автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Прогнозирование и обеспечение параметров шероховатости шлифованной поверхности на основе моделирования процессов правки круга и обработки

На правах рукописи

БИШУТИН Сергей Геннадьевич

Прогнозирование и обеспечение параметров шероховатости шлифованной поверхности на основе моделирования процессов правки круга и обработки

05.02.08-Технология машиностроения

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Брянск, 1998

Работа выполнена на кафедре „Стандартизация и сертификация" Брянского государственного технического университета.

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор, О. А. ГОРЛЕНКО

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор, В. Ф. БЕЗЪЯЗЫЧНЫЙ

кандидат технических наук, доцент, В. Ф. ЧИСТОВ

Ведущее предприятие: ОАО „Брянский Арсенал*

Защита состоится 1 декабря 1998 г. в 14-00 на заседании совета Д. 063.28.01 Брянского государственного техническое университета по адресу: 241035, г. Брянск, бульвар им. 50-ти летия Октября, 7, ауд. 220.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Брянского государственного технического университета.

Автореферат разослан 27 октября 1998 г.

доктор технических наук, профессор В. П. Тихомирое

Ученый секретарь совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Как известно, эксплуатационные показатели де-алей машин, определяющие во многом конкурентоспособность продукции машиностроения, зависят от состояния их рабочих поверхностей, формируемо-о, главным образом, на финишных операциях технологических процессов ме-:анической обработки. Наиболее распространенными финишными операциями [вляются разнообразные виды шлифования, позволяющие обеспечить высокие очность размеров и качество обрабатываемой поверхности. При этом обеспе-[ение заданных параметров шероховатости поверхности деталей в настоящее •ремя на практике осуществляется, как правило, путем подбора условий обработки, которые не всегда оказываются достаточно производительными и эко-юмичными. В этой связи безусловно важным является исследование при шли-зовании процессов формирования качества поверхности и решение задач тех-[ологического обеспечения его параметров на основе выявленных закономерностей.

В направлении теоретического решения данной проблемы российскими и арубежными учеными проделана большая работа. Однако целый ряд вопросов стается нерешенным. Недостаточно разработан теоретический анализ распо-ожения абразивных зерен на рабочей поверхности круга. Практически все ис-ледователи указывают на то, что распределение вершин зерен на поверхности бразивного инструмента зависит от его характеристик и условий правки, но икто этой связи в должной мере не обосновывает ни экспериментально, ни еоретически. Аналитические исследования в области изучения закономерно-тей формирования качества шлифуемых поверхностей выполнены, по сущест-у, только для высотных параметров шероховатости поверхности, да и то без чета ряда факторов, влияющих на формирование микронеровностей поверхио-ги. Практически нерешенным остается вопрос формирования параметров ше-оховатости поверхности в условиях вибраций технологической системы

:гшд.

В этой связи актуальным является необходимость дальнейшего развития горетических основ процесса формирования свойств поверхностного слоя и еровностей обрабатываемой поверхности.

Целью работы является разработка методологического подхода к выбору режи-ов шлифования и условий правки абразивного инструмента, обеспечивающие дос-шение при обработке заданных параметров шероховатости поверхности.

Объект исследования. Процесс формирования параметров шероховатое поверхности при абразивном шлифовании заготовок для деталей цилиндрическ и плоской формы, изготовляемых из углеродистых и легированных стал (45.40ХГНМ и др.)

Методология и методы исследований. Общей методологической основ работы является системный подход, заключающийся в структурном разбиен технологической системы шлифования на подсистемы, их моделировании и ] тановлении взаимосвязей между ними. Теоретические исследования прово/ лись на базе современных знаний о процессе шлифования металлов, теории N тематического моделирования, методов дифференциального и интегрально исчислений.

Экспериментальные исследования проводились на универсальных ии фовальных станках с использованием статистических методов планирование современной контрольно-измерительной аппаратуры. Параметры шерохова1 ста определялись на профилографе-профилометре мод. 170311, а микротв! дость обработанной поверхности - на микротвердомере ПМТ-ЗМ. Результаты экс: риментов обрабатывались методами математической статистики с применением ЭВ

Научная новизна работы заключается в разработке теоретических оси процесса формирования качества поверхности деталей машин при окончате.1 ном абразивном шлифовании, включающих:

1. Математическую модель формирования рабочей поверхности шлж] вального круга в процессе правки.

2. Теоретическое решение задачи определения высотных и шаговых 1 раметров профиля неровностей обработанной поверхности в зависимости числа, геометрических размеров и законов распределений по высоте и дду, профиля вершин абразивных зерен шлифовального круга.

3. Комплекс математических моделей процесса формирования парам ров шероховатости поверхности, учитывающих геометрические размеры кр; и заготовки, вид шлифования (круглое наружное и внутреннее, плоское), хар; теристики шлифовального круга, структуру технологической операции шлис вания, режимы обработки и правки круга, жесткость и вибрации систе: СПИД, упругие отжатая круга от заготовки, износ круга и пластическое отт нение металла поверхностного слоя заготовки абразивными зернами.

Практическую ценность работы составляют: методика расчета параметров роховатости обрабатываемой поверхности при заранее известных условиях ифования; методика прогнозирования профиля шероховатости обработанной »ерхности, по ординатам которого могут быть определены любые его харак-|истики; математические зависимости для режимов обработки, полученные основе их оптимизации из условия обеспечения заданных параметров каче-а поверхности и минимума времени обработки партии заготовок.

Работа выполнена в рамках гранта Министерства общего и профессио-ьного образования Российской Федерации по фундаментальным исследова-1М в области машиностроения "Теоретические основы оптимизации режимов санической обработки из условия обеспечения заданных показателей качест-поверхности, производительности и энергозатрат" (шифр 97-24-3, 2-20).

Реализация результатов работы :

Результаты выполненных исследований нашли применение на практике, заказу ОАО "Машины и запчасти" и ОАО Брянский автомобильный завод I участии автора выполнена научно-исследовательская работа по обеспечению ества деталей машин и технологической оснастки, позволившая получить значи-ьный экономический эффект.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы доклады-ись и обсуждались на 51-й студенческой конференции (Брянск, 1996г), Всероссийской молодежной научной конференции "XXII Гагаринские ния" (Москва, 1996 г), на 2-й Международной конференции носостойкость машин" (Брянск, 1996 г), на республиканской научно- техникой конференции (Могилев, 1996 г), на Международной молодежной науч-[ конференции "XXIII Гагаринские чтения" (Москва, 1997г), на заседании ка-(ры "Технология производства двигателей летательных аппаратов" МАТИ-ГУ (Москва, 1998г).

В полном объеме диссертация заслушана и одобрена на совместном засе-ии кафедр "Стандартизация и сертификация", "Технология машиностроения Автоматизированные технологические системы" Брянского государственно-ехнического университета.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 6 атных работ. Материалы диссертации вошли в отчет по научно-гседовательской работе "Разработка теоретических и методологических ос-

нов создания систем технологического обеспечения функциональных параме ров качества поверхностного слоя деталей" (научно-техническая продукция i госбюджетной НИР, Брянск, БГТУ, 1996 г).

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, пяти глав, закш чения, библиографического списка использованной литературы (108 наимен ваний) и приложений. Общий объем работы 172 страницы, в том числе Y. страниц машинописного текста, 41 рисунок и 25 таблиц.

На защиту выносятся:

1. Структура, этапы разработки и реализации комплекса теоретическ: исследований процесса формирования качества поверхностей деталей манн при абразивном шлифовании.

2. Модель процесса формирования рабочей поверхности шлифовального круга.

3. Методологический подход к аналитическому решению задачи про ni зирования и технологического обеспечения параметров шероховатости обраб тайной поверхности.

4. Комплекс математических моделей, связывающих параметры шерох ватости поверхности детали с основными факторами, характеризующими пр цесс шлифования.

5. Методики расчета параметров шероховатости поверхности для при! тых условий шлифования и определения режимов обработки, обеспечивают заданные параметры шероховатости при минимальной продолжительности с работки.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, поставлена ее цель, iioi зана ее научная новизна и практическая ценность. Описаны методология и л тоды исследований, отмечены положения, которые выносятся на защиту.

Первая глава посвящена критическому анализу современных представ; ний о процессе формирования качества поверхности при шлифовании на осно работ Лурье Г.Б., Островского В.И., Филимонова Л.Н., Якимова A.B., Сили С.С., Маслова E.H., Новоселова Ю.К., Королева A.B., Безъязычного В.Ф., Г линского В.И., Редько С.Г., Худобина Л.В., Ефимова В.В., Суслова А.Г., Кенг В., Накано Дж. и др. Установлено, что до настоящего времени еще не разра( тан подход к прогнозированию параметров шероховатости, одновремен учитывающий кинематические и динамические особенности конкретных ycj вий шлифования. Недостаточно разработана и теор

формирования параметров, характеризующих физико-

панические свойства поверхностного слоя. В этой связи затрудняется выбор режи-в обработки на стадии проектирования технологических операций шлифования.

В заключении главы сформулирована цель работы, для достижения кото-л необходимо решить следующие задачи: раскрыть механизм формирования вменения состояния рабочей поверхности шлифовального круга в процессах ) правки и эксплуатации; определить количество вершин абразивных час-(, влияющих на геометрию микронеровностей поверхности изделия; вы-ггь математические модели формирования параметров шероховатости по-шюсти, учитывающие основные технологические факторы процесса шлифо-шя, а также вибрации системы СПИД и износ абразивного инструмента; разрабо-ь инженерные методики расчета режимов шлифования по условию обеспечения анных параметров шероховатости поверхности для применения на практике.

Во второй главе описаны методики проведения теоретических и эксперимен-ъных исследований. Используемый в диссертации подход к моделированию эцесса формирования параметров шероховатости поверхности, основан на ¡смотрении системы взаимосвязей различных технологических факторов [С. 1). Процесс формирования неровностей поверхности при шлифовании :сматривается при этом из следующих соображений. Если известно число >шин зерен, формирующих микропрофиль поверхности, геометрические ха-ггеристики вершин этих зерен и их законы распределения по высоте и длине зфиля, то, совмещая контуры вершин зерен, можно получить очертания не-зностей обработанной поверхности. Влияние всех основных факторов абра-!Ной обработки на формирование шероховатости поверхности объясняется >ез изменение вышеуказанных параметров (см. рис.]).

В третьей главе рассматривается механизм образования рабочей поверх-:ти шлифовального круга в процессе правки. Важнейшими характеристиками рабочей поверхности являются общее число то и закон распределения Р(г) в \ по высоте вершин зерен. Рабочая поверхность круга состоит из зерен, не актировавших с правящим инструментом, а также из зерен, вершины кото-х претерпели частичное разрушение в процессе правки. Общее распределение :) будет складываться из функций расположения в рабочей поверхности вер-н абразивных зерен указанных типов

[,{тр/(тр+тн)+ тн^)/[0,7 3(т„+Шр)]}гГ1, 0<т.<1, Р(г)= ^ тДШр+Шн) + т„ад/[0,7 ^(шн+тр)], 3-с1нм; _ (1)

I Шр/(тр+тн) + т„г/[0,7 3(т„+ тр)] , с!-сЗнм<г<0,7 с!, ^г)=[0,5-0,5р"1(аА3/3+ЬА)]( 5-с1„.м+2)[0,21г/( скЗш,)+0,79],

Рис. 1 Система взаимосвязей различных факторов, характеризующих технологи1 скую операцию шлифования.

где г - глубина внедрения в рабочую поверхность круга [за начало отсчета пр нята точка О, принадлежащая поверхности, проведенной через вершины наиб лее выступающих зерен (рис.2)], мм; шр, ш„ - число абразивных частиц рабоч поверхности, вершины которых соответственно контактировали и не контакт ровали с правящим инструментом; с!нм, с1 - наименьший и средний размер зер

объеме круга, мм; N интервал разброса положений вершин зерен типа "тр" в абочей поверхности круга, зависящий от режима правки круга, мм; р, а, Ь, Б-оэффициенты, зависящие от зернистости круга;

А=( (М^-гуБ; Шр=то( 1 -К)( 1,51-0,5Т)/В; В=(1,51 -0,5Т)+

+о,5( сМн„)+о,7 &,_

тя=Шо-0,7 с!/В; С=0,5( d+dк);

Т=(1-С)/со5{аг^[51/(с}и+ 5-21)] }+С;

]=2-Р(с1и+ 3)/(тгс1и 5ст)+1с+уу,

здесь ] - среднее значение критиче-

Рис. 2 Схема круглого наружного шлифова- ской глубины взаимодействия зернил: 1 - шлифовальный круг; 2- заготовка

* на и правящего инструмента, при

достижении которой абразивное рно подвергается объемному разрушению или выпадает из связки, мм; с!и- диа-гтр вершины правящего инструмента, мм; Б„- продольная подача правящего ин-румента, мм/об; Р- сила удержания зерна связкой, Н; с - предел прочности ггериала зерна на сжатие, НУмм2; ,1с- вертикальные упругие перемещения рна в связке, мм; - размер микронеровностей поверхности зерна, мм; К -)ля неразрушенных зерен при их динамическом испытании центробежным медом (в долях единицы).

Для числа зерен то получено следующее уравнение:

то=2Ук(1ф+Г)°-5Ьбк2Н/[Уд1Л1и

2,. 2-,

(2)

е V*, Ул - соответственно скорость круга и заготовки, м/мин; 1ф- фактическая убина шлифования, мм; Ьб - величина базовой длины по ГОСТ2789-73, мм; расстояние между зернами в круге, мм; к2=1,155 - коэффициент, учитываю-ш принятую конфигурацию расположения центров зерен на поверхности кру; к(=0,89-0,91 - среднее значение коэффициента пропорциональности между личиной Ь и ее проекцией на рассматриваемую плоскость; Г=Ок - для плоско-шлифования периферией круга, мм; Г=ОкО;/(рк±Е>д)- для круглого наружного(+) !нугрешкго(-) шлифования, мм; Н - число контактов рассматриваемого участка по-

верхносли заготовки с кругом, шт. Сравнение зависимости (I) с результатами и< следований Королева A.B. и Новоселова Ю.К. , Попова С.А. и Соколовой JI.C показало, что ее можно применить для прогнозирования состояния рабочей ш верхности круга, погрешность при этом составляет от 7 до 15%.

Четвертая глава посвящена теоретическим и экспериментальным иссл< дованиям процесса формирования параметров качества поверхности при шл( фовании. Зона контакта EFFE круга и заготовки (см.рис.2) представляется а средоточием вершин абразивных зерен, способных контактировать с рассма' риваемым участком поверхности заготовки на последнем рабочем и последук щих выхаживающих ходах шлифовального круга. Под способными контактир* вать с обрабатываемым материалом подразумеваются лишь те вершины зере! глубина залегания в рабочей поверхности которых не превышает величины t Учитывая размеры зоны контакта и зависимость (1), количество вершин абр; зивных зерен выражается как функция величины z. Затем определяется велич! на zo, при которой относительная опорная длина профилей вершин зерен зон контакта равна 100%. Величина zo и будет равна максимальной высоте Rraas неровностей профиля, которая может быть определена по уравнению

D _п 111„ -0.22 -0,40, 0.S0

Rm;ixr=17,144po m t4, , (3)

где ро - радиус скругления вершины зерна, мкм; m - количество вершин зере рабочей поверхности круга в объеме зоны контакта, ш in=(inp+mH)F(t([i)qST/Sc; ST,SC - соответственно площадь торца зоны контакта площадь участка размерами t(i,xDKx2-ß (здесьр - в радианах); q - отношеи числа режущих вершин к общему числу зерен в рабочей поверхности.

В условиях непрерывного контакта круга с заготовкой вибрации систем СПИД, очевидно, влияют лишь на распределение по высоте профиля неровна стей вершин активных зерен. В качестве главного источника вибраций бь принят дисбаланс шлифовального круга. Полагалось, что гармонические кол бания круга и заготовки совпадают по фазе. Результатом исследований на да; ном этапе стали математические зависимости, связывающие процесс образов ния шероховатости поверхности и амплитуду хо колебаний шлифовального кр га относительно заготовки:

Rmax г =5,667po-ü'i2t,jmrV0-2V'44, 0<R,„M r<x0 ; (4)

1245po'°'54Rmax r"°'51=m( 1 -ОДхоЛфш)2)к'+0,5т(хоЛфт)\ x0<Rmax г<1фт, (5)

1е Ц,т- максимальная глубина внедрения круга в заготовку; К^гаах г2-Хо2)/ОфпЛхо2) ■

При моделировании процесса износа шлифовального круга рассматривал-I только режим его затупления. Режим самозатачивания не рассматривался, п< как он не характерен для чистовых режимов шлифования. На данном этапе ила установлена связь линейного износа круга ХДт) со средним значением ра-яуса р скругления вершин зерен, формирующих микронрофиль поверхности

Кр+р0)и(т)/(2-11„ш г^ро^иах г-Щт)]^,« г ,0<и(т)<Я„ш й

ри (6)

1(р+р0)/2, К„жг<и(т)<12,

1е р=ро+и(т)/[со5(Е/2)Л§(£/2)+51п(е/2>1], 0<т<Тк; и(т)= т\Ул/Тк ,т - время рауты шлифовального круга, мин; г - угол при вершине абразивного зерна, град; < - период стойкости круга, мин; \¥л - общий линейный износ круга за период ■о стойкости, мкм.

Рассмотрены также математические модели процесса формирования па-шетров шероховатости в условиях значительной разновысотности зерен, ха-исгерной для начального периода работы круга после правки,

Яшах=Я11а.хг-и(т) + г0 (7)

когда, вследствие износа, режущие зерна имеют одинаковый высотный уро-:нь на рабочей поверхности круга

Кг= р{1-со5[агс5т(0,5-8/ р)]}+г0, МЛхЖтах, (8)

1е Го - высота навалов, образующихся в процессе пластического оттеснения зталла абразивными зернами, Го—(8Ц8Н

[есь 8ц=7г р2агссо$( 1-а2/ р)/180- р(1-(1-аг/ р)2)°'5( р-а2), а2<Ьо; е„ - ко-зфициент навалов, равный отношению площади навалов материала к площади (рапины в поперечном ее сечении; а, - среднее значение

глубины внедрения зерна в обрабать

ваемый материал на последних конта!

тах рассматриваемого участка поверз

ности заготовки с кругом; е0 - угол н;

клона поверхности, прилегающей

шлифовочной царапине (рис.3); Ь0

глубина внедрения зерна в металл, пр

„ , „ которой начинается процесс микрор(

Рис.3 Схема к расчету высоты навалов г0: г г

1- вершина абразивного зерна; 2 - метал- зания.

лические навалы. Шаговые параметры шероховатости мог

быть определены по уравнениям :

8=Ьб/Пф; 1

Гк8Ьб/[(0,348-Ю,652-и(т)/Я1Пахг)пф], 0<и(т)<11,юхг; }■ (9)

Бт= \ I

1к5Ьб/пф, и(т)>11тах г, ]

где к3=1,5-1,7 - теоретический коэффициент, учитывающий неравномерное!

распределения впадин по длине профиля; Пф- число вершин зерен, формируя

щих профиль неровностей поверхности, для которого получено следующе

уравнение; пф=747ро"0'54Ктах г"'51 •

Отмечено, что, если в ходе обработки в поверхностных слоях заготовк

возникают структурные и фазовые изменения металла (прижоги), то прогноз!

рование параметров шероховатости поверхности затрудняется. На основе и<

следований А.В.Якимова были сформулированы требования по обеспечени!

бесприжогового шлифования. Иными словами, бесприжоговое шлифоваш-

рассматривалось как условие достоверности прогнозирования параметров ш<

роховатости поверхности.

Эмпирическая проверка вышеприведенных зависимостей проводилась г

основе серии экспериментов. В ходе эксперимента 24 варьировались: твердое!

образцов; глубина шлифования; подача стола станка; режим правки круга алм;

зом (табл.1). Опыты проводились на заготовках из стали 45 на круглошлиф*

вальном станке ЗЕ12 кругом ПП280х40х127 24А40С15К5 с охлаждением. В х< -12

де эксперимента 2 варьировались скорость вращения заготовки и режим пра] ки круга (табл.2). Результаты сопоставления теоретических и эксперименташ ных данных приведены в табл. 3. Серия экспериментов была проведена на

Таблица

План полного факторного эксперимента 2

Номер опыта Твердость образца, МПа Глубина шлифования, мкм Подача стола станка, . м/мин Режим правки круга

1 1750 6 0,35

2 4100 6 0,35

3 1750 20 0,35

4 4100 20 0,35 тонкий

5 1750 6 0,75

6 4100 6 0,75

7 1750 20 0,75

8 4100 20 0,75

9 1750 6 0,35

10 4100 6 0,35

11 1750 20 0,35

12 4100 20 0,35 средний

13 1750 6 0,75

14 4100 6 0,75

15 1750 20 0,75

16 4100 20 0,75

Гримечания. 1. Тонкий режим правки: скорость правящего инструмента 0,07 [/мин; глубина внедрения алмаза на каждом рабочем ходе 12 мкм; суммарный лой абразива, снятый за правку, 100-120 мкм. 2. Средний режим правки: ско-ость правящего инструмента 0,3 м/мин; глубина внедрения алмаза на каждом абочем ходе 35 мкм; суммарный слой абразива, снятый за правку, 140-180 мкм.

Таблица 2

_План полного факторного эксперимента 22 _

Номер опыта Скорость вращения заготовки Уд, м/мин Режим правки круга

17 17,3 средний

18 41,5

19 17,3 грубый

20 41,5

[римечания. 1. Средний режим правки: скорость правящего инструмента 0,25 /мин; глубина внедрения алмаза на каждом рабочем ходе 36 мкм; суммарный пой абразива, снятый за правку, 145-180 мкм. 2. Грубый режим правки: ско-ость правящего инструмента 1,6 м/мин; глубина внедрения алмаза на каждом ра-очем ходе 40 мкм; суммарный слой абразива, снятый за правку, 160-200 мкм.

Таблица 3

Экспериментальные и расчетные значения параметров качества поверхности

Номер Параметры качества поверхности, мкм

опыта Яа Кг Итах Ир Бт Б Н,Мпа

1 0,36+0,05 2,3+0,32 3,0+0.42 1,2+0,19 42.5+2,8 11,0+1,2 2940+200

0,40 2,20 2,80 1,25 42,0 9,4

2 0,35+0,03 1,97+0,16 2,58+0,56 1,0710,10 41,113,2 11,311.2 44681350

0,40 2,18 2,77 1,24 41,9 9,4

3 0,33+0,04 1,85+0,15 2,4040,15 1,0410,12 42Щ7 12,1+1.4 29141400

0,42 2,32 2,98 1,33 43,3 9,7

4 0,43+0,03 2,28+0,11 3,13+0,18 1,33+0,14 44,113,8 13,012,1 4461+180

0,42 2,32 2,96 1,33 43,2 9.7

5 0,47+0,05 2,50+0,17 3,4110,32 1,4810,18 41.6+4,2 12,611,5 26421200

0,52 2,85 3,63 1,63 48,0 10,8

6 0,44+0.03 2,27+0,10 3,12+0,26 1,3110,13 48,714,2 12,5+2,3 4405+450

0,51 2,82 3,59 1,61 47,9 10,8

7 0.4610.04 2,55±0,22 3,27+0.28 1.48+0,15 42,514,0 11,9+1,8 27901270

0,58 3,20 4,10 1,84 51,2 11,5

8 0,46+0,04 2,55+0,20 3,30+0.20 1.48+0,18 43,9+4,0 13,511,6 46901120

0,58 3,20 4,08 1,83 51,2 11.5

9 0,57±0,05 3,0+0,14 4,0310,40 1,8310,19 47,914,8 13,411,4 27061170

0,45 2,50 3,18 1,43 44,8 10,1

10 0,54±0,05 18810,11 3,59+0,20 1,62+0.17 46,514,7 13,111,4 44251260

0,45 2,47 3,14 1,41 44,7 10,1

11 0,5310,05 3,06+0,18 3,7110,30 1,6410,19 44,3+3,9 12,711,6 26191170

0,55 3,05 3,88 1,75 49,6 11,2

12 0,54+0,04 2,80+0,12 3,5510.17 1,50+0, Ю 47,114,7 13,211,3 4612+470

0,55 3,03 3,86 1,74 49,5 11,2

13 0,70+0,05 3,57+0,16 4.51+0,25 2,1710.17 46.215,0 13,311,3 26901280

0,60 3,28 4,17 1,87 51,6 11,6

14 0,61+0,03 3.35±0,21 4,50+0,31 2,2210.23 42,012,7 14,5+2,0 43501230

0,59 3,24 4,12 1,85 51,5 11,6

15 0,67+0,04 3,47+0,10 4,60+0,22 2,1410,20 44,612,8 14,5+1,9 26511180

0,73 4,03 5,12 2,30 57,4 12,9

16 0,66+0,05 3,32+0,14 4,50+0,30 2Л7Ю.24 47,215,0 14,811,5 4730+470

0,72 4,0 5,08 2,28 57,3 12,9

17 0,80+0,04 4,30+0,20 5,5310,22 27510.15 41,814,1 — —

0,73 4,0 5,06 2,35 53,2

18 0,82±0,04 4,35+0,24 5,6010,27 2,80Ю,19 420+3,2 — —

0,73 4,01 5,10 2,37 53,8

19 1,20+0.05 5,95+0,21 7,6410,30 3,5210,20 57,215,4 — —

0,88 4,81 6,12 2,83 60,0

20 1,17+0,04 5,95±0,27 7,72+6,15 3.6110,18 63.414,6 — —

0,88 4,85 6,15 2,85 60,4

Примечания. 1. В числителе приведены экспериментальные параметр

качества и их 95% доверительные интервалы, в знаменателе - расчетнь значения. 2. Н - микротвердость поверхности образца после шлифования.

оскошлифовальном станке ЗГ71, на котором обрабатывались образцы из ми 45 (НВ180-210) кругом ПП225х28х7б 92А25СМ17К1. В ходе эксперимен-в варьировалась поперечная подача (от I до 4 мм/ход) и число выхаживаний уга (от 0 до 3). Скорость поступательного движения заготовок, скорость вра-:ния круга и глубина шлифования были соответственно равны 12 м/мин, 31,5 ; и 20мкм. В табл. 4 приведены экспериментальные и расчетные значения па-метров шероховатости. Проверка математических моделей в условиях вибра-й системы СПИД и износа круга осуществлялась путем сопоставления расчет-¡х значений с экспериментальными данными, полученными Пилинским В.И. и Ни-таевым C.B., Маталиным АА и Рысцовой B.C. (рис.4,5).

Рассмотрена инженерная методика построения профиля неровностей шфованной поверхности, по ординатам которого представляется возможным ределять любые характеристики шероховатости поверхности.

В пятой главе рассмотрены внедрение и перспективы применения резуль-гов исследований на практике.

Рассмотрена инженерная методика оптимизации режимов шлифования зодольной и поперечной подач) из условия обеспечения заданного высотного раметра шероховатости поверхности и минимальной длительности обработки ртии заготовок с учетом износа круга. При этом скорость вращения заготовки ределялась из условия обеспечения требуемой величины упругих отжатий уга от заготовки.

Приведена инженерная методика расчета режимов шлифования, обеспе-вающих заданные значения параметров качества поверхности для принятых повий обработки.

Экономическая эффективность результатов исследований оценивалась путем доставления затрат на проведение в заводских условиях полного факторного ;перименга типа 22 по обработке пробных заготовок, целью которого является гановление режимов шлифования, обеспечивающих заданные параметры шеро-ватости поверхности, и затрат на определение тех же режимов с помощью раз-эотанных методик. Показано, что для рассмотренных условий механической работки экономия по затратам составила более чем в 2 порядка, при повыше-и производительности труда примерно в 4 раза.

Таблица 4

Параметры шероховатости, полученные при плоском шлифовании заготовок

Число выхаживаний круга Поперечная подача мм/ход Параметр шероховатости, мкм

Яа Яг Итах

0 1 0,1910,02/0,24 1,2610,04/1,22 1,61+0,06/1,71 4114,5/31

2 0,24±0,01/0,31 1,47+0,08/1,55 1,8410,06/2,18 4111,5/36

3 0,27±0,03/0,35 1,4710,06/1,78 1,9710,19/2,50 45+2,0/39

4 0,35+0,02/0,40 1,6710,05/2,0 2,2610,10/2,85 47,513,0/4

3 1 0,16+0,02/0,15 1,12+0,05/0,80 1,4110,05/1,05 3911,5/25

2 0,17+0,04/0,18 1,1110,04/0,93 1,42+0,10/1,30 4011,5/28

3 0,20+0,01/0,22 1,2510,03/1,10 1,55+0,06/1,53 4212,0/30

4 0,2б±0,01/0,24 1,4810,10/1,22 1,87+0,07/1,71 43+1,5/31

См. примечания к табл.3.

а)

б)

1«,

№ 0.55 015

и

хД 2

\ч 1__-Х---:

£ И, »г— II!

1.15

(.« 1.25 1.05 Ш 0.55 545

\\

\\

\

И,ит

0.61

1

г

150

31»

В.гск-

Рис. 4 Зависимости изменения параметра шероховатости поверхности от числа N щ шлифованных заготовок при продольн подаче 0,3 м/мин (а) и ¡,0 м/мин (б): 1- расч ные данные; 2- экспериментальные данные.

Рис. 5 Зависимости параметра На шерохова ста поверхности от дисбаланса Б шлифова нош круга: 1- экспериментальные данные; расчетные значения.

а

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1 На основе теоретических и экспериментальных исследований решены гхнологические задачи по прогнозированию и обеспечению заданных пара-етров шероховатости поверхности на основе моделирования процесса абра-1ВНОГО шлифования.

2. Предложен общий методологический подход к решению проблемы горетического прогнозирования параметров шероховатости шлифуемой по-грхностн, базирующийся на положении о том, что влияние практически всех сновных факторов абразивной обработки на формирование качества поверхно-ги может быть объяснено через изменение либо числа вершин зерен, форми-ующих микропрофиль поверхности, либо геометрических характеристик вер-мн этих зерен, либо закона распределения по высоте профиля вершин данных :рен.

3. Теоретически решена задача определения высотных и шаговых пара-етров профиля неровностей поверхности в зависимости от числа, геометриче-сих размеров и законов распределений по высоте и длине профиля вершин аб-1зивных зерен, контактирующих с рассматриваемым участком поверхности (готовки за время обработки.

4. Предложена математическая модель процесса формирования рабочей эверхности шлифовального круга в ходе правки, с помощью которой пред-гавляется возможным определять число вершин зерен и закон их распределе-ля в поверхностном слое круга.

5. Разработана и экспериментально проверена математическая модель эоцесса формирования шероховатости обрабатываемой поверхности, учиты-иощая геометрические размеры круга и заготовки, вид шлифования, характе-1СТШШ шлифовального круга, структуру технологической операции шлифованы, режимы обработки, процесс правки шлифовального круга, жесткость и 1брации системы СПИД, упругие отжатая круга от заготовки, износ шлифо-шьного круга, а также процесс пластического оттеснения металла абразивны-и зернами.

6. На основе исследования процесса формирования шероховатости по-:рхности предложена методика построения профиля неровностей шлифований поверхности, по ординатам которого представляется возможным определять обые характеристики шероховатости поверхности.

7. Разработаны инженерные методики расчета параметров шероховатое обрабатываемой поверхности при заранее известных условиях шлифования определения режимов обработки, обеспечивающих заданные параметры шерохова ста и минимум продолжительности цикла обработки партии заготовок.

8. Использование на практике результатов исследований по обеспечен! заданных параметров шероховатости поверхности деталей машин и технологи1 ской оснастки позволяет получить значительный экономический эффект, что пс тверждается актами внедрения.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1.Бишутин С.Г. Моделирование процесса абразивной обработки с помоиц ЭВМ// XXII Гагаринские чтения: Тез. докл. молодежной науч. конф.. М.:МГАТУ, 1996. -4.2. -С. 133.

2. Бишутин С.Г. Прогнозирование параметров шероховатости шлифованной п верхности// XXIII Гагаринские чтения: Тез. докл. молодежной науч. конф. М.: РГТУ-МАТИ, 1997. -Ч.2.-С.30.

3. Горленко O.A., Бишутин С.Г. Выбор режимов абразивного шлифоваш обеспечивающих заданные параметры шероховатости поверхности// Соз/ ние ресурсосберегающих машин и технологий: Тез. докл. республ. научн техн. конф..- Могилев: ММИ, 1996. - 4.1. -С. 16.

4. Горленко O.A., Бишутин С.Г. Выбор режимов абразивного шлифоваш обеспечивающие заданные параметры шероховатости, с помощью ЭВ1 Материалы 51-й молодежной науч. конф.. - Брянск: БГТУ, 1996. - С.З.

5. Горленко O.A., Бишутин С.Г. К вопросу о распределении по высоте верш абразивных зерен в рабочей поверхности шлифовального круга// Физическ процессы при резании металлов. - Волгоград, 1997. - С. 11-14.

6. Горленко O.A., Бишутин С.Г. Методология аналитического исследован процесса формирования функциональных параметров качества поверхност деталей машин при шлифовании//Славянтрибо-4: Материалы междунар. t уч.-практич. симпозиума. - Рыбинск: РГАТА-МФ СЕЗАМУ, 1997,- Ч.З С.43-46.

БИШУТИН СЕРГЕЙ ГЕННАДЬЕВИЧ

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ И ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ШЕРОХОВАТОСТИ ШЛИФОВАННОЙ ПОВЕРХНОСТИ НА ОСНОВЕ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ПРАВКИ КРУГА И ОБРАБОТКИ

Лицензия №020381 от 22.02.92. Подписано в печать 19. 10. 98 Формат 60\84 1\1б Бумага типографская №2. Офсетная печать. Пен. л. 1. Уч.-изд. л, 1. Т. 100 экз. Заказ 202. Бесплатно.

Брянский государственный технический университет 241035, г. Брянск, бульвар им. 50-летия Октября, 7. Лаборатория оперативной типографии БГТУ, ул. Институтская, 16.

/

Брянский государственный технический университет

На правах рукописи

БИШУТИН Сергей Геннадьевич

Прогнозирование и обеспечение параметров шероховатости шлифованной поверхности на основе моделирования процессов правки круга и обработки

05.02.08 Специальность - "Технология машиностроения"

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор О.А.Горленко

Брянск -1998

Оглавление

Введение............................................................................................................ 4

Глава 1. Современные представления о процессе формирования

качества поверхности при шлифовании.......................................... 8

1.1. Прогнозирование процесса формирования неровностей поверхностного слоя и описание шероховатости поверхности............ 8

1.2. Прогнозирование параметров, характеризующих физико-механические свойства поверхностного слоя.....................31

1.3.Геометрическая форма и прочностные характеристики абразивных зерен как одни из основных факторов в формирования качества поверхности.............................................37

1.4. Выводы по главе 1 и постановка задач исследования...................42

Глава 2. Методика проведения исследований.................................................44

2.1. Методологический подход к моделированию процесса формирования параметров шероховатости поверхности при шлифовании.......................................................................................44

2.2. Сущность экспериментальных исследований............................... 49

Глава 3. Теоретическое исследование механизма образования рабочей

поверхности шлифовального круга в процессе правки.................. 54

3.1 .Понятие и характеристики рабочей поверхности

шлифовального круга......................................................................54

3.2. Исследование распределения размеров зерен в объеме шлифовального круга.....................................................................57

3.3. Взаимодействие абразивных зерен с правящим инструментом.....................................................................................62

3.4. Аналитическое определение характеристик рабочей поверхности шлифовального круга . Сопоставление полученных теоретических результатов с известными экспериментальными исследованиями в данной области..................................................66

3.5 Выводы по главе 3............................................................................81

Глава 4. Теоретическое и экспериментальное исследование процесса формирования параметров шероховатости поверхности деталей машин при шлифовании.......................................................82

4.1. Сущность процесса формирования микропрофиля поверхности изделия.............................................................................................82

4.2. Влияние геометрических размеров круга и заготовки, вида шлифования и режимов обработки на формирование микронеровностей поверхности......................................................95

4.3. Влияние жесткости и вибраций технологической системы на образование шероховатости поверхности......................................98

4.4. Определение параметров шероховатости с учетом пластического оттеснения металла абразивными зернами...........106

4.5. Связь износа абразивного инструмента с процессом формирования шероховатости поверхности...................................110

4.6. Обеспечение бесприжогового шлифования как условия достоверности прогнозирования параметров шероховатости...............117

4.7. Сопоставление результатов экспериментального и теоретического исследований процесса формирования качества поверхности при шлифовании.........................................122

4.8 Выводы по главе 4...........................................................................135

Глава 5. Внедрение и перспективы применения результатов исследований

на практике........................................................................................136

5.1. Выбор режимов шлифования из условия обеспечения заданных параметров шероховатости поверхности и минимального

цикла обработки партии заготовок.................................................136

5.2. Методики расчета режимов шлифования, обеспечивающих заданное значение параметра шероховатости, и параметров качества поверхности при заданных условиях обработки.............142

5.3. Экономическая эффективность результатов исследований...........151

Основные выводы и результаты.......................................................................161

Заключение........................................................................................................162

Библиографический список использованной литературы..........................................163

Приложения.......................................................................................................................171

ВВЕДЕНИЕ

Данная научная работа посвящена проблеме прогнозирования и обеспечения параметров шероховатости шлифованной поверхности на основе моделирования процессов правки круга и обработки.

Актуальность проблемы. Как известно, на эксплуатационные показатели деталей машин, которые во многом определяют конкурентоспособность продукции машиностроения, одно из доминирующих влияний оказывает состояние их поверхностей, формируемое, главным образом, на финишных операциях технологических процессов. Самыми распространенными финишными операциями являются разнообразные виды шлифования, наиболее экономично обеспечивающие высокую точность размеров и требуемое качество обрабатываемых поверхностей. В этой связи важным является вопрос исследования динамики формирования параметров шероховатости поверхности при шлифовании.

Проблема обеспечения параметров шероховатости поверхности деталей при шлифовании в настоящее время для каждого конкретного случая решается, как правило, опытным путем - подбором условий обработки, которые не всегда оказываются достаточно производительными и экономичными.

В направлении теоретического решения данной проблемы российскими и зарубежными учеными проделана большая работа. Однако, несмотря на большое количество научных работ, целый ряд основных вопросов остается нерешенным. Довольно слабо разработан теоретический анализ расположения абразивных зерен на рабочей поверхности круга. Практически все исследователи указывают на то, что распределение вершин зерен на

поверхности абразивного инструмента зависит от его характеристик и условий правки, но никто этой связи в должной мере теоретически не обосновывает. Аналитические исследования в области изучения закономерностей формирования качества шлифуемых поверхностей выполнены, по существу, только для высотных параметров шероховатости поверхности, да и то с целым рядом нежелательных допущений: без учета реального количества и расположения на рабочей поверхности круга зерен, формирующих геометрию микронеровностей поверхности, без учета процесса случайного перекрытия царапин от вершин зерен на обрабатываемой поверхности, без учета пластического оттеснения металла абразивными зернами и износа круга. Практически нерешенным также остается вопрос формирования параметров шероховатости поверхности в условиях вибраций системы СПИД.

При таком положении дел безусловно актуальной является необходимость дальнейшего развития теоретических основ процесса формирования свойств поверхностного слоя изделий при шлифовании с целью обеспечения заданного качества рабочих поверхностей деталей машин. В этой связи задача технологического обеспечения параметров шероховатости поверхности деталей при шлифовании на основе моделирования процессов обработки и правки кругов является актуальной как с научной, так и с практической точек зрения.

Целью работы является разработка методологического подхода к решению проблемы выбора режимов обработки и условий правки абразивного инструмента, обеспечивающих заданные параметры шероховатости обрабатываемой поверхности.

Объектом исследования является процесс формирования параметров шероховатости поверохности при абразивном шлифовании заготовок для деталей цилиндрической и плоской формы, изготовляемых из углеродистых и легированных сталей (45, 40ХГНМ и др.).

Научная новизна работы заключается в разработке теоретических основ процесса формирования параметров шероховатости поверхности деталей машин при окончательном абразивном шлифовании, включающих:

1. Математическую модель формирования рабочей поверхности шлифовального круга в процессе правки.

2. Теоретическое решение задачи определения высотных и шаговых параметров профиля неровностей обработанной поверхности в зависимости от

числа, геометрических размеров и законов распределений по высоте и длине профиля вершин абразивных зерен шлифовального круга.

3. Комплекс математических моделей процесса формирования параметров шероховатости поверхности и учитывающих геометрические размеры круга и заготовки, вид шлифования (круглое наружное и внутреннее, плоское), характеристики шлифовального круга, структуру технологической операции шлифования, режимы обработки и правки круга, жесткость и вибрации системы СПИД, упругие отжатая круга от заготовки, износ круга и пластическое оттеснение металла поверхностного слоя заготовки абразивными зернами.

Методология и методы исследований. Общей методологической основой является системный подход, заключающийся в структурном разбиении технологической системы шлифования на подсистемы, их моделировании и установлении взаимосвязей между ними. Теоретические исследования проводились на базе современных знаний о процессе шлифования металлов, теории математического моделирования, методов дифференциального и интегрального исчислений.

Экспериментальные исследования проводились в лабораторных условиях с использованием статистических методов планирования экспериментов. Исследования проводились на стандартном оборудовании (круглошлифовальном и плоскошлифовальном станках ЗЕ12 и ЗГ71) с использованием современной контрольно-измерительной аппаратуры. Параметры шероховатости определялись на профилографе-профилометре мод. 170311, а поверхностная микротвердость - на микротвердомере ПМТ-ЗМ. Результаты экспериментов обрабатывались методами математической статистики.

Практическую ценность работы составляют: методика расчета параметров шероховатости обрабатываемой поверхности при заранее известных условиях шлифования; методика прогнозирования профиля шероховатости обработанной поверхности, по ординатам которого могут быть определены любые его характеристики; математические зависимости для режимов обработки, полученные на основе их оптимизации из условия обеспечения заданных параметров качества поверхности и минимума времени обработки партии заготовок.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 6 печатных работ [ 12-17].

Работа выполнена в рамках гранта Министерства общего и профессионального образования Российской Федерации по фундаментальным исследованиям в области машиностроения "Теоретические основы оптимизации режимов механической обработки из условия обеспечения заданных показателей качества, производительности и энергозатрат" (шифр 9724-3, 2-20).

На защиту выносятся:

1. Структура, этапы разработки и реализации комплекса теоретических исследований процесса формирования неровностей поверхности деталей машин при абразивном шлифовании.

2. Модель процесса формирования рабочей поверхности шлифовального круга.

3. Методологический подход к аналитическому решению задачи прогнозирования и технологического обеспечения параметров шероховатости обработанной поверхности.

4. Комплекс математических моделей, связывающих параметры шероховатости поверхностного слоя детали с основными факторами, характеризующими процесс шлифования.

5. Методики расчета параметров шероховатости поверхности для принятых условий шлифования и определения режимов обработки, обеспечивающих заданные параметры шероховатости при минимальной продолжительности обработки.

На основе теоретических и экспериментальных исследований решены технологические задачи по прогнозированию и обеспечению параметров шероховатости шлифованной поверхности на основе моделирования процессов правки круга и обработки. В итоге получили дальнейшее развитие учение о качестве поверхности и научные основы прогнозирования параметров шероховатости поверхности при механической обработке, в частности при шлифовании.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ПРОЦЕССЕ ФОРМИРОВАНИЯ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТИ ПРИ ШЛИФОВАНИИ

1.1 Прогнозирование процесса формирования неровностей

поверхностного слоя и описание шероховатости поверхности

В настоящее время ГОСТ 2789-73 установлены следующие параметры шероховатости: Ла - среднее арифметическое отклонение профиля; Кг - высота неровностей профиля по десяти точкам; Птах - наибольшая высота неровностей профиля; Бщ - средний шаг неровностей профиля; Б - средний шаг неровностей профиля по вершинам; 1р - относительная опорная длина профиля, где р - значение уровня сечения профиля.

Существуют эмпирический, теоретико-вероятностный и аналитический методы прогнозирования параметров шероховатости обрабатываемой поверхности.

При экспериментальном моделировании устанавливается непосредственная функциональная связь между геометрическими и физико-механическими характеристиками поверхностного слоя детали с рассматриваемыми технологическими факторами абразивной обработки. Эти связи устанавливаются путем проведения специально поставленных опытов в определенных условиях [4,18,27,39,59,61,89,90 и др.]. Обрабатывая экспериментальные данные, получают эмпирические зависимости, как правило, в виде линейных или степенных функций . При этом методе сам

процесс резания при шлифовании не изучается и представляется в виде "черного ящика" [58]. Недостатками такого подхода являются : частный характер получаемых зависимостей, отсутствие в них ярко выраженного физического содержания, необходимость проведения большого числа опытов, невозможность учета всех факторов абразивной обработки.

С 1967 по 1979 года начинает формироваться комплексный (многофакторный) подход к проблеме моделирования шероховатости поверхности, т. е. параметры шероховатости рассматриваются как функции нескольких технологических факторов процесса шлифования. Так, например, в работе [43] для среднего арифметического отклонения профиля Яа была получена следующая зависимость:

Ка=СкУдрУЛ¥0/В%к2кз, (1.1)

где Ся- коэффициент, учитывающий физико-механические свойства обрабатываемого материала; Уд,Ук,8пД - режимы шлифования; Бд - диаметр заготовки; В - высота круга; кг коэффициент, учитывающий зернистость шлифовального круга; к2 - коэффициент, учитывающий состав охлаждающей жидкости; к3 - коэффициент, учитывающий влияние выхаживающих ходов инструмента; г,п- показатели степени.

Аналогичная зависимость приведена и в работе [1].

ЯаСкеу/Уд2¥т П кш , (1.2)

1=0

где СК - коэффициент, учитывающий физико-механические свойства обрабатываемого материала; Б - площадь обработки; кш - поправочный коэффициент на иные условия шлифования; х, у, г, т - показатели степеней; Ч - число учитываемых поправочных коэффициентов.

Многочисленные зависимости, подобные уравнениям (1.1) и (1.2), были обобщены в [85], в результате чего параметр Яа шероховатости поверхности можно представить следующим образом:

Ка=СрУд^0,3"°'5^8п<0'15-0,^(0,2-0,25)^(0,7-!, 1);0,15)> (1 3)

где Ср - коэффициент, определяющий влияние других факторов, i - число выхаживающих рабочих ходов круга.

В этот период также предпринимаются попытки экспериментальным путем изучить влияние износа абразивного инструмента на процесс формирования шероховатости поверхности [46,77,90]. Наиболее глубоко данный вопрос был изучен Л.Н.Филимоновым [77]. В результате аппроксимации большого количества экспериментальных зависимостей он показал, что параметр Яа, как функцию времени, можно представить в виде

Ка=(Кан-Каст)е'Хт + Яасхе5т, (1.4)

где Яан - высота микронеровностей в начале шлифования (спустя 0,5 мин работы после правки круга); Яаст - высота микронеровностей после приработки круга; т - время обработки; 5 - показатель степени, выражающий рост высоты микронеровностей вследствие затупления круга и вибраций в зоне резания; X - показатель степени, выражающий экспоненциальное уменьшение высоты микронеровностей из-за износа круга в первом периоде его работы:

Х= (1п(Яан - Яасх) +3)/т1

(т1 - длительность первого периода работы круга, зависящая от режимов обработки и характеристик инструмента).

Л.Н.Филимонов в этой же книге приводит также результаты исследований износа шлифовальных кругов за время обработки (табл. 1.1), на основе которых им была получена следующая зависимость для периода Тк стойкости круга:

Т^СДОтКс)11, (1.5)

где Ст - коэффициент, зависящий от обрабатываемого материала и характеристик круга; С>т - максимальная скорость съема металла, см3/мин; п -показатель степени, зависящий от условий шлифования; Кс - коэффициент равный отношению фактической скорости съема металла к максимальной

Таблица 1.1

Результаты исследований стойкости шлифовальных кругов [77]

Обрабатываемый материал Период стойк�