автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Повышение эффективности внутреннего шлифования применением центробежного способа высоконапорной подачи технологической жидкости

САРАТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

ГАВРИЛОВ НИКОЛАЙ ДМИТРИЕВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВНУТРЕННЕГО ШЛИФОВАНИЯ ПРИМЕНЕНИЕМ ЦЕНТРОБЕЖНОГО СПОСОБА ВЫСОКОНАПОРНОЙ ПОДАЧИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ЖИДКОСТИ

05.02.08 - Технология машиностроения

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель - Засл. деятель науки Российской федерации, академик РАЕН, доктор технических наук, профессор А.В.Королев.

Научный консультант - доктор технических наук, доцент П.Ю.Бочкарев

Саратов -1998

СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ. 4

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ. 8

1.1. Место, роль и механизм действия смазочно-охлаждающей жидкости в структуре обработки деталей шлифованием. 8

1.2. Влияние состава СОЖ на физические и технологические показатели шлифования. 24

1.3. Способы применения СОЖ при внутреннем шлифовании. 37

1.4. Выводы, цель и задачи исследования 55 ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ СОЖ НА ОСНОВНЫЕ ВЫХОДНЫЕ ПАРАМЕТРЫ КАЧЕСТВА ОБРАБОТАННОЙ ПОВЕРХНОСТИ, СИЛЫ РЕЗАНИЯ И СТОЙКОСТЬ ШЛИФОВАЛЬНОГО КРУГА. 57

2.1. Разработка рационального способа подвода СОЖ. 57

2.2. Определение оптимальной конфигурации каналов в конструкции устройства для подвода СОЖ в зону внутреннего шлифования. 62

2.3. Определение напора, развиваемого принятым способом подвода СОЖ. 71

2.4. Механизм получения математических моделей основных выходных параметров при внутреннем шлифовании с использованием СОЖ. 76

2.5. Аналитический расчет выходных параметров шлифования

по принятому к исследованиям способу подвода СОЖ. 92

2.6. ВЫВОДЫ. 114 ГЛАВА 3. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ И ОБРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ. 115

3.1. Объект и условия проведения исследований. 115

3.2. Методика проведения экспериментов, порядок обработки результатов и построения интерполяционных моделей. 121

3.3. ВЫВОДЫ. 132 ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРИНЯТОГО

СПОСОБА ПОДВОДА СОЖ В ЗОНУ ШЛИФОВАНИЯ. 133

4.1. Влияние глубины резания и эксцентриситета установки

кожуха на точность обработки. 133

4.2. Влияние глубины резания, эксцентриситета установки кожуха, угла наклона канала и зернистости шлифовального круга на выходные параметры внутреннего шлифования. 138

4.3. Влияние твердости шлифовального круга, расхода СОЖ и кинематической вязкости СОЖ на выходные параметры шлифования. 149

4.4. Выбор рациональных режимов процесса внутреннего шлифования. 156

4.5. ВЫВОДЫ. 163

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ. ПРИЛОЖЕНИЯ.

164 166 179

ВВЕДЕНИЕ

Характерной особенностью современных машин является интенсификация рабочего процесса, что связано с увеличением их рабочих параметров ( мощности, скорости, давления и т.д.) при одновременном снижении удельного веса и габаритов машин. Это ведет к повышенным наносам сопряжений, уменьшению их сроков службы. В этих условиях увеличение надежности и долговечности деталей машин является важнейшей задачей, которая решается главным образом путем применения высокопрочных закаленных сплавов и формированием качественных характеристик поверхности в технологическом процессе изготовления деталей с учетом наследственности. Особенно важными являются финишные операции, в процессе которых окончательно формируются эти характеристики. Для большинства внутренних поверхностей малогабаритных деталей типа тел вращения (диаметр от 50 до 80 мм) окончательной операцией является шлифование. Но качественную поверхность получить шлифованием не используя технологическую жидкость ( СОЖ ) невозможно. Подача СОЖ в зону шлифования связана с рядом трудноразрешимых задач, а существующие методы решают их частично.

Широкие возможности имеет разработанный и подробно исследованный применительно к внутреннему шлифованию, способ подачи СОЖ, защищенный A.c. № 1431919 и A.c. № 1646821.

Данный способ имеет ряд существенных преимуществ в сравнении с распространенными способами: подача СОЖ осуществляется непосредственно в зону резания, уменьшается температура при обработке, имеет место независимость подачи

СОЖ от пористости круга и использование стандартных кругов на вулканитовой и баккелитовых связках.

Способ является экологически чистым, достаточно простым, не требующим значительных затрат, увеличивающим производительность шлифования и улучшающим качественные характеристики поверхностного слоя.

Целью работы является повышение эффективности внутреннего шлифования малогабаритных деталей на основе разработки и исследования центробежного способа высоконапорной подачи СОЖ.

В соответствии с целью решается ряд задач:

1. Разработка рационального способа подвода СОЖ в зону резания при внутреннем шлифовании и устройства для его реализации.

2. Обоснование основных технологических параметров центробежного способа подвода СОЖ при внутреннем шлифовании.

3. Экспериментальная проверка технологических возможностей

центробежного способа подвода СОЖ.

4. Оптимизация элементов конструкции устройства для центробежного способа подвода СОЖ в сочетании с технологическими факторами процесса шлифования.

5. Разработка рекомендаций по рациональному применению предложенного способа подвода СОЖ и внедрение его в производство.

Научная новизна: 1. Построены обобщенные модели процесса внутреннего шлифования, отражающие влияние напора СОЖ и других технологических факторов на силу резания, шероховатость обра-

ботки поверхности и стойкость шлифовального круга, позволяющие оптимизировать условия осуществления центробежного способа подвода СОЖ в зону резания.

2. Выявлена закономерность формирования высоких напоров СОЖ, которые являются функцией конструктивных элементов устройства и физических свойств жидкости.

3. Экспериментально получены интерполяционные модели, от» ражающие влияние основных наладочных параметров предложенного способа подачи СОЖ на показатели внутреннего шлифования. Исследованы технологические возможности центробежного способа подвода СОЖ.

Практическая ценность и реализация результатов

работы в производственных условиях:

1. Разработан высоконапорный способ подвода СОЖ в зону внуТрёННёго шлифования малогабаритных деталей.

2. На основе результатов теоретических и экспериментальных исследований разработаны практические рекомендации по использованию центробежного способа подвода СОЖ на операциях внутреннего шлифования малогабаритных деталей.

3. Разработана и изготовлена внутришлифовальная головка для станка ЗК227В, позволяющая реализовать предложенный способ подвода СОЖ на операциях внутреннего шлифования.

4. Внедрение результатов работы выполнено в условиях АО "ПРИЦЕП" г. Балашова Саратовской области. Произведены производственные испытания внутришлифовальной головки к станку ЗК227В на операции шлифования деталей "ВТУЛКА" (ГОСТ 13121-81), свидетельствующие о повыше-

нии производительности на 20%, стойкости шлифовального круга на 30% при заданном качестве обработки.

В соответствии с изложенным на защиту выносится:

1. Рациональный способ подвода СОЖ в зону резания.

2. Модель напоров, развиваемых принятым способом подвода СОЖ.

3. Модель сил резания, возникающих в рабочей зоне в результате использования рассматриваемого способа подвода СОЖ.

4. Модели шероховатости обработанной поверхности и стойкости шлифовального круга.

5. Рекомендации по выбору рациональных диапазонов регулируемых факторов процесса внутреннего шлифования, а также элементов конструкции устройства для осуществления способа подвода СОЖ.

ГЛАВА I

СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Место, роль и механизм действия смазочно-охлаждающих жидкостей в структуре обработки деталей шлифованием.

Операции шлифования отверстий в деталях машин обеспечивают высокую геометрическую точность размеров и формы, низкую волнистость и шероховатость, а также необходимую микротвердость поверхностного слоя металла.

Этот процесс иногда предшествует отделочным операциям: хонингованию, доводке и т.д. Ему же обычно предшествует растачивание, сверление, зенкерование, а также термическая обработка.

Области применения внутреннего шлифования охватывают все типы производства от единичного до поточно-массового.

Процесс снятия стружки при шлифовании происходит при одновременном врезании в шлифуемую деталь нескольких зерен, находящихся в данный момент в зоне контакта шлифовального круга с деталью.

Для шлифования характерны большие удельные давления, высокая скорость резания, наличие трения зерен и связки о металл и тепловыделения, намного превышающие тепловыделения при работе лезвийным инструментом.

В связи с этим, при внутреннем шлифовании относительно велика вероятность структурных и фазовых превращений в поверхностном слое и появления прижогов.

Одним из путей повышения эффективности внутреннего шлифования является максимальное использование техноло-

гических свойств СОЖ, для чего следует обеспечить проникновение ее в зону контакта шлифовального круга с деталью. Рационализация использования СОЖ является одним из основных путей повышения эффективности внутреннего шлифования.

При этом можно значительно уменьшить силы трения в зоне контакта шлифовального круга с обрабатываемой деталью, а также тепловыделения; интенсифицировать отвод тепла; обеспечить удаление стружки и других отходов шлифования из зоны резания. В результате можно обеспечить значительное повышение производительности обработки и улучшение качества деталей машин.

Этим обусловливается роль и место СОЖ, как основной составляющей в общей динамической системе ( рис. 1.1) СПИД (станок - приспособление - инструмент - деталь), изучению которой посвящен ряд работ ведущих специалистов в области абразивной обработки /45, 46, 59, 106 /.

Установлено, что тепло, образующееся при шлифовании, распределяется следующим образом /106/:

0= Ой + Ок + Ос + Ои + Осож (1.1)

где Оо - тепло, переходящее в обрабатываемую деталь, Ок-тепло, переходящее в шлифовальный круг, Ос- тепло, переходящее в стружку, Ои - теплоотдача излучением, Осож - тепло, уносимое с СОЖ.

Зависимость ( 1.1 ) исследована аналитически и экспериментально. Доказано, что количество тепла, отводимого излучением, весьма мало, и поэтому Ои можно не учитывать. Общее количество тепла, образующееся при шлифовании, велико,

о чем можно судить по количеству тепла в стружке - 1000 кал/г при наружном круглом шлифовании с продольной подачей и 2000 кал/г при врезном шлифовании /106 /.

Поверхностные слои обрабатываемой детали, поглощающей наибольшую долю тепла, в течение тысячных долей секунды нагреваются до 150°.. 1250° С0 а затем столь же быстро охлаждаются до 20°...50° С°/ 25, 88, 89 /.

Большое тепловыделение и высокие температуры нагрева поверхностного слоя детали обусловливают целесообразность охлаждения зоны резания при шлифовании, которое способствует снижению и стабилизации температуры СПИД, а тем самым - повышению качества поверхностного слоя деталей, уменьшению химической активности материалов абразивных зерен. Охлаждение снижает мгновенный нагрев на 150°..170оС°( 12... 17% ) в зависимости от режимов шлифования и способа охлаждения по сравнению со шлифованием всухую / 88, 89 /. Экспериментально доказано, что вследствие охлаждения избыточная температура детали не превышает 7° С° при достаточно жестких режимах обработки и 12° С° при затуплении круга. Целесообразность охлаждения обрабатываемой детали не вызывает сомнения.

Продолжительность контакта абразивных зерен с материалом обрабатываемой детали ( время нагрева зерен ) определяется по формуле /' 106 /:

где £к - длина контакта зерна с обрабатываемой деталью,

}У0 - скорость относительного перемещения зерна и обрабатываемой детали.

7 - & гГо

о

Рис.1.1. Схема связей меиеду подсистемами операции шлифования (цифрами обозначены входные и выходные переменные).

Время охлаждения зерна

п- ЛЭ-ё* 0-3)

' &

где и О - соответственно скорость и диаметр шлифовального

круга.

Время, необходимое для снижения температуры абразивного зерна до температуры окружающей среды, относится ко времени нагрева как 3:1. С учетом выражений ( 1.2 ) и ( 1.3 ) отношение

/У Г"

^у/, к ^к выражается зависимостью:

Тех* - 'Л / *2>

Для охлаждения зерна до температуры окружающей среды необходимо, чтобы К > 3. Анализ применяемых в настоящее время видов шлифования приводит к выводу, что при шлифовании периферией круга (круглом наружном и внутреннем, а также плоском) коэффициент К > 3 и зерно успевает охладиться до температуры окружающей среды.

При малых значениях коэффициента К {К>2 ) необходимо интенсивное охлаждение шлифовального круга, так как в противном случае зерно не успевает охладиться до температуры окружающей среды, с каждым оборотом будет происходить аккумуляция тепла, возникает опасность пластической деформации режущих кромок зерен. Кроме того, интенсивность охлаждения будет зависеть от теплофизических параметров зерен: наименьшую остаточную температуру имеет зерно электрокорунда, наибольшую - алмазное зерно.

Таким образом, охлаждающее действие СОЖ заключается

в отводе тепла от нагретых участков зоны резания - обрабатываемой детали и режущего инструмента. Поскольку последние являются твердыми телами, поглощение тепла СОЖ происходит путем конвективного теплообмена, интенсивность которого, а следовательно и эффективность охлаждения круга и деталей пропорциональны величине коэффициента теплообмена /

) _ р Л-ж • и Ж ' д ' \Л/ж (/о/

¿"о/г ' '

V ж ' Мэк&

где - коэффициент, зависящий от критерия Рейнольдса и

учитывающий резкое изменение теплофизических свойств и кипение СОЖ в слоях, непосредственно прилегающих к нагретой поверхности, Я ж - коэффициент теплопроводности СОЖ, Сж - удельная теплоемкость СОЖ, $ - плотность СОЖ,

\л/ж - скорость перемещения потока СОЖ относительно

охлаждаемого объекта, ))ж - кинематическая вязкость СОЖ, -Дэквивалентный диаметр охлаждаемого объекта. Анализируя формулу (1.5) можно сказать, что интенсификации охлаждения зоны резания должно способствовать увеличение о/г. Для этого необходимо:

- использовать в качестве СОЖ жидкости, обладающие наиболее высокой теплопроводностью теплоемкостью плотностью ,

- использовать в качестве СОЖ жидкости, обладающие наименьшей кинематической вязкостью ,

- увеличить скорость \л/ж -относительного перемещения

потока СОЖ и охлаждаемого объекта,

- уменьшить гидравлический эквивалентный диаметр Лж£. охлаждаемого объекта.

Изменение величин \л/# иЪ^ достигается усовершенствованием использования СОЖ, в то время как величины всех остальных сомножителей в формуле ( 1.5 ) зависят от состава СОЖ.

Смазочное действие СОЖ заключается в понижении внешнего трения в зоне контакта режущий инструмент - обрабатываемая деталь и режущий инструмент-стружка и проявляется в том случае, когда смазка создает пленки, разделяющие трущиеся поверхности при малом сопротивлении сдвигу.

Смазочное действие СОЖ при резании может проявляться только в том случае, если СОЖ проникает в зону контакта режущего инструмента с обрабатываемым материалом и стружкой и снижает трение путем образования масляных пленок.

Механизм смазочного действия СОЖ при шлифовании можно трактовать следующим образом, Е.Н.Маслов / 61 / установил, что протекание процесса микрорезания - снятия тончайших стружек режущими элементами зерен ( резания - царапания ) зависит от отношения: ^ (/.В)

.............

где аг - толщина слоя, снимаемого одним абразивным зерном, у? - радиус округления режущего элемента зерна.

При малой величине К происходит скольжение абразивного зерна по обрабатываемому материалу, при повышении К -

пластическое деформирование металла и при еще большей величине К - микрорезание. Повышение деформируемого металла соответствует повышению величины К , при которой

происходит микрорезание / 62/.

В процессе шлифования на рабочую поверхность шлифовального круга ( в поры и на зерна ) налипают частицы металла, вступающие в контакт с обрабатываемой поверхностью; существуют и потери на трение связки и отходов шлифования, скапливающихся на рабочей поверхности крута. Поэтому в реальных условиях шлифования доля работы трения достигает 95% и более. Смазочное действие СОЖ при шлифовании проявляется в уменьшении работы трения связки, частиц металла и отходов шлифования, налипших на рабочую поверхность шлифовального круга, и в препятствовании этому налипанию ( засаливанию круга).

Для эффективного осуществления этих функций свежая СОЖ должна непрерывно и в достаточно большом количестве поступать на рабочую поверхность шлифуемой детали, создавая на них прочные защитные пленки.

Однако, работоспособность шлифовального круга зависит прежде всего от работоспособности режущих и давящих абразивных зерен, непосредственно выполняющих шлифован