автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Повышение эффективности заточки, круглого и плоского шлифования с продольной подачей

РГ6 ой

2 3 НОЯ 12:,

На правах рукописи

С АЛОВ ПЕТР МИХАЙЛОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЗАТОЧКИ, КРУГЛОГО И ПЛОСКОГО ШЛИФОВАНИЯ С ПРОДОЛЬНОЙ ПОДАЧЕЙ

Специальности:05.02.08 - Технология машиностроения,

05.03.01 - Процессы механической и физико-технической обработки, станки и инструмент

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Самара 1998

Работа выполнена в Самарском государственном техническом I Чувашском государственном университетах

Научный консультант: Заслуженный деятель науки и техники РФ

доктор технических наук, профессор Б.А. КРАВЧЕНКО

Официальные оппоненты:

Заслуженный деятель науки и техники РФ доктор технических наук, профессор

В.В. ЕФИМОВ Доктор технических наук, профессор

А.Н. САЛЬНИКОВ Доктор технических наук, профессор Б.Л. ИГГРИКОВ

Ведущее предприятие: Акционерное общество "Чебоксарски!

завод промышленных тракторов" (г. Че боксары)

Защита состоится " " 1998 г. в часо]

на заседании специализированного совета Д.063.16.02 Самарского го сударственного технического университета по адресу: 443010, г. Са мара, ул. Галактионовская, 141

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета Автореферат разослан и3 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

Я.М. КЛЕБАНОЕ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. Одной из важных проблем современной металлообработки является создание оптимальных процессов, обеспечивающих высокую производительность и требуемое качество обработанных поверхностей. Необходимость ее решения обусловлена применением в промышленности новых труднообрабатываемых материалов и возрастающими конструктивными и технологическими требованиями к изделиям и отдельным деталям. Перспективным направлением разрешения этой проблемы является интенсификация процессов абразивной обработки, достигаемая за счет увеличения глубины шлифования. Другим перспективным направлением является увеличение производительности доводочных операций и заточки инструмента. Широкое внедрение их в производство сдерживается недостаточной изученностью.

В первую очередь, недостаточно изучены вопросы, касающиеся естественного формообразования шлифовальных кругов при работе. Практически отсутствуют исследования, посвященные оптимизации макрогеометрии шлифовальных кругов в продольном сечении и взаимосвязь ее с микроизносом и вибрационными характеристиками процесса. Отсутствуют исследования, направленные на поддержание оптимальных геометрических параметров по продольной образующей кругов.

Актуальность поиска форм, обеспечивающих минимальный износ кругов, значительна как для чистовых операций, когда имеет место одноуровневый износ, так и при многоуровневом износе, при котором значительный припуск распределяется по высоте продольной образующей кругов.

Целью работы является разработка научных основ решения проблемы повышения показателей процессов шлифования путем оптимизации формы инструмента с использованием принципов естественной прирабатывае-мости.

Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи:

теоретическое определение оптимальных форм продольного сечения шлифовальных кругов с использованием естественной прирабатываемости;

теоретико-экспериментальные исследования влияния деформаций и ударных нагрузок на приработку кругов;

теоретическое определение длительности приработки абразивных кругов; исследования условий естественной прирабатываемости шлифовальных кругов, построение комплексной модели изнашивания;

разработка теории и технологии для поддержания оптимальных геометрических параметров кругов;

разработка принципов и положений, определяющих выбор и обоснование способа воздействия на термодинамическую систему, для получения

необходимых результатов;

исследования по влиянию формы кругов в продольном сечении на показатели процесса шлифования;

разработка программных средств для расчета геометрии шлифовальных кругов, правящих роликов и условий работы и правки.

Методы исследований. В основе теоретических исследований по оптимизации форм шлифовальных кругов использованы синсргстичсские принципы: при одноуровневом износе - принцип естественной одноуровневой прирабатываемости абразивных зерен; при многоуровневом износе кругов, работающих торцом, - принципы приспосабливаемое™ термодинамически необратимых процессов и вариационные принципы механики; при многоуровневом износе кругов, работающих периферией, - принцип равенства работ для зерен во всех поперечных сечениях.

В основу анализа физико-химических процессов положены принципы, основанные на понятии энтропии. Применялся метод конечных элементов. Использовалась целевая функция, учитывающая направление векторов эффективности по времени. Строились диаграммы Пурбе. Разработка научных положений производилась с использованием теорий упругости, пластичности, теоретической механики, ползучести, теплопроводности, устойчивости; законов термодинамики, электрохимии. Все основные положения работы проверены экспериментально с использованием современных методик и аппаратуры. Применялись металлографические, рентгеносгруктурные, электронно-микроскопические, микрорентгеноспекгральные и другие современные методы исследований. Разработан ряд новых методов исследований, некоторые из них защищены авторскими свидетельствами. При исследованиях применялись методы математической статистики и планирования экспериментов. В частности, для полиномиальных моделей второго порядка использованы/планы полного факторного эксперимента типа Зп, применялись планы типа «латинских квадратов».

Научная новизна работы состоит в разработке научных основ теорий формообразований шлифовальных кругов на принципах естественной прирабатываемости. Главное внимание уделялось оптимизации макрогеометрии кругов, работающих с поперечной подачей, в продольном сечении. Сформулированы, теоретически обоснованы и экспериментально проверены новые положения и концепции по вопросам формообразования кругов и поддержания их оптимальных геометрических параметров:

эффект естественной приспосабливаемое™ форм шлифовальных кругов к минимуму износа;

положение о взаимозависимости свойств круга, работающего торцом с большими глубинами резания, и сред Фойхта и Максвелла;

положение о влиянии кромочного износа круга на форму естественно

прирабатывающегося круга, работающею периферией;

положения о стремлении процесса шлифования, как любой трибосисте-мы, к самоорганизации и о противоречиях между подсистемами;

условия, исключающие зарезы на затачиваемом инструменте и осыпание кругов при малой жесткости технологической системы; условия безударного врезания круга в заготовку; положение о комплексной модели изнашивания шлифовальных кругов; условия применения правящего круга как динамического гасителя колебаний;

условия очистки и правки кругов оптимальной формы методом обката. Сформулированы требования по условиям формообразования и прира-батываемости кругов и поддержанию их оптимальных форм.

Установлено стратегическое направление по расширению технологических возможностей процессов шлифования и повышения их эффективности. Дана математическая интерпретация поиска технологических путей достижения оптимальных результатов, включая разработку программных средств для расчета геометрии шлифовальных кругов, правящих роликов и условий работы и правки.

Практическая ценность работы состоит в разработанных методиках формообразования шлифовальных кругов и поддержании их оптиматьных форм, а также в предлагаемых технологических мероприятиях, направленных на уменьшение износа кругов, увеличение производительности труда, уменьшение вероятности появления брака, увеличение надежности процессов. Для чего разработаны и внедрены в производство новые методы: высокопроизводительного шлифования, доводки и заточки деталей и инструментов; правки и очистки кругов; управления перебегом прирабатывающегося круга и другие.

Науки «Технология машиностроения» и «Процессы механической и физико-технической обработки, станки и инструмент» получили свое дальнейшее развитие за счет раздела, посвященного конструированию формы абразивного инструмента.

Реализация результатов работы. Результаты исследований, новые технологии, методики, устройства внедрены в производство на предприятиях Самары, Чебоксар, Павлодара, Сасово, Кемерово, в «Горьковском научно-производственном регионе».

Апробация работы. Основные научные положения работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях, семинарах, совещаниях: научно-техническом семинаре «Повышение качества серийных, создание новых абразивных материалов, инструментов и взаимодействие их с изделиями при шлифовании», Волжский, 1972; научно-техническом семинаре «Финишная обработка абразивно-алмазными инструментами», МДНТП.

Москва, 1973; Всесоюзной конференции «Теория и практика алмазной и абразивной обработки деталей приборов и машин», Москва, 1973; научно-технической конференции «Обрабатываемость жаропрочных и титановых сплавов», Куйбышев, 1974; 4-й Всесоюзной межвузовской научно-технической конференции «Научные основы автоматизации производственных процессов в машиностроении и приборостроении», Москва, МВТУ, 1975; республиканской научно-технической конференции «Методы чистовой обработки деталей машин», Одесса, 1975; научно-технической конференции «Новые прогрессивные технологические процессы в машиностроении», Оренбург, 1975; республиканской научно-технической конференции «Новое в абразивной обработке труднообрабатываемых материалов», Киев, 1976; IV Всесоюзной конференции «Теплофизика технологических процессов», Тольятти, 1976; Всесоюзной конференции «Новое в теории и практике создания и применения синтетических сверхтвердых материалов в народном хозяйстве», Киев, 1977; V Всесоюзной конференции «Теплофизика технологических процессов», Волгоград, 1980; Всесоюзной конференции «Современные проблемы резания инструментами из сверхтвердых материалов», Харьков, 1981; межотраслевом семинаре «Пути повышения производительности и качества механообработки и прогрессивных методов заточки режущего инструмента», Чебоксары, 1981; Всесоюзной конференции «Прогрессивная технология изготовления отливок из черных и цветных металлов», Чебоксары, 1986; межотраслевом семинаре «Совершенствование методов формообразования, повышение стойкости инструментов и технологической оснастки», Чебоксары, 1988; межотраслевом семинаре « Высокопроизводительные процессы обработки резанием, шлифованием», Чебоксары, 1988; Всесоюзной конференции «Ресурсосберегающие технологии в механосборочном производстве», Киев, 1990 и других.

Диссертационная работа докладывалась в Чувашском государственном университете на кафедре «Металлорежущие станки и инструменты», Самарском государственном техническом университете на кафедре «Инструментальные системы автоматизированного производства», а также на объединенном заседании с участием кафедр «Технология машиностроения» и «Автоматизированные станочные комплексы», в НИО Чебоксарского завода промышленных тракторов.

Публикации. По теме диссертации опубликовано свыше 70 научных работ, получено 3 авторских свидетельства и 2 положительных решения на выдачу патентов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, содержащих 313 страниц машинописного текста, 147 рисунков, 25 таблиц; основных результатов и выводов по работе, списка использованной литературы из 283 наименований, 5 приложений на 39 страницах, в том числе 4 рисунков, 2 таблиц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕОРИИ И ПРАКТИКИ ИЗНОСА И ПРИРАБАТЫВАЕМОСТИ АБРАЗИВНОГО ИНСТРУМЕНТА

Исследования Б.И. Костецкош, Н.М. Михина, А.С. Проникова, Г. Дано-ва, ЛИ. Бершадского, М.В. Коровчинсшго, Л.А. Галина, И.Г. Горячевой, МП. Добычина, Н.В. Банчука, Л.С. Цеснека, В.В. Шульца и других в области трения, а также Д.Г. Евсеева, В.В. Ефимова, Б.И. Горбунова, Б. А. Кравченко,

A.В. Королева, С.Н. Корчака, В.М. Оробинского, В.И. Островского, Ю.В. Полянского, А.Н. Резникова, А.Н. Сальникова, Г.И. Саютина, С.С. Силина,

B.А. Сипайлова, А.Г. Суслова, О.Б. Федосеева, А.Н. Филина, Л.Н. Филимонова, И.Е. Фрагина, Л.В. Худобина, Б. Л. Штрикова, А.В. Якимова, П.И. Яще-рицина и других в области шлифования выявили значительную общность этих процессов. Используя ее применительно к шлифованию, решен ряд задач и созданы предпосылки для решения других. К числу последних относятся задачи по определению оптимальных форм естественно прирабатывающихся кругов. Для их решения выполнен анализ современного состояния теории и практики износа и прирабатываемости абразивного инструмента с позиций оптимизации и стабилизации процессов шлифования, из которого следует: исследователи, как правило, не ставят своей целью использовать условия приспосабливаемости процесса для повышения его эффективности; практически отсутствуют теоретические исследования, посвященные макроизносу шлифовальных кругов, а соответствующие экспериментальные данные не находят убедительных объяснений; весьма недостаточно изучено взаимовлияние таких геометрических характеристик круга, как макрогеометрия, микрогеометрия и волнистость на его стойкость и износ, а также влияние их на геометрические характеристики обработанных деталей; существующие модели изнашивания шлифовальных кругов не отражают многообразия условий их эксплуатации; большинство существующих методов правки не позволяет использовать положительные свойства естественной приработки кругов. Следовательно, мощным резервом для повышения эффективности процессов шлифования является совершенствование формы кругов и, в первую очередь, их оптимизация в продольном сечении на основе принципов естественной прирабатываемости. Это предопределило цель и задачи диссертационной работы.

АНАЛИТИЧЕСКОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ ФОРМ ШЛИФОВАЛЬНЫХ КРУГОВ И ДЛИТЕЛЬНОСТИ ИХ ПРИРАБОТКИ

При одноуровневом износе кругов (см. рис. 1.Обрабатываемая поверхность заготовки рассматривается как плоская граница упругого полупространства с упругими постоянными Е и у , а абразивные зерна - как система связанных между собой цилиндрических выступов с плоскими основаниями, которые в процессе трения изнашиваются по закону

= К>.

/V

V,

где = линей-

ный износ в центре ) -го зерна; 2/ =2/(0- усилие, действующее на зерно; (2* - предельная нагрузка на зерно, соответствующая началу его износа; VJ=VJ\t)- скорость У-го зерна; Г»-характерная скорость скольжения; - коэффициенты.

Плоское шлифование торцам круга. Применительно к выступам на торце кшьца считаем, что количество зерен N достаточно велико и они расположены внутри кшьца о, с внутренним радиусом Ку и внешним радиусом

Рис. 1. Схема одноуровневого износа круга при плоском шлифовании торцом

Л2 с заданной плотностью С = 9) > гДе Г-(Р ■ полярные координаты < г < Я2, 0<ср < 2л) . Плотность распределения определяется площадками износа на зернах и расстояниями между ними. В общем случае площадки износа различны, распределены неравномерно, то есть, функция <^{г,ср) может быть произвольной. На систему, включающую N зерен, действует постоянная нагрузка ()0. При изнашивании всех зерен система перемещается с постоянной скоростью по нормали к границе упругого полупространства. Кольцо вращается

вокруг центра с постоянной угловой скоростью со и движется поступательно с постоянной скоростью Уп. Окружная скорость круга Ук =й)-Я2. Согласно исследованиям Л.А. Галина и решениям И.Г. Горячевой и М.Н. До-бычина, усилия <2/ (0 удовлетворяют системе дифференциальных уравне-

нии

Т^Т & + I1 - 3 и Ь агС5ш т~ =

2а ¡Е ла]Е 1=х /,7

= У0 - К „ {У} ¡V.)1 & ¡0, У= 1,2,..., М;

N

м

где 8 ¡} - символ Кроникера; я у - радиус площадки износа у-го зерна; 11} -расстояние между ] -ым и / -ым зернами.

Система имеет асимтотически устойчивое решение, которое при больших t имеет вид:

QJ(th-

Оо

N

I

Ш

■ + вА*)> Я А)-* Оприг^О.

Решение зависит от общей силы, действующей на систему зерен, скорости скольжения, характера расположения зерен, размеров площадок износа зерен, упругих характеристик материала основания и не зависит от начальных распределенных усилий 6/(0) и начальной микрогеометрии поверхности. В силу этого для установившегося процесса справедливо условие, при котором все контактные зерна нагружены равномерно:

<2,(0 =

во

N (•>

X

\Р!а

(2)

1=1

Оно соответствует некоторому достаточно большому значению / = г0, и все трибологические характеристики рассматриваемого процесса изнашивания возьмем для времени г = г0.

Скорость изнашивания в установившемся режиме для всех зерен одинакова и равна <ЗЖ] ¡Л = А, где при малом и = У„[УК и у = р¡а

А = оЛ(уп1+а>\1 ! /=1

■2У

'„сог^пмр,)'

В установившемся режиме нагрузка О на зерно с центром в точке (г,ср) описывается зависимостью

I-У

, К ■

'V ^2 " п

( ■ 1 О У ■ 2 БШ (р+ "^"СОБ 2(р--Б1П <р

ч 2 2 у

+

43)

+

\TlQiM

Тогда внедрение г^г,ср) зерна с центром в точке {г ,ср) имеет вид

Ж,<р) = П1(г,ф)+ч2(г,<р) Величины Т]х{г,(р) и т]2{г,<р) - это соответственно, внедрение под действием нагрузки 0(г, ср) и дополнительное внедрение от распределенной нагрузки по области О,.

Установившаяся форма изношенной поверхности круга описывается функцией Т]ср (р); равной среднему значению внедрений зерен, расположенных на расстоянии г = Я2- р от центра кольца:

!сР\У) 2 ЕЯ2 \2л }0 ах{р,<р)

, ^ (>',(аУ,<р,0)ус1<рс1вс1у 4 о о °\УР><Р)

(у, 0 - полярные координаты области ),

Ql(p,<p) = {u'г +р2 -2ир%шсрУгП,

Чх{р,у,<р,е) = 0 при р2 +у2-2русоз{<р-0)<1/яР1^{р,<р),

Чх{р,у,<р,в)= агсэшах{р,ср)!у]р2 + у2 -2русо$((р-в) при

рг + у2 - 2ру с05(<р-0)> (а<р) ■

Если радиусы площадки износа зерен от полярного угла не зависят, т.е. а1 (р, <р) = «¡(р), а плотность распределения зерен и радиусы их площадок износа зависят только от полярного радиуса, т.е. £(г,<р) = <!;(г) и а(}\(р) = а(г), тогда при малых значениях и получаем

к

I

( )= А(1-у^К2Г 1ср{Р) 2ЕЯ2а1{р)

р~г

2„2

1 +

у и

+

4Л

г 1

к

1+

2 2 ^ у и

щ)ч2{р,у,(р¥<р и

йу

+ 01

И.

(3)

где ^2{р,у,(р) = 0 при р2 + V2 - 2ру соб (р < 1/тг/г^С,(р)>

и

х¥2(р,у,<р)= arcsin ax(p)fyjp2 + у2 -2руcos <р при р2 + у1 - 2ру cos (р>\] ttRIC: (/?) -

Относительное внедрение зерен описывается функцией zip) - Л-р (р)/V-p (<?), которая согласно (3) имеет вид:

1 (о Л

тЮ1св Гр)+4R2 f О, JvY, Mv f'Ъ (о. v. ©W \dv

x(p)=3l-i-u-

a\[p)

4

dy

р'г ( 2 21 1 * 4 ( 2 2\ 1 + 7 " 1 4/ J

<*\ (р) -у ( 2 гЛ 1 + 7 2 1 + 4Ri li-r я 4 ( 2 2\ 1 4 у2)

(4)

И

Принимая относительное внедрение одной из точек на координате р за единицу, например, точку с радиусом Кх, и, пользуясь формулой (4), определяется форма продольного сечения шлифовального круга, работающего торцом при плоском одноуровневом контакте. Относительное внедрение зерен по текущему значению радиуса круга зависит только от величин и = Уп [Ук и у ~ ¡3¡а и не зависит от значения афУкУп по отдельности.

Шлифование периферией круга. Определение формы кругов, работающих периферией, производиться по аналогичной расчетной схеме: установившаяся форма изношенной шероховатой цилиндрической поверхности радиуса Я и высоты В при вращательно-посгупательном движении перемещается по другой поверхности, которую в данный момент времени считают плоской границей упругого полупространства с упругими постоянными у и Е. Окружная скорость цилиндрической поверхности - Ук, поступательная - Уп. Контакт происходит на глубже § в пределах угла <Р на длине I. Износ выступов (зерен) происходит в соответствии с зависимостью (1) и условием (2). По аналогии с зависимостью (4) относительное внедрение описывается функцией

?В2 1 ^ ( \ (гЛ 1 + Щч{ггР,х,у)Ог<Ыу

ЛсР{р)_аМ„ ЬЬ

з2 1

х =

44

М0) - «,М. {ЖШ]ч,(гАх,у}Лг!Ыу

0 0 0

„ I z s , \ a(z)

; ф) = фр).

4{г,р,х,у) = О при {х -г)2 +{у-р? <\/[лВгф% *¥(г, р, х, у) = агсзт щ {р)Ц{х-г)2 + {у~р)2 при (х-г)2 +(у-р)2>\1[яВ%{р%

аттатттта паматт

.... .. .... ...__...___.... ..................... .......- .......г тглтт т^ч/мл тттхтт«"»»г>т т Л

ЧСр V/ / ЧСр Ч~ иххиуЦр^ши ни д^л/рдгиш! ¿.ч ¡-^

I п\ п ггл

и в средней (повысоте)частях круга; а (г) радиусы зерен, центры которых расположены на рассматриваемой окружности.

Относительное внедрение зерен от параметров а , Р и скорости Ук не зависит. Оно зависит лишь от геометрических параметров шероховатой цилиндрической поверхности (размеров цилиндра, радиусов износа зерен, плотности их распределения) и от глубины контакта.

При многоуровневом износе кругов выбор математической модели определяется условиями удаления припуска по длине (высоте) образующей поверхности круга. Для уачовий работы торцом круга, когда происходит симметричная обработка относительно неширокого образца, принята плоская расчетная модель, показанная на рис. 2. Поверхностный слой абразивного круга представляется средой Фойхта с коэффициентами жесткости и вязюсти Е и т]. Пластина (шлифуемый образец) врезается в вязкоупругую среду со скоростью V под действием силы Рх. Пограничная частица А среды оттесняется пластиной в направлении нормали АД и скользит вдоль границы при коэффициенте трения /ен. Нео&одимо оптимизировать форму кривой От.

Правомерность выбранных предпосылок обосновывается современными исследованиями в области износа макроповерхностей, когда рассматривают устойчивость напряженного состояния и формы поверхностей контакта во взаимосвязи с энергетикой процесса. Самоорганизация процесса при макроизносе увязывается с возникновением диссипативных

структур. Счита- рис 2 Схема многоуровневого износа круга при ют, что сущс- плоском шлифовании торцом

ствование устойчивых диссипативных структур поверхностей контакта является необходимым условием устойчивой эволюции макроповерхностей.

Используя выявленные синергетические принципы, решен ряд задач, представляющих интерес для шлифования. В частности И.Г. Горячевой и М.Н. Добычину удалось оптимизировать форму тел при их одноуровневом износе. Применяя тот же методологический подход, нами решены и выше представлены задачи по оптимизации форм шлифовальных крутой. В.В. Шульц, используя основные принципы термодинамики необратимых процессов и вариационные принципы механики, предложил математическую модель резания вязшупругой среды, которая нами использована для исследования макроизноса кругов при их многоуровневом износе.

Кривая От обеспечит минимальную силу Рх при условии

]\еУ + /т ¥т])у'+Уг} (у')2 + /вн Еу]с18 ■

_ _.........., ^ . „,. , —»ПШ1

о

Приближенным решением и, когда для поиска функционала используется частный случай уравнения Эйлера, а для нахождения постоянных интегрирования - условия трансверсальности, получена экстремаль в виде параболы

_ _ /вн^мод Х1

' 4 УЛ{Т,ё) 4 ¥т}мод ' {6)

где Е(Т,а) и 1](Т,е) - модифицированные коэффициенты жестюсти и вязкости, определяемые с учетом изменения напряжений и времени запаздывания в функции абсолютной температуры и скорости деформации. Экспериментально установлено, что уравнение (6) нуждается в уточнении, так как среда Фойхта не в полной мере отражает свойства твердого тела. Расчетные формулы имеют вид

У __/ей_^ _ /вн х2

Нк3пр ф мод л 1ШЛ

где 5„р - продольная подача образца (5пр=У); tфмoд - модифицированное время запаздывания (tф мод = г}мод /Емод ); Кшл - коэффициент, учитывающий несоответствие среды Фойхта; Гшл - время, характеризующее вязко -упругие свойства поверхностного слоя круга в процессе шлифования.

Параметры, входящие в зависимости (7), определяются: коэффициент /вн - отношением касательных сил к нормальным; модифицированное значение мгновенного модуля упругости (Емод) - по методике Д.Г. Евсеева, А.Н. Сальникова или С.Н. Корчака; модифицированное значение вязкости (т]мод) - на основе исследований С.И. Булычева, В.П. Алехина и данных эксперимента.

Для условий работы периферией самовоспроизводящей формой есте-

ственного износа будет та, которая при заданной осевой подаче S обеспечит равный износ во всех поперечных сечениях круга. Данные графоаналитического анализа и эксперименты показывают, что такая форма может быть образована кривой FAC на рис. 3. Вследствие кромочного износа рабочая высота круга уменьшается. Она состоит из основной -Во и вспомогательной (псевдокалибрующей) - Вв частей. При этом геометрически величина Ведоп-жна составлять половину S. Равный износ круга во всех поперечных сечениях обеспечивается при равной усредненной толщине среза, приходящейся на единичное зерно. При величине снимаемого припуска (гд ) существенно меньшем, чем диаметры круга и заготовки условие равноизносности реализуется, когда зависимость между припуском t,], N, приходящимся на элементарную коническую поверхность, наклоненную на угол аг (см. рис. 3.), и припуском на цилиндрическую поверхность (ф л имеет вид

Чч--2--(8)

cos аг

Эта зависимость следует из формул Е.Н. Маслова по определению геометрических параметров контакта и толщины единичного среза и формулы И.П. Захаренко, И.М. Цахновского, Э.А. Белецкого для расчета толщины единичного среза на наклонной рабочей поверхности круга. Она, естественно, не применима для врезного шлифования и при относительно большом перегаде рабочих диаметров круга.

Как следует из рис. 3., величина снимаемого припуска вначале увеличивается {АЕ< NN' <BD), затем уменьшается до нуля в точке С. Следовательно. полностью реализовать зависимость (8) на всем протяжении рабочей поверхности круга не представляется возможным. Кроме того, значительное влияние на форму круга оказывает кромочный износ: в точках С и F круг осыпается под углом, близким к 45 ° . Следовательно, форма естественного износа круга образуется взаимодействием двух указанных выше факторов. Графоаналитический

анализ и данные эк- т-,

м Рис. 3. Схема многоуровневого износа круга при

спериментов пока- ПЛОском шлифовании периферией

зывают, что образующая рабочей поверхности круга при плоском шлифовании может вследствие периодичности подачи отклоняться от монотонности из-за стремления срединной части круга к условиям зависимости (8) и пульсирующего характера осыпания кромок круга. Однако возникающее при этом перераспределение припусков по сечениям на последующем проходе нивелирует отклонение. При круглом шлифовании вследствие непрерывной подачи подобные вариационные принципы приспосабливаемое™ действуют непрерывно. Равный износ по некоторому участку образующей круга может обеспечить его коническая поверхность, однако вследствие кромочного износа она быстро перерождается.

Дополнительное воздействие на формообразование кругов деформаций и ударных нагрузок исследовалось при торцовом шлифовании и затачивании инструмента. Влияние деформаций исследовалось с помощью усовершенствованной нами математической модели К. С. Колева и Л.Х. Бадаля-на. Шпиндель представлен как консольная балка С.П Тимошенко, планшайба - как составная кольцевая пластина кусочно-постоянной толщины. Уравнения движения учитывают действие изгибающих моментов, перерезывающих сил, учитывают продольные и касательные силы, а также силы инерции, прецессию и гироскопический эффект. Установлено, что направленность деформаций определяется соотношением технологических сил резания, которое зависит от формы круга. Круг с неприработанной поверхностью в процессе рабочего хода может дополнительно развернуться, искажая свою форму и создавая дефект на изделии в виде зареза.

Исследованиями установлено, что увеличение жесткости технологической системы не всегда благоприятно для сохранения формы естественного износа и исключения зарезов. При определенных условиях целесообразно уменьшение жесткости корпуса шлифовального круга.

Влияние ударных нагрузок на искажение формы кругов проводилось на основе результатов расчета деформаций в технологической системе. Используя решение К. Джонсона, представление Г. Дересевича, а также поправки для шероховатых поверхностей Гринвуца и Триппа, рассчитаны предельные скорости сближения круга и заготовки - Уу тах • При многоуровневом износе круга, имеющего оптимальную форму, критическая скорость равна

v

* уП

ГГ2 „0.5,3 „0.75

Е Рш Р

Г \

1 -К,

а

д

V ^ )

(9)

где у и рш - предел текучести и плотность материала меньшей жесткости; ад - податливость шпиндельного узла; Е - приведенный модуль упругости

тел; t;i - глубина шлифования по лимбу; Kt - коэффициент; р - показатель кривизны круга, определяемый из формул (6) или (7)

2р — мод _ 4,V ' {шл

Je» ' Емод feH

При одноуровневом износе круга

V 253 У2'5^д15^к тзх

(10)

где Hj. max - максимальная рабочая высота микропрофиля круга.

Расчеты по формулам (9) и (10) показывают, что приработанные круги, как правило, не теряют своей формы при врезании с рабочими подачами.

Аналитическое определение длительности приработки осуществлялось для кругов, работающих торцом. При одноуровневом износе применено известное решение A.C. Протасова о приработке двух дисковых поверхностей. Апроксимируя образующую формы приработанного круга прямой

Уk - F(R) = Кф (/?-/?]), получаем время, необходимое на приработку:

f„ =

KknßQQ\ß2-5ß + б)

где Кк - коэффициент, эквивалентный коэффициенту Км, в формуле (1); п - частота вращения круга.

Для многоуровневого износа кругов применена та же схема, что и для одноуровневого. Отличие состоит лишь в том, что функция, описывающая образующую формы круга ЩД), определена формулами (6) и (7). При переносе ординаты на рис. 2. на ось вращения круга

пр ' шл '

где хт - координата точки т на рис. 2. Тогда

&rßfeH

'Sпр 'tum

( D*~ß _ P3~ß _ D*-ß _ d2

4-ß _ R4-ß p3—/? _ пЪ-ß t)1 n2

4-ß 1 3-ß 1 2 1

ИССЛЕДОВАНИЕ УСЛОВИЙ ЕСТЕСТВЕННОЙ ПРИРАБАТЫВАЕМОСШ ШЛИФОВАЛЬНЫХ КРУГОВ. КОМПЛЕКСНАЯ МОДЕЛЬ ИЗНАШИВАНИЯ

Формообразование круга в продольном сечении составляет лишь отдельный элемент общего стремления процесса шлифования к стабилизации. Относительная стабилизация наступает при установившихся геометрических параметрах микропрофиля, волнистости и макрогеометрии круга. При одноуровневой обработке наиболее благоприятный для приработки профиль круга такой, у которого количество активных зерен, площадки износа их и абсолютная величина коэффициента у, характеризующего относительную износостойкость абразивных зерен, малы. Однако возможности для управления указанными параметрами существенно ограничены технологическими требованиями к процессу, определяющими выбор оборудования, инструмента, вида СОТС. Исходя из этого выбора, геометрические параметры, а также коэффициент у для процесса, в основном, предопределены. Комплексные исследования механизмов прирабатываемости абразивных зерен и кругов позволили определить необходимые параметры для расчета устойчивой макрогеометрии кругов в продольном сечении. При многоуровневом шлифовании роль механизмов приработки возрастает. Управление этими механизмами позволило их оптимизировать. Условия естественной приспо-сабливаемости во многом определяются динамикой процесса. Особо велика ее роль при шлифовании периферией круга. В этой связи представляет значительный интерес разработка общей схемы износа кругов и определение области их работы в режимах полного и частичного самозатачивания, а также затупления.

Параметры микропрофиля и время приработки круга определяются механизмами износа абразивных зерен. Для проверки возможности разрушения зерен за счет термоупругого воздействия и термоциклической усталости, напряжения в них рассчитаны методом конечных элементов. В основу расчета положены методики, разработанные Н.В. Новиковым, Г.А. Ворониным в Институте сверхтвердых материалов и Х.Г. Тхагапсоевым, М.М. Ош-хуновым, Б.С. Ханачевым и В.А. Наурзаковым в Кабардино-Балкарском государственном университете. Форму кристаллов аппроксимировали эллипсоидом вращения. В основу метода конечных элементов закладывалась замена краевой задачи теории упругости задачей минимизации функционала. Связь между тензором напряжений и деформацией для осесимметричного напряженно-деформированного состояния принимали согласно модели Дюамеля-Неймана. Компоненты тензора деформаций выражались через перемещения с помощью соотношений Коши. Минимум функционала находили с помощью круговых треугольных элементов. Расчеты показали, что

при температурах, соответствующих шлифованию, во всех абразивных зернах возможно возникновение сжимающих напряжений, превышающих предел прочности на сжагие. Для эльбора и особенно для элекгрокорунда превышение многократное. Следовательно, на абразивных зернах, в момент выхода их из контакта, образуются термические микротрещины.

Износостойкость и абразивная способность абразивных зерен исследовалась на специальной установке, обеспечивающей движение зерна по спирали стального диска с постоянной скоростью. Наибольшей износостойкостью обладают алмазные зерна, наименьшей - зерна из карбида кремния. Большую абразивную способность показали зерна из эльбора и карбида кремния. Характерным износом их являются микросколы, возникающие при образовании небольших площадок износа. Зерна карбида кремния черного скалываются большими фрагментами, чем другие абразивы. Введение в зону трения колебаний с частотой 1 -ь 1,5 кГц, амплитудой 2-5 мкм увеличивает износ зерен. Менее чувствительны к данным колебаниям зерна из природных алмазов и электрокорунда циркониевого, более - эльборовые.

Применительно к одноуровневому износу определены значения показателей степени при давлении (а) и скорости скольжения (/?) на интенсивность изнашивания (см. формулу (1)). Величина а колеблется в пределах от 1,0 до 1,2, при некоторых сочетаниях контактируемых материалов - до 1,4. Величина /? при контакте по диску - ог0,06 до 0,36. Величина у -от 0,06 до 0,34. Большая ее величина свойственна относительно небольшим скоростям скольжения и отсутствию СОЖ. Установлена зависимость величины у от условий геометрического контакта и температур.

Исследования физико-химических контактных явлений производились на основе экспериментов по микрорезанию единичным индентором, а также исследованием мгновенной контактной поверхности, получаемой при помощи специального приспособления. Установлено, что внешним проявлением износа большинства абразивных зерен является хрупкое разрушение, которому, однако, предшествует комплекс взаимодействий, к нему приводящих. Результаты исследований обработанных поверхностей после микрорезания в основном соответствуют выводам, сделанным Т.Н. Лшадзе и Г.В. Бокучавой, М.Б. Гордоном, М.С. Беккер и Н.Р. Лосевой, Б. А. Кравченко, Л.В. Худобиным и другими исследователями. В нашем представлении суть их состоит в том, что на обрабатываемой поверхности так же, как и на инструменте, происходят процессы, отражающие лишь часть физико-химических явлений, возникающих в фрикционной системе деталь - стружка - инструмент - окружающая среда. Дополнительная информация получена при исследовании таких продуктов граничных слоев как нарост и налип. Анализ полученных результатов показывает, что при прохождении сложнейших физико-химических взаимодействий реализуются энергетически более вы-

годные процессы. В какой-то момент всю систему шлифования можно рассматривать как квазистабильную. Однако элементы системы, например, отдельные зерна, работают в нестабильных условиях. Зерно, первый раз войдя в контакт, изнашивается и его контактные поверхности покрываются продуктами взаимодействий, что существенно изменяет условия второго контакта. И так далее. То есть, отдельное зерно как бы поочередно работает в разных термодинамических подсистемах. Внутри подсистем происходят процессы энергетически выгодные для конкретных условий, а не для всей системы в целом. Особый интерес вызывает воздействие СОЖ на контактные процессы. Взаимодействие СОЖ на основе электролитов с обрабатываемым металлом и инструментом анализировались с помощью диаграмм электрохимического равновесия потенциал - рН, которые предложил Пурбе. Из диаграмм для железа следует, что отсутствие в СОЖ - электролите активных добавок обеспечивает на железе практически нерастворимые окислы Ре304 и Ре203 с высокой температурой плавления и высоким коэффициентом трения с абразивами. Из диаграмм для алюминия, который является компонентом корунда, следует, что СОЖ - электролиты должны иметь рН в пределах 7-4-9. Меньшие значения будут вызывать коррозию оборудования, большие -способствовать разрушению алюминия. Электродные потенциалы системы зависят от температуры. При контакте водной СОЖ с нагретым железом возможно электродное восстановление чистого железа, чему способствует активное выделение водорода при разложении воды. При последующем охлаждении воаможно образование окислов. Прохождение гетерогенных реакций может привести к образованию на обрабатываемой поверхности и инструменте всех возможных химических соединений. Применение СОЖ, способных затормозить окислительные реакции, обеспечивает значительное снижение износа абразива.

Пользуясь термодинамическим анализом можно управлять процессом шлифования. При этом необходимо оценивать не только изобарно - изотермические потенциалы всех возможных химических реакций, но и последующие значимые электродные реакции.

Дополнительное влияние на геометрические параметры круга могут оказывать колебательные процессы. При методах подачи СОЖ, не обеспечивающих равномерной пропитки кругов, создаются условия для возникновения режимных дисбалансов. Кромки круга осыпаются, на его периферии появляются непериодические волны, глубины которых увеличиваются к торцам. Круг в продольном направлении приобретает выпуклую форму. По мере приработки круга погрешность формы детали в поперечном направлении уменьшается, а в продольном увеличивается. Выхаживание, как правило, приводит к увеличению вогнутости на детали и уменьшению волнистости. Столь противоречивые результаты объясняются относительной стабшшза-

цией процесса при приработке крута. Амплитуда колебаний детали уменьшается, а форма круга в продольном направлении стабилизируется. Эффективные методы подачи СОЖ не вызывают значительных вибраций в технологической системе, что обеспечивает меньшее искажение формы круга и меньшую погрешность на детали. В этих случаях результаты исследований хорошо согласуются с данными Л.В. Худобина, А.А. Аршанского и В.П. Щербакова, Г.И. Саюгана и других. Кроме макросггклонений на шлифовальном круге всегда присутствуют отклонения, связанные с волнистостью. Часто стойкость крута ограничивается возникающими автоколебаниями. В ряде случаев автоколебания способствуют оптимизации процесса по удельной энергоемкости. В общем случае при шлифовании имеет место нестационарная колебательная система, которая не только стремится к стационарности, но и как любая диссипативная структура стремится к производству минимума энтропии или к минимальному рассеянию энергии. В своем стремлении к стационарности она перестраивается. В тех случаях, когда указанная перестройка системы отрицательно сказывается на процессе шлифования, ее необходимо приостановить или направить в нужном направлении.

В общем виде комплексную модель изнашивания шлифовального круга можно представить механизмами истирания и разрушения. Под истиранием будем понимать все виды износа, приводящие к потере микропрофилем круга работоспособности, под разрушением - его самозатачиваемость. Принято, что разрушение зерен наступает под действием флуктуаций силового воздействия в результате накопления усталостных повреждений, которое согласно В.М. Бахаре-ву подчиняется закону линейного суммирования. Характер изнашивания кругов в зависимости от суммы флуктуаций силового воздействия и соотношений между коэффициентами разру-

Кг

2С

-о са

Е ^ и 3

о 5

X ГО

•Я Е о са

о ю о О

с г

<-> О»

о

N ©

\® ® '•¿¿аъ

©ч С __

шения

Кя

и изна-

шивания Кк показан на рис 4. Дополнительно в общепринятую схему усталостного изнашивания. имеющую

Сумма флуктуации сцловлго воздействия

Рис. 4. Комплексная модель изнашивания шлифовальных кругов. Зоны износа зерен: 1 - истирание; 2 - истирание и разрушение; 3 - разрушение. Зона 4 - потери формы; зона 5 - предельное затупление микропрофиля круга

зоны 1,2 и 3, введены зона 4, в которой круг неработоспособен из-за недопустимых макроотклонений формы, и зона 5 - предельного затупления микропрофиля круга. Круг длительно работает без правки при условии, когда его способность к самозатачиванию будет находится между линиями АВ и СО. Это возможно, когда химико-абразивный износ зерен превалирует над другими видами износа, что является одним из условий сохранения квазиустойчивой формы круга.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ФОРМ ЕСТЕСТВЕННОЙ ПРИРАБАТЫВАЕМОСГИ ШЛИФОВАЛЬНЫХ КРУГОВ

Определение параметров процесса, необходимых для расчета форм.

Параметры шлифования во многом определяются тепловой ситуацией в зоне контакта. Расчет температур при плоском шлифовании торцом круга производился по методике А.Н. Резникова. Для расчета температур при шлифовании периферией круга нами решено несколько задач, что позволило разработать методику, на наш взгляд, более совершенную, чем имеющиеся.

При определении геометрических параметров контакта применялись как общепринятые аналитические и экспериментальные методы, так и вновь разработанные.

Для условий одноуровневого износа круга плотность активных зерен на поверхности контакта и размеры площадок на них определялись экспериментально. Их величина для приработанных кругов на 9 + 26 % больше, чем в начальный момент квазистабилизации процесса, когда прекращается интенсивный износ, вызванный правкой. Коэффициенты а и /3 определялись экспериментально. Условия чистовой обработки не оказывают существенного влияния на коэффициент а . Это подтверждается некоторыми исследователями, считающими его постоянным для каждой пары, когда условия трения не наменяют механизма изнашивания. Условия, приводящие к смене механизма износа зерен, также приводят к резкому изменению ¡3. При чистовом шлифовании нешироких пластин ¡5 колеблется от -0,22 до +0,35, тогда как при трении по диску его величина изменялась от +0,06 до +0,40. То есть, прослеживается тенденция, когда термощшшрование и ударные нагрузки менее неблагоприятны для износа, чем накопление температуры в зерне. На алмазных зернах это сказывается в большей степени, на эльборовых - весьма незначительно. Д ля алмаза величина коэффициента ¡5, близкая к нулю, при масляной СОЖ и небольших скоростях шлифования способствует быстрой приработке крута и меньшему искажению макропрофиля.

Для условий многоуровневого износа круга, работающего торцом, расчет оптимальной формы по формулам (6) и (7) затруднен из-за сложности при определении модифицированной вязкости - т]иод и коэффициента,

учитывающего несоответствие среды Фойхта - Кшл. При этом величину К ит можно определить лишь экспериментально. Исходя из сказанного, наиболее целесообразно вначале определить величину f^, которую необходимо рассматривать как обобщенное время запаздывания деформаций среды Фойхта с учетом погрешности этой модели. Прирабатывая круг с продольной подачей S„p до установившейся формы и замеряя усилия резания, определяем feH. Замеряя координаты х и у на форме круга, определяем tшл . Затем, пользуясь методикой, основанной на непрерывном вдавливании ин-дентора, определяли время запаздывания среды Фойхта - 1ф при скорости деформации ё = 107 с-1, что дает возможность при известной величине Емод рассчитать rjMod и К1"*. Обобщение полученных результатов позволило накопить информацию о свойствах поверхностных слоев абразивных кругов, что дает возможность оптимизировать их форму.

При многоуровневом износе круга, работающего периферией, возникает необходимость в аппроксимации его контура. Образующая круга аппроксимируется эллипсом, гиперболой, параболой и другими кривыми. Например, эллипс с полуосями аэ = b3yjB0f(b3-tA) и Ьэ = (Гд -В0 ~t\)!(B0 -2/д) при S = 2Ве обеспечит форму, близкую к форме равного износа, которая исключает первоначальный скол кромки круга под утлом 45 °.

Расчет оптимальных форм шлифовальных кругов. При одноуровневом износе кругов максимальная разница в износе по различным сечениям не превышает максимальной глубины врезания зерен в обрабатываемую заготовку - § . При работе торцам максимальный износ - Umax возникает вблизи наружной кромки. На уровне наиболее выступающей точки, как правило, срединной части круга, износ минимален - f/)nin . Следовательно, ^max ~итт = $ . При ЭТОМ, t/max = ^тах Umin = Zmin ,

где jmax и Xaim' предельные относительные износы; f/t - износ внутренней кромки, относительно которой по формуле (4) рассчитываются величины zip) ■ Фактический износ крута в произвольной точке с координатой р, имеющей относительный износ zip), равен

U{p) = zip)-= zip)■ -Хит)-

При работе периферией минимальный износ - Um-m в среднем сечении круга, максимальный - i/max - по краям. В формуле (5) износ произвольного сечения отнесен к среднему. В этой связи фактический износ круга в произвольной точке с осевой координатой рн, имеющей относительный износ Z(Ph),Равен

U{pH) = UBtn-z(pH) = 8-z(pH)/(Xm3x-l)>

где zmах " относительный максимальный износ круга.

При многоуровневой износе кругов, работающих торцом, расчет форм производился по формулам (7).

Предельные значения расчетных параметров для исследованных кругов

приведены в таблице.

Параметры для расчета формы круга

Круги fen Ё'мод ' ГПа Лф мод ' ГПа- с киш

Алмазные на связке:

металлической 0,35 -0,62 120 -141 12,7 ч-15,6 8 -14

керамической 0,31 -0,58 72 -78 15,8 +18,0 6,8 -7,3

органической 0,17-0,45 27 -29 5,8 -6,6 6,8 -3,1

Эльборовые на связке:

металлической 0,38 -0,68 118 -145 8,7 -16,5 7,7 -9,4

керамической 0,40 -0,70 65 -69 12,4 -14,6 4,4 -5,0

органической 0,38 -0,58 19 ч-24 3,4 -5,0 3,6 -4,4

Корундовые и карбидные на связке:

керамической 0,21 -0,39 42 -56 10,6 -16,2 5,4 -7,1

органической 0,12-5-0,42 17 -20 3,8 -6,2 6,0 -11,2

При многоуровневом износе кругов, работающих периферией, выявлена целесообразность аппроксимации гиперболой, которая обеспечивает рав-ноизносный контур в срединной части круга. Дополнительная фаска под углом 45 ° к кромкам круга повышает точность аппроксимации.

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЙ ПО ПОДДЕРЖАНИЮ ФОРМЫ ЕСТЕСТВЕННОГО ИЗНОСА КРУГОВ

Поддержание оптимальной формы круга, а также ее первоначальное обеспечение возможно практически с помощью всех известных методов правки. Однако наиболее практичными являются методы обкатки, шлифования и электрохимической правки, когда рабочий круг и правящий элемент способствуют взаимному сохранению своих форм. В работе значительное внимание уделялось методу обкатки, на основе которого разработано несколько новых технологий правки и очистки кругов. В том числе отработаны методы непрерывной правки и очистки безалмазными кругами. Разработана методика по определению зон неустойчивого обкатывания и выхода из нее, для чего введено понятие приведенного радиуса правящего ролика, зависящего от коэффициента проскальзывания. Для непрерывной правки и очистки применен пневмопривод А30/100, позволяющий при малом диаметре правящего ролика обеспечить скорость относительного проскальзывания с рабочим кругом близкую к нулю, что способствует резкому уменьшению износа ролика и круга. В режиме очистки безалмазными кругами износ рабочего круга может быть уменьшен до 0,005 + 0,001 мкм на оборот. В режи-

ме очистки возможно возникновение на рабочем круге волнистости. Для определения ее предельных характеристик аналитически исследованы условия взаимодействия правящею и рабочего кругов при волнистой поверхности последнего. Получено не толы® более точное решение для расчета предельных скоростей круга и амплитуды волны, но и описаны траектории падения правящего ролика (круга) при мгновенном отрыве его от рабочего круга. Исследованы условия применения правящего ролика (круга) как динамического гасителя колебаний. Установлено, что антирезонанса можно добиться подбором массы ролика (круга) и коэффициента упругости контакта таким образом, чтобы частота свободных колебаний ролика совпадала с частотой гармонической силы. Аналитические исследования позволили выявить условия, при которых соответствующим подбором массы и жесткости системы правки, а также усилий прижатия можно уменьшить вибрацию и волнистость на рабочем круге и обработанной поверхности. Экспериментально установлено, что прецессия правящего круга, частота вращения которого достигает 1000 с1 и более, создает на рабочем круге высокочастотную, благоприятную для процесса шлифования, гармонику волнистости. Доказано преимущество непрерывной очистки кругами из обычных абразивов. Даны рекомендации по их выбору.

Для электрохимического шлифования отработана методика правки и оптимизации форм рабочего круга и правящего электрода на принципах их взаимной прирабатываемосга.

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ПРОЦЕССОВ ШЛИФОВАНИЯ

С УЧЕТОМ ЕСТЕСТВЕННОЙ ПРИРАБАТЫВАЕМО СТИ КРУГОВ И ОПТИМИЗАЦИИ ИХ ФОРМЫ. ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ

При работе торцом, применяя для чистового шлифования и доводки круги оптимальной формы, и, используя для восстановления их режущей способности профильную чистку, удается резко повысить эффективность процесса и в 1,5 -ь 1,8 раза уменьшить расход инструмента. Практически полное отсутствие приработки, сокращение времени на правку, экономия времени, возникающая за счет стабилизации процесса, позволяют в 1,4 -г 2,3 раза повысить производительность труда, повысить качество и стабильность свойств обработанных поверхностей, уменьшить брак. При глубинном шлифовании и заточке отработана технология, исключающая зарезы на заготовке и осыпание кромок кругов; отработана технология приработки кругов, усовершенствованы методы правки, что позволяет в 1.2 1,5 раза повысить производительность труда ив 1,1-1,5 раза уменьшить расход инструмента. При обдирочном шлифовании, управляя формой круга, повышена производительность труда, уменьшена глубина дефектного слоя.

При работе периферией разработка мероприятий, учитывающих при-рабатываемость кругов, позволяет существенно повысить их стойкость и стабильность процесса. Например, при чистовом и получистовом шлифовании плоских и цилиндрических поверхностей изменение цикла обработки позволяет на 5 +15 % увеличить производительность труда, на 10 + 40 % увеличить стойкость инструмента. Аппроксимация контура круга с учетом естественной прирабатываемости повышает его стойкость при чистовом и получистовом шлифовании на 5 + 20 %, а при черновом - до 2 и более раз. Значительный эффект обеспечивает внедрение разработанной автором методики по управлению точностью обработки и перебегом круга при круглом шлифовании.

В работе установлена неоднозначная связь между естественной прираба-тываемостью и качеством обработанной поверхности. Выявленные закономерности объяснены и не расходятся с общепринятыми представлениями. Исключение составляет вопрос о формировании остаточных напряжений. Шлифуя различно ориентированные по отношению к вектору скорости резания образцы кругами после правки, после приработки, при глубинном и маятниковом шлифовании, получаем результаты, объяснить которые имеющимися представлениями о механизмах формирования остаточных напряжений не представляется возможным. В частности, не находит убедительного объяснения факт формирования растягивающих напряжений. Мы объяснили его направленностью деформаций частиц подповерхностного слоя под воздействием напряженного поля сливной стружки. Одним из возможных аргументов против является утверждение о том, что вследствие больших отрицательных передних углов абразивных зерен угол наклона условной плоскости сдвига мал и силовое поле сходящей сливной стружки не способно существенно развернуть деформированный элемент материала, большая ось которого имеет направление, близкое к текстуре стружки у передней поверхности зерна. Чтобы рассеять высказанное сомнение, нами проанализирована схема стружкообразования при больших отрицательных передних углах резания с целью определения фактического угла сдвига в зоне действия напряженного поля сливной стружки. Рассматривая скорость резания как скорость переносного движения, а скорость стружки по передней поверхности - как скорость относительного движения, движение стружки может быть представлено как абсолютное движение. Абсолютное движение является сложным движением, но любое сложное движение может быть представлено как мгновенное вращение относительно некоторого мгновенного центра вращения. Используя высказанные предпосылки, определялись мгновенный центр вращения стружки и фактический угол сдвига в зоне действия напряженного поля сливной стружки. Величина этого угла существенно больше теоретического, определяемого без учета криволинейносга поверхности сдвига.

Наличие значительного фактического угла сдвига способствует большему повороту деформированного элемента материала под действием напряженного поля стружки. Ориентировочные расчеты показывают, что при маятниковом шлифовании кругом сразу после правки деформированные элементы материала будут развернуты на угол больший 45 °, так как угол между направлением текстуры стружки и вектором скорости резания составит

-Л. 00' гЬгУ»Л\4Г.ГГИ ГСТ ТЛОГТСГГ'ТХТэОТ/ЛТТТГ.ГО ГГО ГТГЛ яч/ои п гт ТТпг/ гт Лииили к

^ I ^ ^ • »/V/ ^ 2 V /д 1У11 ЩЩ|| 'II них 11Ш. Л. Х^/11 X <!

шлифовании, в силу специфики процесса, напряженное поле сливной стружки не оказывает решающего влияния на деформацию элемента материала, поэтому силовое поле формирует напряжения сжатия. Приработанные круги также склонны к формированию сжимающих напряжений при отсутствии на них засалки. Таким образом доказана правомерность и общность теории формирования остаточных напряжений, разработанной Б.А. Кравченко.-

Результаты исследований внедрены на Чебоксарском заводе промышленных тракторов, Самарском агрегатном заводе, Самарском заводе КВОиТ, Самарском заводе «Строммашина», в «Горьковском производственном регионе», Сасовском станкостроительном заводе, Павлодарском тракторном заводе и на других предприятиях.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

Предложены и исследованы новые положения и концепции по вопросам естественного формообразования шлифовальных кругов при работе, базирующиеся на синсрготических принципах приспосабливаемости, которые явились научной основой для повышения показателей процессов шлифования и, в первую очередь, повышения эффективности использования инструмента.

Научные и практические результаты выполненной работы состоят в следующем:

1. Теоретически определены оптимальные формы кругов, работающих торцом и периферией при одно- и многоуровневом их износе. В основу расчетных схем заложено: при одноуровневом износе кругов - принцип естественной одноуровневой прирабатываемости абразивных зерен; при многоуровневом износе - синергетические принципы износа тел, для чего использованы основные принципы термодинамики необратимых процессов и вариационные принципы механики. За параметры оптимизации приняты: при одноуровневом износе кругов - равенство усилий, приходящихся на каждое зерно в продольном сечении круга; при многоуровневом износе кругов, работающих торцом - минимум продольной силы (Р.), работающих периферией - равенство усилий, приходящихся на зерна, при условии снятия ими стружек одинаковой толщины.

2. Разработанная методика для аналитического исследования деформа-

ций б технологической системе при работе торцом круга позволила объяснить условия формообразования кругов при невысокой жесткости системы и причины образования зарезов при затачивании инструмента.

3. Исследовано влияние ударных нагрузок на форму кругов. Получена расчетная формула для определения критической скорости врезания изделия в шлифовальный круг, превышение шторой вызовет осыпание или смятие кромки круга. Определено соотношение прочностных свойств инструментальных материалов при ударе.

4. Аналитически определена длительность приработки кругов, работающих торцом.

5. Исследованы условия естественной прирабатываемости шлифовальных кругов. Для чего исследованы механизмы износа абразивных зерен. Расчеты методом конечных элементов показали, что термоупругие напряжения способны образовывать на зернах микротрещины. Анализ протекания физико-химических контактных взаимодействий, диаграмм Пурбе, исследование контактных поверхностей показывают, что процесс шлифования необходимо рассматривать как термодинамическую систему, стремящуюся к стабильности, то есть к минимуму энтропии. Внутри этой системы действуют подсистемы, в которых происходят процессы, энергетически выгодные для их конкретных условий, а не для всей системы в целом. Исследованы условия прохождения энергетически выгодных физико-химических процессов, что позволяет управлять ими. Исследования показывают, что износ зерен носит комбинированный характер. Исследовано влияние колебательных процессов на износ кругов. Установлено, что при шлифовании имеет место нестационарная колебательная система, которая постоянно стремится к стационарности. Найдена взаимосвязь геометрических характеристик крута с колебательными процессами.

6. Предложена комплексная модель изнашивания и ограничения стойкости кругов с учетом их способности к истиранию, хрупкому разрушению, засалке, поддержанию требуемых формы и волнистости. Одним из условий сохранения квазиустойчивой формы шлифовального круга является превалирование химико-абразивного износа абразивных зерен над другими более интенсивными видами износа.

7. Установлено, что при одноуровневом износе быстрее прирабатываются круги, у которых при одинаковой нагрузке на зерно большая плотность расположения абразивных зерен на контакной поверхности и большие площадки износа на них. При работе торцом круга решающее влияние на скорость прирабатываемости может оказывать зависимость интенсивности износа зерен от скорости скольжения.

8. Установлено, что при многоуровневом износе круга, работающего торцом, форма естественного износа описывается параболой, вид которой

определяется свойствами среды Фойхта и коэффициентом, учитывающим шшяние среды Максвелла. При работе периферией - обеспечивается снятием материала с равной толщиной среза единичными зернами в срединных сечениях круга и кромочным износом, а также такой величиной поперечной подачи, которая равна удвоенной высоте вспомогательной части круга.

9. Выявлены условия рационального использования различных методов правки и очистки, позволяющих поддерживать оптимальный микропрофиль на кругах, имеющих форму естественного износа. Получены аналитические зависимости, позволяющие управлять динамической системой рабочий круг - правящий круг при наличии волнистости на рабочем круге. Выявлены условия, когда правящий крут выполняет роль динамического гасителя колебаний. Определены величины предельных амплитуд волнистостей рабочего круга. Установлена целесообразность использования правящих кругов малого диаметра и небольшой массы.

10. Используя целевую функцию, учитывающую направление векторов эффективности по времени, определены зависимости для расчета оптимального диапазона износа круга, работающего периферией.

11. Получены аналитические зависимости по управлению перебегом круга при его непрерывном контакте с заготовкой при круглом шлифовании.

12. Исследования кинематики резания и корней стружек позволили уточнить механизм формирования остаточных напряжений при шлифовании, что дает возможность объяснить формирование растягивающих тангенциальных напряжений при работе по сталям неприработанными кругами.

13. Разработаны методики оптимизации форм шлифовальных кругов, что позволяет обеспечить стабильность процесса, формирование заданных параметров качества поверхностного слоя деталей.

14. Внедрение результатов работы в производство обеспечило повышение надежности технологических процессов, уменьшило количество брака, повысило производительность процессов и качество деталей, существенно уменьшило расход инструмента. Результаты исследований внедрены наряде предприятий с экономическим эффектом свыше 2,4 миллиона рублей в ценах до 1991 года.

Совокупность выполненных теоретических исследований, получивших экспериментальное подтверждение и внедренных в производство, можно квалифицировать как значительное достижение в развитии аналитического описания процессов шлифования, имеющего важное научное и практическое значение для машиностроения.

Основные положения и результаты отражены в публикациях:

.1. Салов П.М. Новый способ глубинного плоского шлифования /Чуваш, гос. ун-т. - Чебоксары, 1993. -Деп. в ВИНИТИ26.08.93, № 2346 - В93.

2. Салов П.М. Глубинное плоское шлифование периферией круга / Чу-

ваш. гос. ун-т. - Чебоксары, 1995. - Деп. в ВИНИТИ 09.06.95, № 1706 - В95.

3. Салов П.М. Способ испытаний абразивных зерен на износоустойчивость / Чуваш, гос. ун-т. - Чебоксары, 1993. - Деп. в ВИНИТИ 26.08.93, № 2345-В93.

4. Салов П.М. Непрерывная правка кругов при шлифовании / Чуваш, гос. ун-т. - Чебоксары, 1993. - Деп. в ВИНИТИ 26.08.93, № 2344 - В93.

5. Кравченко Б.А., Салов П.М., Галанин А.В. Кинематика и динамика процесса при непрерывной правке шлифовальных кругов /Чуваш, гос. ун-т. - Чебоксары, 1996. - Деп. в ВИНИТИ 22.01.97, № 176 - В 97.

6. Кравченко Б.А., Иванов Ю.И., Салов П.М. Эффективность внутреннего шлифования высокопрочных сталей кругами из эльбора // Абразивы. -1974.-№ 1.-С. 16-19.

7. Иванов Ю.И., Таций И.К., Салов П.М. Производительность и точность при шлифовании отверстий кругами из эльбора // Станки и инструмент. -1972.-№ 6.-С. 11-13.

8. Иванов Ю.И., Николаев Л.В., Салов П.М. Измерение температуры при наружном и внутреннем шлифовании //Измерительная техника. - 1973. - № 6.-С. 74-75.

9. Иванов Ю.И., Салов П.М. Эффективность эльборового шлифования труднообрабатываемых сталей // Вестник машиностроения. -1974. - № 11. -С. 65-67.

10. Иванов Ю.И., Салов П.М., Бородина Г.Р. Работоспособность эльборо-вых кругов при разных методах правки // Синтетические алмазы. - Киев: АН УССР, 1975. - Вып. 2. - С. 44-48.

11. Иванов Ю.И., Салов П.М. Исследование контактной температуры при эльборовом шлифовании // Алмазы и сверхтвердые материалы. - 1975. - № 10.-С. 11-15.

12. Салов П.М., Иванов Ю.И., Кравченко Б.А. Определение суммарной площади тепловыделения при шлифовании // Теория трения, смазки и обрабатываемости металлов. - Чебоксары: Изд-во Чуваш, ун-та, 1980. - С. 35-43.

13. Синяев Г.М., Салов П.М. Тепловой баланс при получистовом круглом шлифовании // Теория трения, смазки и обрабатываемости металлов. - Чебоксары: Чуваш, гос. ун-т, 1980. - С. 44-47.

14. Салов П.М., Синяев Г.М. Определение аналитической импульсной температуры при внутреннем шлифовании / Чуваш, гос. ун-т. - Чебоксары, 1981. - Деп. в ВНИИТЭМР. ДР № 10-81. -1981. - № 6. - С. 102.

15. Салов П.М., Качевский Д.Н., Шеркунов Б.Ф. Расчет вероятности появления критических импульсных температур шлифования // Теория трения, смазки и обрабатываемости металлов. - Чебоксары: Чуваш, гос. ун-т, 1983.-С. 30-34.

16. Салов П.М., НовиковаН.Б., ФомичевИА. Безалмазная правка эльбо-

ровых кругов // Теория трения, смазки и обрабатываемости металлов. - Чебоксары, 1981. - С. 87-92.

17. Матвеев С.Н., Сапов П.М. Механика стружкообразования при резании/Чуваш. гос. ун-т.-Чебоксары, 1996. -Деп. в ВИНИТИ 22.01.97., № 175 -В97.

18. Кравченко Б.А., Салов П.М. Формирование остаточных напряжений при эльборовом шлифовании /У Теория трения, смазки и обрабатываемости металлов. - Чебоксары: Чуваш, гос. ун-т, 1981. - С. 76-81.

19. Салов П.М., Качевский Д.Н. Износ поверхности абразивных кругов / Чуваш, гос. ун-т. - Чебоксары, 1990. - Деп. в ВНИИТЭМР 20.08.90, № 170 -МШ90.

20. Салов П.М., Новикова Н.Б. Внутреннее круглое шлифование эльбо-ровыми и алмазными кругами / Чуваш, гос. ун-т. Деп. в ВИНИТИ. ДНР № 55 МШ90. - 1990. -№ 6. - С. 106.

21. Салов П.М., Алексеев Н.М. Профильное глубинное шлифование твердых сплавов / Чуваш, гос. ун-т. - Чебоксары, 1990. - Деп. в ВНИИТЭМР 20.08.90, № 171-МШ90.

22. Определение относительной абразивной способности шлифовальных кругов / П.М. Салов, И.Л. Тихонов, Б.Ф. Шеркунов, Н.Б. Новикова; Чуваш, гос. ун-т. - Чебоксары, 1990. - Деп. в ВИНИТИ. ДНР. 1990. - С. 102.

23. Салов П.М., Качевский Д.Н. Оптимальное использование абразивных кругов при глубинном плоском шлифовании / Чуваш, гос. ун-т. - Чебоксары, 1995. Деп. в ВИНИТИ 09.06.95, № 1709 В95.

24. Салов П.М., Шеркунов Б.Ф., Воронцов Ю.И. Методика экспериментального определения длины дуги контакта при шлифовании / Чуваш, гос. ун-т. -Чебоксары, 1988. - Деп. в ВНИИТЭМР. ДНР № 9/203. - 1988. - С. 129.

25. Кравченко Б.А., Салов П.М. Формирование поверхностного слоя при внутреннем эльборовом шлифовании // Методы чистовой обработки деталей машин. - Киев: РДЭНТП, 1975. С. 4.

26. Салов П.М., Воронцов Ю.И., Качевский Д.Н. Определение длины дуги контакта шлифовального круга с заготовкой и длины единичного среза / Чуваш, гос. ун-т. - Чебоксары, 1988. - Деп. в ВНИИТЭМР 25.01.88, № 22 МШ88.

27. Салов П.М., НовиковаН.Б., Качевский Д.Н. Расчет нецилиндричнос-ти абразивных кругов при правке методом обкатки / Чуваш, гос. ун-т. - Чебоксары, 1990. Деп. в ВНИИТЭМР ВИНИТИ. ДНР № 8. -1990, №77 - МШ90. -С. 96.

28. Салов П.М., Иванов Ю.И. Анализ тепловых явлений при внутреннем эльборовом шлифовании // Обработка высокопрочных сталей и сплавов инструментами из сверхтвердых материалов. -Куйбышев: КуАИ, 1980. - С. 5860.

29. A.c. 1456299 СССР, МКИ3 В 24 В 1/00. Способ определения длины дуги контакта при шлифовании /П.М. Салов, Б.Ф. Шеркунов, В.М. Трофимов и др. (СССР). -№ 4093994/31-08; Заявлено 18.07.86; Опубл. 07.02.89, Бюл. № 5.

30. A.c. 921679 СССР, МКИ3 В23 В 1/00. // В 23 В 29/18. Способ получения корня стружки / П.М. Салов, А.И. Никитин (СССР). - № 2864911/25-08; Заявлено 04.01.80; Опубл. 23.04.82, Бюл. № 15.

31. A.c. 1009607 СССР, МКИ3В 22 F 3/24 //В 22 F 3/00НС 22 С 29/00. Способ обработки твердосплавных металлокерамических изделий / А.И. Никитин, Н.Д. Новиков, П.М. Салов и др. (СССР). - № 3336321/22-02; Заявлено 15.09.81; Опубл. 07.04.83, Бюл. № 13.

САЛО В ПЕТР МИХАЙЛОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЗАТОЧКИ, КРУГЛОГО И ПЛОСКОГО ШЛИФОВАНИЯ С ПРОДОЛЬНОЙ ПОДАЧЕЙ

Автореферат

Подписано в печать 23.10.98 г. Формат 60x84 1/16. Бумага писчая. Печать офсетная.

ЛЛ-п ПЙ1Г тт 1 ЯА Л/ЕГ Г.-ОГТ 7Г О Л - '- - . .. . •' . ...... , ^ .

Тираж 100 экз. Заказ 55. Бесплатно

Отпечатано в ИПО СГАУ 443001 Самара, ул. Молодогвардейская, 151.

ей- с>3. 2>9-Ol<fo/oir

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ЧУВАШСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

tía правах рукописи

М99-фз9-б

Салов Петр Михайлович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЗАТОЧКИ, КРУГЛОГО И ПЛОСКОГО ШЛИФОВАНИЯ С ПРОДОЛЬНОЙ ПОДАЧЕЙ

Специальности: 05.02.08 — Технология машиностроения

05.03.01 — Процессы механической и физико-технической

обработки, станки и инструмент

Диссертация

на соискание ученой степени доктора технических наук

31

i (решение от" AL " Í9s£fr., №/

присудил ученую степень

наук

ач&лышк управления ВАК России

Научный консультант — заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор Кравченко Б. А.

САМАРА 1998

Работа направлена на повышение показателей процессов шлифования путем оптимизации геометрии инструмента. Реализация поставленной цели осуществлялась на основании принципов естественной прирабатываемости в самоорганизующихся диссипативных структурах.

Теоретически определены оптимальные формы рабочих кругов при их одноуровневом и многоуровневом износе.

Исследованы условия приработки геометрических параметров инструмента во взаимосвязи механизмов износа на микро-, макроуровне и воздействия колебательных процессов. Для чего выполнен анализ тепловой ситуации при шлифовании, определены контактные и импульсные температуры. Дано объяснение механизмам приработки круга на основе синергетических принципов.

Исследованы условия по поддержанию оптимальных геометрических параметров инструмента за счет периодической и непрерывной правки и очистки. Проанализирована динамика процесса непрерывной правки и очистки кругов.

Исследовано влияние геометрических параметров кругов на показатели процесса шлифования. Разработана методика регулирования точностью обработанных поверхностей. Выполнены опытно -теоретические решения по формированию поверхностного слоя изделий с точки зрения остаточного напряженного состояния.

Даны рекомендации по оптимальному использованию шлифовальных кругов при высокопроизводительном и глубинном шлифовании, заточке и доводке изделий из инструментальных и труднообрабатываемых материалов.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ................................................................................ 8

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕОРИИ И ПРАКТИКИ ИЗНОСА И ПРИРАБАТЫВАЕМОСТИ АБРАЗИВНОГО ИНСТРУМЕНТА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ..........13

1.1. Механизм разрушения абразивных материалов.............14

1.2. Влияние микроконтактных физико-химических явлений при шлифовании на износ........................................................17

1.3. Образование волнистости на абразивных кругах...........26

1.4. Макроизнос и формообразование абразивных кругов

в продольном сечении.........................................................................3 8

1.4.1. Формообразование кругов, работающих периферией...........................................................................................................38

1.4.2. Формообразование кругов при торцовом плоском шлифовании и заточке инструментов..............................................46

1.5. Естественная прирабатываемость при шлифовании и ее связь с показателями процесса.....................................................55

1.5.1. Принципы естественной приспосабливаемости процесса шлифования.............................................................................5 5

1.5.2. Влияние прирабатываемости круга на показатели процесса шлифования..............................................................................5 8

Общие выводы по 1 главе........................................................63

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ...................................64

2. АНАЛИТИЧЕСКОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ ФОРМ ШЛИФОВАЛЬНЫХ КРУГОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРИНЦИПОВ ЕСТЕСТВЕННОЙ ПРИРАБАТЫВАЕМОСТИ...6 5

2.1. Определение установившейся формы круга при одноуровневом износе..............................................................................65

2.1.1. Плоское шлифование торцом круга..............................65

2.1.2. Шлифование периферией круга....................................82

2.2. Оптимизация формы круга при многоуровневом износе..........................................................................................................86

2.2.1. Плоское шлифование торцом круга.............................. 86

2.2.2. Шлифование периферией круга....................................105

2.3. Влияние деформаций и ударных нагрузок на приработку кругов при торцовом шлифовании и затачивании инструмента..........................................................................................................125

2.3.1. Влияние деформаций......................................................125

2.3.2. Влияние ударных нагрузок.............................................134

2.4. Определение длительности приработки кругов.............141

2.4Л. Определение длительности приработки кругов, работающих торцом.............................................................................141

2.4.1.1. Одноуровневый износ.................................................141

2.4.1.2. Многоуровневый износ...............................................145

2.4.2. Об условиях определения длительности приработки

кругов, работающих периферией....................................................146

Выводы по 2 главе.....................................................................148

3. ИССЛЕДОВАНИЕ УСЛОВИЙ ЕСТЕСТВЕННОЙ ПРИРАБАТЫВАЕМОСТИ ШЛИФОВАЛЬНЫХ КРУГОВ. КОМПЛЕКСНАЯ МОДЕЛЬ ИЗНАШИВАНИЯ.......................................149

3.1. Исследование механизмов износа абразивных зерен....150

3.1.1. Расчет термоупругих напряжений в абразивньж материалах методом конечных элементов...........................................150

3.1.2. Исследование износа абразивных зерен......................153

3.1.3. Исследование физико-химических явлений при микрорезании абразивными зернами....................................................167

3.1.4. Исследование условий взаимодействия в термодинамической системе: абразивный круг - обрабатываемый материал - среда.............................................................................................174

3.2. Влияние колебательных процессов на износ кругов.....182

3.2.1. Влияние вибраций на макроизнос кругов....................182

3.2.2. Анализ взаимосвязи геометрических характеристик круга с колебательными процессами..............................................190

3.3. Комплексная модель изнашивания и стойкость шлифовальных кругов..................................................................................194

Выводы по 3 главе.....................................................................200

4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ФОРМ ЕСТЕСТВЕННОЙ ПРИРАБА-ТЫВАЕМОСТИ ШЛИФОВАЛЬНЫХ КРУГОВ..........................201

4.1. Определение параметров процесса, необходимых для расчета форм естественного износа кругов...................................201

4Л .1. Исследование тепловых процессов...............................201

4.1.1.1. Расчет температур при плоском шлифовании торцом круга............................................................................................203

4.1.1.2. Исследование температур при шлифовании периферией круга.......................................................................................205

4.1.1.2.1. Определение теплового баланса при шлифовании... 205

4.1.1.2.2. Расчет температуры от быстродвижущегося источника тепла, равнораспределенного по некоторому углу на внутренней поверхности полого цилиндра, имеющего конечные размеры..............................................................................................216

4.1.1.2.3. Расчет импульсной температуры обрабатываемой поверхности от суммарного воздействия нескольких тепловых источников.........................................................................................220

4.1.2. Определение геометрических параметров контакта... 230

4.1.2.1. Обработка профилограмм микропрофилей абразивных кругов...........................................................................................230

4.1.2.2. Аналитическое определение длины дуги контакта шлифовального круга с заготовкой и длины единичного среза.. 235

4.1.2.3. Экспериментальное исследование мгновенной зоны контакта шлифовального круга с заготовкой.................................250

4.1.3. Определение параметров, необходимых для расчета форм абразивных кругов при их одноуровневом износе.............261

4.1.3.1. Работа периферией круга............................................261

4.1.3.2. Работа торцом круга....................................................264

4.1.4. Определение параметров, необходимых для расчета форм абразивных кругов при их многоуровневом износе...........269

4.1.4.1. Работа торцом круга....................................................269

4.1.4.2. Работа периферией круга............................................275

4.2. Расчет оптимальных форм и определение времени приработки шлифовальных кругов.....................................................279

4.2.1. Расчет оптимальных форм и времени приработки при одноуровневом износе кругов.............................................................279

4.2.1.1. Работа торцом круга....................................................2 81

4.2.1.2. Работа периферией круга............................................284

4.2.2. Определение оптимальных форм приработанных кругов при их многоуровневом износе................................................286

4.2.2.1. Расчет оптимальных форм при работе торцом круга..........................................................................................................286

4.2.2.2. Определение оптимальных форм при работе периферией круга......................................................................................288

Выводы по 4 главе.....................................................................291

5. ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЙ ПО ПОД ДЕРЖАНИЮ ФОРМ ЕСТЕСТВЕННОГО ИЗНОСА КРУГА.........................................................................................................292

5.1. Правка шлифовальных кругов. Эффективность процессов непрерывной правки и очистки кругов....................................292

5.1.1. Правка методом обката..................................................293

5.1.2. Использование пневмопривода для правящих кругов.. 301

5.2. Кинематика и динамика непрерывной очистки кругов.. 308

5.2.1. Движение материальной точки по круговой волнистой поверхности.................................................................................308

5.2.2. Условия применения правящего круга как динамического гасителя колебания..............................................................316

5.2.3. Определение собственной частоты колебаний правящего круга, критических амплитуд колебаний и скоростей волнистого рабочего круга при правке.................................................324

5.3. Определение относительного износа правящего абразивного инструмента.........................................................................328

5.4. Эффективность применения различных методов правки.. 333

5.4.1. Методика оценки качественных показателей правки..333

5.4.2. Качественные показатели непрерывной очистки и правки кругов......................................................................................338

Выводы по 5 главе.....................................................................342

6. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ПРОЦЕССОВ ШЛИФОВАНИЯ С УЧЕТОМ ЕСТЕСТВЕННОЙ ПРИРАБАТЫ-ВАЕМОСТИ КРУГОВ И ОПТИМИЗАЦИИ ИХ ФОРМ. ВНЕ-

ДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ...............................343

6.1. Проведение исследований и обработка результатов.....343

6.2. Повышение эффективности процесса шлифования торцом круга............................................................................................344

6.2.1. Чистовое шлифование.....................................................344

6.2.2. Глубинное шлифование и заточка инструмента..........346

6.2.3. Обдирочное шлифование...............................................357

6.3. Повышение эффективности процесса шлифования периферией круга..................................................................................360

6.3.1. Чистовое и получистовое шлифование........................360

6.3.2. Черновое и обдирочное шлифование...........................361

6.3.3. Определение оптимального диапазона износа круга, работающего с постоянной частотой вращения...........................371

6.4. Технологическое обеспечение точности и качества обработанной поверхности..................................................................378

6.4.1. Исследование и управление точностью обработанных деталей........................................................................................378

6.4.1.1. Определение величины перебега круга.....................378

6.4.1.2. Управление перебегом круга в период его приработки....................................................................................................388

6.4.2. Исследование и управление качеством обработанной поверхности.......................................................................................399

6.5. Исследование влияния естественной прирабатываемо-сти шлифовальных кругов на технологические остаточные напряжения............................................................................................404

6.6. Внедрение результатов исследований..............................422

Результаты и выводы по 6 главе...............................................427

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ......428

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.........................................................433

ПРИЛОЖЕНИЯ.........................................................................459

ВВЕДЕНИЕ

Одной из важных проблем современной металлообработки является создание оптимальных процессов, обеспечивающих высокую производительность и требуемое качество обработанных поверхностей. Необходимость ее решения обусловлена применением в промышленности новых труднообрабатываемых материалов и возрастающими конструктивными и технологическими требованиями к изделиям и отдельным деталям. Перспективным направлением в разрешении этой проблемы является интенсификация процессов абразивной обработки, достигаемая за счет увеличения режимов шлифования и внедрения процесса глубинного шлифования. Оба процесса характеризуются повышенной глубиной резания, значительной силовой и тепловой напряженностью.

Другими перспективными направлениями являются увеличение производительности доводочных операций и заточки инструмента.

Широкое внедрение в производство этих направлений сдерживается недостаточной изученностью. В первую очередь недостаточно изучены вопросы, касающиеся естественного формообразования шлифовальных кругов при работе.

Практически отсутствуют исследования, посвященные оптимизации форм шлифовальных кругов и взаимосвязь их с микроизносом и вибрационными характеристиками процесса. Отсутствуют исследования, направленные на поддержание оптимальных геометрических параметров кругов.

Целью данной работы является повышение показателей процессов шлифования путем оптимизации формы инструмента с использованием принципов естественной прирабатываемости.

В основу теоретических разработок по оптимизации износа шлифовальных кругов положены принципы самоорганизации процесса. В частности, синергетические принципы применены для оптимизации формы круга в направлении продольной подачи. Ключевыми предпо-

сылками выбраны вариационные формулировки феноменологических теорий. При этом принято, что в большинстве многофакторных физических явлений каждый фактор подчиняется вариационным принципам термодинамики необратимых процессов, а комплексное протекание всех процессов подчиняется принципам, основанным на понятии энтропии.

Правомерность выбранных предпосылок основана на значительных достижениях исследователей в области синергетики, которая становиться методологической основой решения многих актуальных проблем науки и техники. Исследованиями Г. Хакена, П. Гленсдорфа, Г. Николиса, И. Прижогина и некоторых других ученых были заложены основные принципы синергетики как науки о самоорганизации процессов. Установлено, что неравновесные состояния являются более высокоорганизованными, чем равновесные, так как в них движущей силой процесса является не минимум свободной энергии, как это характерно для равновесных процессов, а минимум производства энтропии [217].

Синергетика объединила различные науки, в том числе о живой и неживой природе, не только единой терминологией, но и одним математическим аппаратом. Введенный Г. Хакеном общий принцип подчинения, позволяет при исследовании сложных систем исключить большое число переменных и свести задачу к решению при небольшом числе переменных, "играющих роль параметров порядка". Исследования В.Л. Бердичевского, И. Дьярмати, И.Ф. Бахаревой, Г. Циглера, Т. По-стона, И. Стюарта и некоторых других доказали, что трибосистемы как раз и могут проявлять свойство самоорганизации. Поскольку трибоси-стема находиться на границе искусственного устройства и естественной системы, то при самоорганизации ограничения создаются самой природой. Доказано, что самоорганизация возникает из хаоса и начальные условия системы не играют никакой роли.

Большинство исследователей сопоставляют процессы резания с трибосистемами. Следовательно, правомерны попытки поиска удовлетворительных моделей взаимосвязи процессов резания и трения. Предпосылки для этого созданы как в области исследований трения и изно-

са, так и при резании.

Установленный А.Д. Макаровым закон постоянства температуры резания [120] позволил во многом переосмыслить весь процесс и в частности, явления, связанные с образованием нароста [105 и др.], выделяя роль самоорганизации процесса. Предложенная В.К. Старковым для комплексного анализа процесса резания единая физическая концепция -теория дислокаций [221, 222] позволила представить этот процесс на атомном уровне. Процессы трения и резания В.К. Старковым поставлены на единый научный фундамент.

Используя накопленный научный потенциал и метод подобия, С.С. Силин установил упрощенные зависимости между отдельными параметрами процесса резания лезвийным инструментом, которые по форме близки к зависимостям при трении [214 и др.]. Ю.Г. Кабалдин успешно применяет синергетические принципы для оптимизации процессов лезвийной обработки [69-71 и др.].

Исследования Б.И. Костецкого, Н.М. Михина, A.C. Проникова, Г. Данова, Л.И. Бершадского, М.В. Коровчинского, Л.А. Галина, И.Г. Горячевой, М.Н. Добычина, Н.В. Банчука, Л.С. Цеснека, В.В. Шульца и других, а также Д.Г. Евсеева, В.В. Ефимова, Б.И. Горбунова, Б.А. Кравченко, A.B. Королева, С.Н. Корчака, В.М. Оробинского, В.И. Островского, Ю.В. Полянского, А.Н. Резникова, А.Н. Сальни