нем трубками и соплами для подачи СОЖ, давление в которых отслеживаете при помощи манометров. В системе установлены краны для регулирования ширины штс ры СОЖ и расхода жидкости. Шторы из жидкости купируют область обработки по перр: метру с целью улавливания потока шлама и отдельных его частиц при вылете их из зонг резания. Отработавшая жидкость отводится на очистку посредством дренажной системь При установлении определенного давления в системе, наблюдается формирование ванн! из СОЖ, что оказывает положительное влияние на процесс шлифования, интенсифициру отвод тепла из зоны резания.

Первый эксперимент был направлен на определение влияния количества расходу емой жидкости на высоту ванны из СОЖ, образующейся в зоне резания.

\/пр, м/мин

Рисунок 8 - Влияние продольной подачи и глубины шлифования на толщину шторы из СОЖ

а) б)

Рисунок 9 - Общий вид установки для комбинаторного способа подачи СОЖ на плоскошлифовальном станке модели ЗЕ711ВФ1

По результатам проведенных экспериментальных исследований получено уравнение регрессии для определения зависимости высоты ванны из СОЖ от расхода жидкости в разных соплах:

Р, + 91,51! - 157,741

к = 7,875 - 55,346- Рб -16,229 + 67,217 ■ Р. ■ Р+ 29,916 • Р, ■ Р,

; • р. ■ р, + 104,167 • Р1 +

(13)

О.ОЬ Ч; 0.28

В работе выполнен анализ зависимости высоты ванны из СОЖ от давлений в соплах подачи, установлено, что на высоту ванны из СОЖ основное влияние оказывает повышение давления жидкости в переднем и заднем соплах (рисунок 10).

Сопоставление экспериментальных и расчетных данных, полученных при помощи зависимости (8), показало расхождение не более 5%, что является приемлемым результатом.

Затем был проведен ряд экспериментальных исследований влияния технологических факторов на производительность процесса плоского шлифования с комбинаторным способом подачи СОЖ. Первый этап этих исследований был направлен на определение влияния технологических режимов обработки на среднюю температуру заготовки при шлифовании с комбинаторным способом подачи СОЖ.

Целью данного эксперимента являлась проверка адекватности известной теплофи-зической модели В.А. Сипайлова, применительно к разработанному комбинаторному способу подачи СОЖ.

Рисунок 10 - Зависимость высоты ванны из СОЖ Ь от давления в переднем и заднем соплах

„.О яЛ9н^р)1_н V I

1-/?ехр[/?Аг]

|ехр А- ^ 2аа х) Ко ах

{ехрГ-2^ \К,

Я 9

Щл

(14)

где <7 - плотность теплового потока, Вт/м2; а - коэффициент температуропроводности, м2/с; 9 - продольная подача, м/с; А - коэффициент теплопроводности, Вт/м-К; а - коэф-

фициент теплоотдачи, Вт/(м2 К); / - удвоенный ход стола, м, к - число ходо,

— = 2 9-^ = Х рЛ»

2Д ,2а ; 2а ; 2а ; 2а . критерии Пекле; . безразмерны

комплекс, характеризующий интенсивность теплообмена.

По результатам расчета теоретической модели (14) были построены графики завк симости температуры в зоне обработки от параметров шлифования при подаче СО) комбинаторным способом для различных материалов (рисунок 11, а). По результата проведенных экспериментальных исследований получено уравнение регрессии для опре деления влияния технологических факторов на среднюю температуру заготовки, в част ности, для стали 45:

Т = -969,76 + 421,92-У„р + 571,67-1 + 2560 Р„ + 63,61• У„р ■ 1 - (15)

- 948,33-Упр Р„- 1366,671-Р„ +161,11-Упр 1-Р„;

Проведено исследование влияния режимов обработки на среднюю температуру оС рабатываемой заготовки при различных способах подачи СОЖ, включая комбинаторны (рисунок 11,6).

Упр, м/мин 10 Упр, м/мин

а) б)

Рисунок 11 - Зависимость температуры в зоне обработки от параметров шлифования при подаче СОЖ комбинаторным способом для стали 45 (а - расчетная, б - экспериментальная).

Из анализа теоретических и экспериментальных результатов (рисунок 11) следуе-! что данная модель адекватна для плоского шлифования с комбинаторным способом подач СОЖ, расхождение результатов не более 5%, средняя температура обрабатываемой заготовки при шлифовании с применением комбинаторного способа подачи СОЖ на 30 - 35е. ниже, чем при шлифовании с подачей СОЖ поливом, что объясняется активным охлажде нием заготовки за счет постоянного присутствия СОЖ в зоне резания. Снижение темпер? туры обусловлено улучшением смазочной и охлаждающей функций СОЖ. Учитывая эти. возможно интенсифицировать режимы обработки, в частности увеличить глубину резани до 40%, что обеспечит снижение числа проходов, необходимых для снятия требуемого пропуска на 35% и, соответственно, увеличение производительности обработки до 20%.

На втором этапе был проведен ряд экспериментальных исследований влияния комбинаторного способа подачи СОЖ на шероховатость обработанной поверхности при выхажк вании. Сущность данного исследования сводилась к определению шероховатости обрабг тываемой поверхности в зависимости от времени обработки (числа выхаживаний).

Из представленного на рисунке 12 графика видно, что, для достижения требуемой шерс ховатости при плоском шлифовании с комбинаторным способом подачи СОЖ, необходимс число выхаживаний на 40% меньше, чем при плоском шлифовании с подачей СОЖ поливом.

Снижение числа выхаживаний обусловлено улучшением диспергирующей функци СОЖ. Это объясняется снижением избыточной деформации стружки и повышением плг: стической деформации в зоне резания. Подобная зависимость характерна для всех режк мов плоского шлифования периферией круга, а также для большинства марок сталей.

Экспериментальные исследования показали, что комбинаторный способ подачи СОЖ при плоском шлифовании периферией круга целесообразно применять при следующих режимах: глубина шлифования / = 0,28...0,3 мм, скорость перемещения стола Упр = б...8 м/мин, давление в переднем сопле Р„ = 0,35 МПа, число выхаживаний п = 3 (для стали 45) и глубина шлифования / = О,14...0,17 мм, скорость перемещения стола Упр = 6...8 м/мин, давление в переднем сопле Р„= 0,35 МПа, число выхаживаний п = 5 (для стали 40ХН).

Исходя из вышесказанного, можно сделать вывод, что подача СОЖ комбинаторным способом оказывает положительное влияние на производительность процесса плоского шлифования периферией круга за счет снижения числа проходов на 35% и числа выхаживаний на 40%. Это объясняется тем, что при использовании комбинаторного способа подачи СОЖ снижается температурная напряженность в зоне резания, улучшается действие всех технологических функций СОЖ, что делает возможным ужесточение режимов резания и получение требуемой шероховатости поверхности за более короткое время, чем при обработке с подачей СОЖ поливом. Все это приводит к увеличению производительности плоского шлифования периферией круга до 30%.

Для определения экологичности комбинаторного способа подачи СОЖ при плоском шлифовании периферией круга, в части улавливания шлифовальной пыли, факела отходов, а также брызг и паров СОЖ, был проведен замер предельной допустимой концентрации вредных веществ в рабочей зоне оператора станка, при различных способах подачи СОЖ, при помощи универсального газоанализатора «ГАНК 4С», как видно из графика (рисунок 13) при комбинаторном способе подачи СОЖ, предельная концентрация вредных веществ (ПДК) в рабочей зоне оператора станка в 4 раза меньше регламентированной ПДК для плоского шлифования периферией круга с СОЖ.

[ 1 -Сталь 40ХН-

к

кч у 1 X'

ГЧ 1 '

■ •«,

1 . 1 ^ ггг

ПДК, г/ч

0,6

и

ЫйИ ШШШШШ^

щц

-к"............ ШШ ЩВ у'

123456789 ю I - шлифование без СОЖ;

п 2 - подача СОЖ поливом;

- комбинаторный способ подачи СОЖ; 3 - заградительный способ подачи СОЖ;

- - подача СОЖ поливом. 4 - комбинаторный способ подачи СОЖ.

Рисунок 12 - Влияние числа выхаживаний Рисунок 13 - Предельная допустимая концен-на шероховатость обработанной поверхно- трация вредных веществ в рабочей зоне опера-сти, при различных способах подачи СОЖ тора при различных способах подачи СОЖ

В четвертой главе представлено оборудование и конструктивно-технологические рекомендации по практическому применению комбинаторного способа подачи СОЖ при плоском шлифовании периферией круга. В результате экспериментальных исследований была апробирована конструкция лабораторной установки для реализации комбинаторного способа подачи СОЖ при плоском шлифовании периферией круга. На ее базе была разработана конструкция промышленной установки для реализации предложенного способа (рисунок 14).

На основании результатов теоретических г экспериментальных исследований, представленны в предыдущих главах, были разработаны конструк торско-технологические рекомендации по приме нению комбинаторного способа подачи СОЖ пр плоском шлифовании периферией круга со скоро стями резания до 35 м/с (таблица 1) и 75 м/с.

Проведено опытное внедрение комбинатор ного способа подачи СОЖ при плоском шлифов; нии периферией круга в условиях ЗАО «Техоснаст : ка» (г. Орел) и ООО «Центр Погрузчик - Сервис (г. Орел). Расчет годового экономического эффект показал, что срок окупаемости проекта составляем около 1 месяца, а суммарный годовой экономиче ский эффект составит более 370 тыс. рублей.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. В представленной научно - квалификационной работе изложены научно обоснс ванные технические и технологические решения, направленные на повышение производительности и экологичности плоского шлифования периферией круга за счет совершег ствования техники подачи СОЖ, имеющие существенное значение для развития техно логии абразивной обработки и машиностроения в целом.

2. Разработан комбинаторный способ подачи СОЖ при плоском шлифовании периферией круга, обеспечивающий повышение производительности обработки в 1,3 раз;', и ее экологичность до 4 раз.

3. Разработана математическая модель интегрального определения максимальны размеров срезаемой стружки при плоском шлифовании периферией круга единичны абразивным зерном, с учетом ее деформации.

4. Разработана модель формирования штор и ванны из СОЖ в рабочей зоне плоскошлифовального станка при комбинаторном способе подачи СОЖ, устанавливающа взаимосвязь между технологическими условиями подачи СОЖ и глубиной создаваемо ! ванны из технологической жидкости.

5. Разработана линейная математическая модель взаимодействия частицы шлама с шторой из СОЖ, обеспечивающая прогнозирование эффективности улавливания шлам при комбинаторном способе подачи СОЖ.

6. Проведено теоретико-экспериментальное исследование и получена регрессиог ная зависимость влияния технологических режимов обработки на среднюю температур. заготовки при плоском шлифовании с комбинаторным способом подачи СОЖ, обеспечи , вающим снижение температурной напряженности до 35% за счет интенсификации см< зочной и охлаждающей функций СОЖ.

7. Экспериментально установлено, что применение комбинаторного способа под; -чи СОЖ при плоском шлифовании периферией круга обеспечивает повышение производительности обработки до 30% за счет снижения числа проходов на 35% и числа выхг. ! живаний на 40%.

8. Разработаны конструктивно-технологические рекомендации по практическому пр! менению комбинаторного способа подачи СОЖ при плоском шлифовании периферией круг на различном технологическом оборудовании со скоростями резания до 35 м/с и до 75 м/с.

9. Разработана конструкция установки для промышленной реализации комбина торного способа подачи СОЖ при плоском шлифовании периферией круга. Проведен промышленная апробация комбинаторного способа подачи СОЖ на ЗАО «Техоснастка (г. Орел) и ООО «Центр Погрузчик - Сервис» (г. Орел), ожидаемый годовой экономиче ский эффект от внедрения составил более 370 тыс. рублей.

Рисунок 14 - Общий вид промышленной установки для комбинаторного способа подачи СОЖ при плоском шлифовании периферией круга

Таблица 1 - Конструкторско-технологические рекомендации по применению комбинаторного способа подачи СОЖ (У/(<35 м/с, УПр<10 м/мин, СОЖ - 5%-ный раствор эмульсола НГЛ-205)

Глубина шлифования мкм

0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 300 325 350 375 400 425 450 475 500

а 3 5 Я 5 м * а £ г 3 2 1«? о К - Я § и 1 0,1 011 11

01 0.11 011 0.12 012 013 | 013 '| 014

01 ¡м 0.11 т 3.15 0.15 0.14 015 315 щ -316 910 3.2 021 т

И 1111 0112 013 ад 915 0.15 017 013 019 11 0.21 122 0.23 024 025 025 0.27 058 029 о.з & и | я> Я п Л 2 3 в 2 ■* Ъ

2 0,15 0,15 015

015 Щ 0.16 0.15 0.17 017 0.15 0-13 019 -

3.15 016 1Ш 317 01В 318 013 02 № 0.22 123 3.24 125 025 12;

315 016 117 0.13 913 0.2 0.21 122 023 0.24 325 025 127 32В ; 029 73 031:032 333 134 3.35

3 02 02 02

02 02 021 121 052 022 0123 023 024 _ >5 * в

0,2 021 0.22 023 024 И 123 125 327 325 0.29 8,3 131 032 033

0.2 121 0.22 023 024 325 026 127 0.25 329 13 щ 132 033 8.Я 335 135 037 3.33 О.зэ 14

4 э;5 0,25 025 О *

125 025 025 025 027 327 128 щ 029

125 0.25 0125 027 0.28 02В 323 03 331 332 333 он 135 335 337

№ 025 027 агз 'ЩШ 0,3 031 032 0.3-3 034 0.35 035 037 033 023 04 041 042 0.43 344 345

60

1Й0 1

250 400 Зернистость круга Ъ, мкм

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах Список публикаций в изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Тюхта, A.B. Комбинаторный способ подачи СОЖ при плоском шлифовании периферией круга / Ю.1 Василенко, К.С. Тюхта, A.B. Тюхта //Известия Самарского научного центра Российской академии наук, том 13. 2011.-№4(4).-С. 942-945.

2. Тюхта, A.B. Математическая модель взаимодействия частицы шлама со шторой из СОЖ при плоско шлифовании периферией круга / A.B. Тюхта. // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологи - 2012. - № 3-2 (293). - С. 60-67.

3. Тюхта, A.B. Технологическое обоснование и оценка эффективности комбинаторного способа пода1 COTC / A.B. Тюхта, К.В. Подмастерьев, Ю.В. Василенко // Наукоемкие технологии в машиностроении. - 2012. №5. -С. 15-22.

Список публикаций в других изданиях:

4. Тюхта, A.B. Разработка заградительного способа подачи смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ) nf плоском шлифовании / A.B. Тюхта, Ю.В. Василенко, К.С Корепанова. // Всероссийская научно-техническая koi ференция студентов, посвященная 140-летию высшего технологического образования МГТУ им. Н.Э. Бауман «Студенческая научная весна 2008: Машиностроительные технологии». - 2008. - С. 33-35.

5. Тюхта, A.B. Практическое применение комбинаторного способа подачи СОЖ / A.B. Тюхта, Ю.В. Baci ленко, К.С Корепанова. // Сборник трудов Региональной научно-практической конференции молодых ученых аспирантов, Орел-Ливны, 26 февраля 2010. -2010. - С. 19-23.

6. Тюхта, A.B. К вопросу о практическом применении комбинаторного способа подачи СОЖ / A.B. Тю: та. // XXXVIII Гагаринские чтения. Международная молодежная научная конференция. Научные труды в 8 ti мах. - 2012. - Т. 1. - 250 с. - С. 101-103.

7. Тюхта, A.B. Практическое применение комбинаторного способа подачи смазочно-охлаждающей жи, кости / A.B. Тюхта, Ю.В. Василенко. // Фундаментальные и прикладные проблемы модернизации современно] машиностроения и металлургии: сб. науч. тр. междунар. науч.-техн. конф., посвящ. 50-летию кафедры технол< гии машиностроения ЛГТУ. 17-19 мая 2012 г. - 2012. - 4.2. - 334 с. - С. 24-29.

8. Tyuhta, A.V. Combinatorial method for cooling Lubricating fluid supply at flat grinding with disk periphery A.V. Tyuhta, Yu.V. Vasilenko // 13th Joint China-Russia symposium on advanced materials and processing technology collection of articles of the international scientific-technical conference. - 2012. - 68 p. - P. 63.

9. Тюхта, A.B. Технологическое обоснование и оценка эффективности комбинаторного способа подаь СОЖ / A.B. Тюхта, К.В. Подмастерьев, Ю.В. Василенко // Фундаментальные проблемы техники и технологии Технология-2012: Сборник тезисов и аннотаций научных докладов XV международной научно-технической koi ференции. - 2012. - С.76.

10. Тюхта, A.B. Математическая модель формирования штор и ванны из СОЖ при плоском шлифована периферией круга с подачей СОЖ комбинаторным способом / A.B. Тюхта, Ю.В. Василенко, O.A. Василенко. Наукоёмкие технологии в машиностроении и авиадвигателестроении: Материалы IV международной научго технической конференции, посвященной 75-летию заслуженного деятеля науки и техники РФ, доктора технич ских наук, профессора Безъязычного Вячеслава Феокгистовича. - 2012. - С. 277-282.

11. Тюхта, A.B. Исследование влияния технологических факторов на производительность и экологичное: процесса плоского шлифования с комбинаторным способом подачи СОЖ / A.B. Тюхта, Ю.В. Василенко. // Высок! технологии в машиностроении: Материалы Международной научно-технической конференции. - 2012. - С. 66-70.

Подписано в печать «26» января 2013 г. Формат 60x84/16. Усл. печ. л. 1. Тираж 100 экз. Заказ № 060П/13 Отпечатано с готового оригинал — макета на полиграфической базе ФГБОУ ВПО «Госуниверситет - УНПК». Россия, 302030, г. Орел, ул. Московская, д. 65.

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

ТЮХТА АНТОН ВЛАДИМИРОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПЛОСКОГО ШЛИФОВАНИЯ ПЕРИФЕРИЕЙ КРУГА ЗА СЧЕТ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ТЕХНИКИ ПОДАЧИ СОЖ

05.02.07 - Технология и оборудование механической и физико-технической обработки

О СМ

о со

На правах рукописи

СО

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

СМ

Научный руководитель кандидат технических наук, доцент

Ю. В. Василенко

Орел-2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ............................................................................. 5

Глава 1 АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА ПО РАЗВИТИЮ

ТЕХНИКИ ПОДАЧИ СОЖ ПРИ ШЛИФОВАНИИ............... 9

1.1 Механизм действия СОЖ и его зависимость от техники подачи.......................................................................... 15

1.2 Анализ основных способов подачи СОЖ применительно к плоскому шлифованию периферией круга.......................... 13

1.3 Экспертный анализ основных способов подачи СОЖ при плоском шлифовании периферией круга............................ 26

1.4 Методы защиты от безвозвратных потерь СОЖ, применяемые на металлообрабатывающем оборудовании................... 31

Выводы по главе 1..................................................................... 46

Глава 2 РАЗРАБОТКА И ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ КОМБИНАТОРНОГО СПОСОБА ПОДАЧИ СОЖ ПРИ ПЛОСКОМ ШЛИФОВАНИИ ПЕРИФЕРИЕЙ КРУГА........... 47

2.1 Особенности аэродинамических процессов в рабочей зоне плоскошлифовального станка.......................................... 47

2.2 Комбинаторный способ подачи СОЖ................................. 52

2.3 Математическая модель определения параметров срезаемого слоя единичным абразивным зерном................................. 55

2.4 Теоретическое обоснование формирования штор и ванны из СОЖ.......................................................................... 61

2.5 Математическая модель взаимодействия частицы шлама со шторой из СОЖ............................................................ 67

Выводы по главе 2............................. ........................................ 72

Глава 3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ КОМБИНАТОРНОГО СПОСОБА ПОДАЧИ СОЖ ПРИ ПЛОСКОМ ШЛИФОВАНИИ ПЕРИФЕРИЕЙ КРУГА.......... 74

3.1 Методика проведения экспериментальных исследований....... 74

3.2 Исследование влияния количества расходуемой жидкости на высоту ванны из СОЖ, образующейся в зоне резания........... 82

3.3 Исследование влияния технологических факторов на производительность процесса плоского шлифования с комбинаторным способом подачи СОЖ....................................... 85

3.3.1 Исследование влияния технологических режимов обработки на среднюю температуру заготовки при шлифовании с комбинаторным способом подачи СОЖ.......................... 85

3.3.2 Исследование влияния комбинаторного способа подачи СОЖ на шероховатость обработанной поверхности при выхаживании ............................................................... 91

3.4 Влияние техники подачи СОЖ на экологичность процесса плоского шлифования периферией круга........................... 93

Выводы по главе 3..................................................................... 94

Глава 4 КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПРОЦЕССА ПЛОСКОГО ШЛИФОВАНИЯ ПЕРИФЕРИЕЙ КРУГА С КОМБИНАТОРНЫМ СПОСОБОМ ПОДАЧИ СОЖ. 96 4.1 Конструкция промышленной установки для реализации ком-

бинаторного способа подачи СОЖ................................... 96

4.2 Конструктивно-технологические рекомендации по практическому применению комбинаторного способа подачи СОЖ

при плоском шлифовании периферией круга...................... 97

4.3 Расчет экономической эффективности практического внедрения экспериментальной установки для комбинаторного способа подачи СОЖ при плоском шлифовании периферией круга...... 101

Выводы по главе 4..........................................................................................................................................108

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ......................................................................................................109

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ..........................................................111

ПРИЛОЖЕНИЯ................................................................................................................................................119

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 [1].

Безусловно, в условиях жестких финансовых ограничений, с которыми сегодня сталкиваются отечественные предприятия, к одному из таких направлений относятся научные исследования и разработки в области совершенствования конструктивно-технологических параметров

существующего парка оборудования. Это позволит предприятиям с минимальными затратами поддерживать конкурентоспособность своей продукции на рынке.

Для машиностроительной продукции качество и конкурентоспособность в значительной степени определяются точностью размеров, формы и взаимного расположения поверхностей деталей, а также состоянием их поверхностного слоя (физико-механические свойства и микрогеометрия поверхности), окончательное формирование которых происходит на финишных операциях механической обработки, одной из которых является плоское шлифование. На предприятиях точного машиностроения и приборостроения, доля операций плоского шлифования составляет до 75% всех технологических операций.

В настоящий момент развитие плоского шлифования требует использования всех конструктивно-технологических резервов, в том числе тех, которые связаны с совершенствованием техники применения смазочно-охлаждающей технологической жидкости (СОЖ). Как показывает практика, возможности смазочно-охлаждающих жидкостей СОЖ используются далеко не в полной мере, в некоторых случаях всего на 5-10% [2,3,4,5].

Экономические механизмы рыночных отношений требуют от промышленных предприятий постоянного поиска резервов снижения себестоимости производства, в частности, операций механической обработки. При шлифовании, одним из таких резервов является сокращение потерь СОЖ, основным источником которых являются безвозвратные потери (разбрызгивание) технологической жидкости из зоны резания, обусловленные кинематикой процесса обработки. В то же время возрастающие требования экологической безопасности заставляют предприятия разрабатывать меры по снижению уровня вредных выбросов в окружающую среду [6], основными источниками которых при плоском шлифовании и являются: безвозвратные потери СОЖ и факел отходов, направлено движущийся из зоны резания. При этом из-за специфики процесса обработки, затруднено эффективное применение традиционных средств очистки, таких как уловители или отсосы, поэтому требуется использование специальных научно-обоснованных технических решений.

Несмотря на большое количество работ, где рассматриваются теоретические проблемы, связанные с применением СОЖ при плоском шлифовании, следует отметить, что полностью не решены и остаются актуальными вопросы, связанные с сокращением безвозвратных потерь СОЖ и нейтрализацией факела отходов обработки.

Представленные в данной работе результаты направлены на конструкторско-технологическую модификацию существующего парка плоскошлифовальных станков, обеспечивающую, при минимальных затратах на оборудование, снижение себестоимости, повышение производительности, стойкости инструмента и улучшение экологичности процесса за счет совершенствования техники подачи СОЖ.

Цель работы: повышение производительности и экологичности процесса плоского шлифования периферией круга за счет применения нового комбинаторного способа подачи СОЖ.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

• разработать новый способ подачи СОЖ при плоском шлифовании периферией круга - комбинаторный, обеспечивающий повышение производительности и полное улавливание шлама и сопутствующих отходов шлифования в рабочей зоне станка;

• выполнить теоретическое обоснование комбинаторного способа подачи СОЖ;

• провести экспериментальные исследования влияния технологических факторов реализации комбинаторного способа подачи СОЖ на производительность и экологичность процесса плоского шлифования периферией круга;

• разработать установку для промышленной реализации комбинаторного способа подачи СОЖ;

• разработать конструкторско-технологические рекомендации по применению комбинаторного способа подачи СОЖ.

Объект исследования: процесс плоского шлифования периферией круга.

Предмет исследования: производительность и экологичность процесса обработки.

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

Научная новизна работы:

Разработан новый способ подачи СОЖ при плоском шлифовании периферией круга - комбинаторный, обеспечивающий полную изоляцию рабочей зоны станка шторами СОЖ и создание в зоне резания ванны из СОЖ, получены:

- математическая модель формирования штор и ванны из СОЖ в рабочей зоне станка, устанавливающая взаимосвязь между технологическими условиями подачи СОЖ и глубиной создаваемой ванны;

- математическая модель линейного взаимодействия частицы шлама со шторой из СОЖ, обеспечивающая прогнозирование эффективности улавливания шлама.

Практическая значимость:

• разработана, изготовлена и прошла промышленную апробацию установка, реализующая комбинаторный способ подачи СОЖ при плоском шлифовании периферией круга, обеспечивающая повышение производительности обработки до 30% и ее экологичности в 4 раза;

• разработаны конструкторско-технологические рекомендации по применению комбинаторного способа подачи СОЖ при плоском шлифовании периферией круга.

Автор защищает:

- новый способ подачи СОЖ при плоском шлифовании периферией круга - комбинаторный;

- математическую модель формирования штор и ванны из СОЖ в рабочей зоне плоскошлифовального станка;

- математическую модель линейного взаимодействия частицы шлама со шторой из СОЖ при комбинаторном способе ее подачи;

- результаты экспериментальных исследований комбинаторного способа подачи СОЖ и его влияния на температурную напряженность в зоне резания, производительность и экологичность процесса обработки;

- конструкцию установки для реализации комбинаторного способа подачи СОЖ при плоском шлифовании периферией круга;

- конструкторско-технологические рекомендации по применению комбинаторного способа подачи СОЖ при плоском шлифовании периферией круга.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА ПО РАЗВИТИЮ ТЕХНИКИ ПОДАЧИ СОЖ ПРИ ШЛИФОВАНИИ

Одним из важнейших элементов технологического обеспечения финишных операций механической обработки вообще, абразивной обработки в особенности, наряду со станком, приспособлением и режущим инструментом является смазочно-охлаждающая жидкость. Так как СОЖ сама по себе не реализует своих целей и функций, то под элементом технологической системы подразумевается СОЖ совместно с системой применения, куда входит оборудование для подачи технологической жидкости к зоне резания и поддержания ее в течение достаточно длительного времени в работоспособном состоянии [7,8,9,10].

Внедрение прогрессивных технологических процессов обработки деталей резанием возможно только при использовании высокоэффективных СОЖ. В связи с этим существует важное научное направление, связанное с совершенствованием технологических процессов, в первую очередь окончательной механической обработки заготовок, путем рационального применения СОЖ, которое нашло свое отражение в работах отечественных ученых Н.В. Азаровой, М.М. Аршанского, Ю.П. Бараника, Е.Г. Бердичевского, В.Р. Берзина, Н.И. Богомолова, A.B. Болдырева, Э.М. Берлинера, Э.С. Бранкевича, Е.М. Булыжева, Ю.В. Василенко, М.Б. Гордона, В.Ф. Гурьянихина, В.Г. Гусева, A.M. Дальского, Д.Г. Евсеева, Ю.М. Ермакова, В.В. Ефимова, Ю.М. Зубарева, М.И. Клушина, С.Н. Корчака, З.И. Кременя, Г.Ф. Кудасова, Б.С. Либермана, В.В. Лоскутова, Г.Б. Лурье, E.H. Маслова, А.Н. Мельникова, Л.Л. Мишнаевского, В.И. Островского, П.П. Переверзева, В.И. Пилинского, В.А. Подзея, М.Г. Подзолкова, А.И. Полякова, Ю.В. Полянскова, A.B. Приемышева, П.А. Ребиндера, А.Н. Резникова, Д.С. Реченко, В.В. Рябова, Г. И. Саютина, В.Н. Серова, С.С. Силина, В.А. Сипайлова, В.К. Старкова, Ю.С. Степанова, В.Н. Туромша, В.С Тергана, Л.Н. Филимонова, Л.В. Худобина, Г.В. Чиркова, В.Н. Шумилина, В.М. Шумячера,

B.Д. Эльянова, С.Г. Энтелиса, A.B. Якимова, П.И. Ящерицына и других, а также иностранных ученых Б. Бургуана, К. Гюринга, Е. Салье, Ж. Пекленика,

C. С. Chang, G. Kluge, Koshima Kazuhiko, Lecher Gerhard, S. Manfred, T. Negamine, Plaska Stanislaw, J. Webster и других.

Выбор способа подачи СОЖ при различных видах металлообработки и вида энергетического воздействия зависит от конкретных условий выполнения технологической операции. Преимущество имеет тот способ, который при прочих равных условиях обеспечивает наилучшее исполнение СОЖ своих функций, а также у которого больше число трактов подвода СОЖ к контактной зоне [11].

Одними из наиболее теплонапряженных процессов механической обработки являются операции, связанные со шлифованием. В зоне контакта шлифовального круга и обрабатываемой детали возникает температура, достигающая в некоторых случаях 1600° С, что намного больше, чем при обработке резанием. [12]

Это объясняется тем, что скорость шлифования в 10-20 раз превышает скорость обработки лезвийными инструментами; абразивные зерна имеют, как правило, отрицательные передние углы и поэтому при резании затрачивается значительное количество энергии на прижатие шлифовального круга к детали, в результате стружка измельчается и выделяется значительное количество тепла.

При шлифовании различают следующие основные температуры:

1) среднюю установившуюся температуру поверхности детали (изменяется в пределах от 20 до 400° С, зависит от режима шлифования, размеров и материала детали и условий охлаждения);

2) мгновенную контактную температуру в зоне резания (изменяется в пределах от 150 до 1600° С);

3) мгновенную температуру резания отдельными абразивными зернами (изменяется в пределах от 1000° С до температуры плавления шлифуемого металла).

Высокие мгновенные температуры в зоне резания приводят к изменению структуры поверхностного слоя обрабатываемой детали, появлению температурных деформаций детали, остаточных деформаций, прижогов и трещин, которые возникают в процессе шлифования. Прижоги и трещины появляются в основном при шлифовании закаленных стальных деталей с высокой твердостью и прочностью, или появляются на деталях, изготовленных из металлов с низкой теплопроводностью (например, жаропрочные сплавы).

Для того чтобы достигнуть высокой производительности шлифования при надлежащем качестве поверхностного слоя изделий, необходимо произвести ряд действий, направленных на снижение температурной напряженности в зоне контакта шлифовального круга и заготовки. Наиболее эффективное охлаждение обеспечивается применением СОЖ, которую подают в зону контакта шлифовального круга с изделием и оказывают существенное влияние на процесс шлифования за счет смазочной, охлаждающей, моющей, абсорбционной и антикоррозионной функций технологической жидкости.

Физико-химические свойства СОЖ во всем объеме или при временном их изменении в определенных частях объема могут оказывать существенное влияние на процесс резания. Они в значительной мере определяют качество СОЖ - совокупность свойств, обуславливающих ее пригодность обеспечивать требуемые выходные технологические параметры операций механической обработки заготовок. [12]

По одним физико-химическим свойствам можно проконтролировать соответствие данной СОЖ нормативно-технической документации, а по другим - представить, какими будут результаты ее применения в эксплуатации. В последнем случае их относят к эксплуатационным свойствам, которые включают: соответствие современным санитарно-гигиеническим требованиям, отсутствие токсичности; отсутствие коррозионной активности по отношению к технологическому оборудованию, оснастке и

обрабатываемой заготовке; защитное (антикоррозионное) действие при межоперационном хранении заготовок; отсутствие разрушающего влияния на оборудование и его компоненты; легкость приготовления рабочих растворов в различных условиях и другие [12].

В решающей степени уменьшение теплообразования в зоне обработки, повышение работоспособности режущего инструмента и производительности обработки, улучшение качества поверхностного слоя обработанных деталей зависят от способов и техники подачи СОЖ в