автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Разработка технологии и портативного оборудования для двухсторонней заточки узколенточных, тонколезвийных ножей

На правах рукописи

РГБ ОД

'--О

ПУЗАНКОВ Сергей Николаевич

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ И ПОРТАТИВНОГО ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ДВУХСТОРОННЕЙ ЗАТОЧКИ УЗКОЛЕНТОЧНЫХ, ТОНКОЛЕЗВИЙНЫХ НОЖЕЙ

Специальность 05.03.01 - Технологии и оборудование механической и физико-технической обработки

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Воронеж - 2000

Работа выполнена на кафедре «Металлорежущие станки и-ументы» -Курского государственного технического университета

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Старое В.Н. кандидат технических наук, профессор Барботько А.И.

Научный консультант

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Станчев Д.И.

кандидат технических наук, профессор Пачевский В.М.

Ведущая организация:

Воронежская государственная технологическая академия

Защита диссертации состоится 22 ноября 2000 г. в 1400 часов в конференц-зале на заседании диссертационного совета Д 063.81.06 при Воронежском государственном техническом университете по адресу: 394026, Воронеж, Московский просп., 14.

С диссертацией можно озйакомиться в библиотеке Воронежского государственного технического университета.

Автореферат разослан «20 » октября 2000 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

К'Ш 220, я

¡/¿М? ¿я/. О

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В различных отраслях промышленности (целлюлозно-бумажная, текстильная, пищевая), в сельском хозяйстве и биологии, в медицине и криминалистике используют различный тонколезвийный инструмент (микротомы). Везде, где резание лезвием является основным технологическим процессом, существует потребность в высококачественных металлических ножах. Однако технология их получения, ' особенно процесс заточки, несовершенны, что вызвано сложностями проведения эффективных финишных операций. Особую трудность при изготовлении тонколезвийных ножей вызывает оптимизация процесса формирования узколенточных рабочих поверхностей, с получением стабильных параметров макро- и микрогеометрии всей -режущей части тонколезвийного инструмента. При этом актуально проведение окончательной обработки - создание, так называемой, кромки лезвия ножа. Таким образом, среди финишных процессов абразивной обработки высокопрочных металлов существует специфичная область заточки тонколезвийного, узколенточного режущего инструмента широкой номенклатуры.

Анализ литературных данных и обобщение производственного опыта показали, что препятствием в создании эффективных технологий с применением алмазной заточки лезвийных инструментов является отсутствие научно обоснованных технологических рекомендаций по формированию высококачественных тонколезвийных поверхностей ножей и отсутствие высокоэффективного портативного отечественного оборудования, особенно автоматизированного. Отсутствуют также обобщённые данные о процессе формообразования пересекающихся (15+25°) узколенточных (0,2+0,5 мм) поверхностей, образующих кромку микронных размеров на тонком лезвии ножа. Нет полного математического описания и физической модели процесса заточки. Решение этих задач позволит создать основу технологии и предложить •конструкцию оборудования для автоматизированной обработки рабочих поверхностей тонколезвийного в том числе и специализированного инструмента.

Наиболее остро проблема высококачественной заточки возникает при изготовлении длинномерных (до 300 мм) микротомных ножей, используемых для получения тонких (1+30 мкм) срезов различных тканей. Обычно для заточки и восстановления режущей кромки тонколезвийных ножей используют импортные оборудование и расходные материалы. При этом требуется проводить двухстадийную обработку с использованием операций доводки. Это дорого, неэффективно, к тому же отсутствует стабильное качество обработанных поверхностей.

Таким образом, в настоящее время актуальным является исследование процесса и разработка технологии автоматизированного финишного шлифования кромки тонколезвийных ножей с использованием отечественного оборудования, способного осуществлять высококачественную заточку лезвийного инструмента.

Работа выполнялась по координационным планам научно-исследовательской работы ГКНВШ РФ на 1995-2000 гг. и в соответствии с разделом "Машиностроение" программы "Черноземье".

Цель работы. Разработка технологии заточки и создание портативного шлифовального оборудования с управляемым дискретным съемом припуска в аддитивно-циклическом режиме, обеспечивающего получение высококачественных кромок рабочих поверхностей тонколезвийных ножей.

Основные задачи исследования. Обосновать и разработать производительный способ управляемой заточки протяжённых клинообразных, тонколезвийных поверхностей ножа с использованием алмазных инструментов с комбинированной рабочей поверхностью.

Разработать физическую и математическую модели, описывающие влияние кинематики обработки и технологических параметров процесса заточки на формирование качества узколенточной режущей поверхности ножа.

Исследовать влияние технологических факторов: на параметры микрогеометрии рабочих поверхностей ножа и состояние его лезвия; на производительность процесса заточки; разработать технологию финишной заточки, обеспечивающую высокое качество рабочих поверхностей микротомных ножей.

Создать и апробировать портативный станок для двухсторонней автоматизированной заточки тонколезвийных, узколенточных ножей.

Методы'- исследования. При выполнении работы использованы основные положения теории резания, физики и химии, методы теории размерностей и геометрического моделирования. Исследование макро- и микрогеометрических параметров поверхностей тонколезвийных ножей, их физического состояния процодилось с использованием современной высокоточной измерительной аппаратуры. Применяли методы

математической статистики и планирования эксперимента, математического моделирования и других областей знаний.

Научная новизна основных результатов, полученных при решении поставленных задач, состоит в следующем:

Механизм _ формообразования шлифованных тонколезвийных, узколенточных поверхностей клиновых ножей, проявляющийся при управляемом удалении аддитивно снимаемого припуска и определяющий высокое качество автоматизированной заточки комбинированным алмазным

торцовым шлифовальным инструментом.

Физическая и математическая модели управляемого, стабилизированного формообразования остролезвийного клина, осуществляемого в циклическом режиме при поочередной двухсторонней заточке граней ножа шлифовальным инструментом со связанными зёрнами.

Установлены закономерности и получены математические зависимости, • отражающие изменения показателей качества поверхностей (микрогеометрии, физического состояния), формы и интенсивности съёма металла с лезвия ножа «лри варьировании технологическими параметрами узколенточной заточки со стабилизированным при каждом цикле обработки усилием прижима инструмента и детали, позволяющие определить требования к технологии заточки и необходимому оборудованию.

Практическая ценность

1.На основании проведённых теоретико-экспериментальных исследований и предложенных технических решений разработана технология финишной механо-абразивной автоматизированной заточки узколенточных рабочих поверхностей клиновых ножей, реализованная на созданном портативном оборудовании, обеспечивающем приведение высококачественной заточки без применения доводочных операций.

2. Результаты, полученные в работе, позволяют ещё на стадиях разработки технологических процессов иметь полную информацию об оптимальных технологических условиях и рациональных режимах алмазного шлифования тонколезвийных поверхностей.

3. Получены следующие экспериментальные данные о процессе заточки: •о значениях параметров шероховатости и волнистости шлифованных клиновых тонколезвийных ножей; об отклонениях сходящихся в единую кромку узколенточных поверхностей от плоскостности; о микроструктуре материала лезвия ножей, обработанных алмазным инструментом; о рациональных величинах управляемого съёма припуска; о режущей способности торцового комбинированного сборного инструмента и состоянии его рабочих поверхностей при реализации процесса заточки с регулируемым усилием прижима клинового лезвия к шлифовальному инструменту.

4. Разработано, испытано и внедрено высокоэффективное портативное оборудование разных схем компоновки 'для автоматизированной заточки инструментов многопланового назначения, в том числе, микротомных ножей.

5. Разработаны научно-практические рекомендации по созданию технологических процессов и использованию производительного оборудования для высококачественной алмазной заточки стальных деталей в форме клинообразных, остролезвийных, узколенточных поверхностей, а именно, микротомных ножей.

Реализация работы. Результаты исследований использованы при разработке технической документации и создании портативного шлифовального оборудования для заточки тонколезвийных ножей. Создан станок для заточки длинномерных микротомных ножей, обеспечивающий получение высококачественных тонколезвийных режущих кромок, которые' позволяют делать микронные срезы тканей практически любых структур. Оборудование прошло опытную эксплуатацию в гг. Курске, Харькове, Воронеже; в лечебных учреждениях, а также в исследовательских и технологических лабораториях промышленных предприятий. При внедрении одного станка экономический эффект составляет 86 тыс. р.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: V научно-технической конференции с международным участием «Материалы и упрочняющие технологии»», (Курск, 1997); научных конференциях профессорско-преподавательского состава Курского, Брянского и Воронежского государственных технических университетов (1995-2000).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения. Основная часть работы изложена на 141 странице, включая 36 рисунков и 7 таблиц, список литературы из 96 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи исследования, отражена научная новизна и приведены основные практические результаты.

В первой главе представлен аналитический обзор существующих' технологий и оборудования для заточки лезвийных инструментов; рассмотрены особенности способов формирования клиновых поверхностей; проведено их сравнение, сделан выбор направления исследования.

Основными элементами лезвийного инструмента являются грани, сходящиеся в кромку. Спецификой процесса резания лезвийным инструментом является то, что при внедрении в обрабатываемый материал, его разрушение осуществляется, главным образом, вершиной двухгранного угла и сопряженных с ним с обеих сторон узколенточными зонами (в форме фаски) граней лезвия. Поэтому к кромке и фаскам рабочей поверхности лезвия предъявляются наиболее высокие требования, особенно по параметрам микрогеометрии, волнистости и физическому состоянию поверхностно-

приповерхностных слоев материала и точности форм, определяющих лезвийный инструмент. По совокупности этих параметров составляют представления о качестве изготовления лезвия - ножа - инструмента.

У исследователей существуют различные подходы в выборе комплексных показателей и методов, используемых для оценки поперечных, продольных профилей и остроты лезвия. Это объясняется тем, что нет единого Государственного стандарта, а также широким спектром требований к эксплуатационным свойствам лезвийных инструментов, используемых в •разных отраслях народного хозяйства. Но есть и общие взгляды, например, почти все измерения кромки лезвия базируются на правомерном допущении, что её профиль, сформировавшийся при обработке граней, имеет форму, в которую можно вписать окружность с радиусом р и принять это в качестве критерия остроты лезвия.

В работе проведём анализ классификации видов лезвийных инструментов и схем описания форм лезвия, а также используемые при этом параметры для оценки качества изготавливаемых изделий. Установлено, что тонколезвийный стальной инструмент с углами заточки (3 = 15^35°, имеющий узколенточные рабочие фаски размером Ьф1=Ьф2=0,2-г1,0 мм при их Ка= 0,2-Ю,4 мкм, и р = 2+5 мкм целесообразно получать тонким алмазным шлифованием без использования охлаждающих средств.

Из известных способов заточки рабочих поверхностей лезвийных инструментов и ножей наиболее перспективным является тонкое торцевое шлифование граней поочерёдно или одновременно. Существующие в производстве устройства и конструкции для заточки тонколезвийных • инструментов не всегда обеспечивают высокое качество и точность обработки; более того, это многоэтапный, дорогостоящий процесс, осуществляемый, как правило, на импортных станках. Поэтому требуются отечественные технологии и оборудование. Проведённый анализ состояния вопроса позволил сформулировать цель и задачи исследования.

Во второй главе излагаются методики, их обоснования и средства исследования процесса двухсторонней заточки узколезвийных инструментов. Представлены рабочие гипотезы. Приведены схемы и особенности конструкций экспериментального оборудования, а также применяемого сборного шлифовального инструмента. Указаны методы обработки и анализа экспериментальных данных.

Решение поставленных в работе задач базируется на результатах предварительных экспериментов, где установлено, что формирование высококачественных узколентбчных фасок ножа возможно осуществлять, используя определённую схему стабилизации по всей грани лезвия ножа

температурно-силовых параметров процесса абразивного воздействия на структуру металла.

Для достижения поставленной цели выдвинули следующие гипотезы:

1. При заточке клиновых, симметричных рабочих поверхностей тонколезвийных ножей следует исходить из принципа соблюдения равномерного температурно-силового режима воздействия факторов абразивной обработки на материал ножа. Для чего целесообразно применять схему поочерёдного контакта грани лезвия со шлифовальным инструментом, соблюдая строгую цикличность, что обеспечивает неизменность структуры металла.

2. При многоэтапном шлифовании в каждом цикле необходимо сохранить идентичность условий воздействия взаимосвязанных абразивных контуров на обрабатываемую поверхность, используя для этого варьирование технологическими параметрами, а съём дискретных припусков можно контролировать, используя определённую оценочную функцию, описывающую условия резания.

3. Управляемый съём припуска при аддитивном шлифовании комплектом, состоящим из нескольких абразивных контуров, целесообразно осуществлять, варьируя скоростью резания, стабилизированным для каждого цикла обработки усилием прижима, прочностью (упругостью) связки шлифовальных контуров во взаимосвязи с величиной алмазных зёрен, находящихся в ней.

4. При односторонней заточке клинового тонколезвийного инструмента основное количество образующегося в процессе шлифования тепла излучается в окружающую среду с кромки лезвия.

В отличие от существующих технологий предлагаем заточку проводить под постоянным контролем, управляя ей. Для этого формирование рабочих фасок и кромки лезвия ножа в процессе всего цикла заточки осуществляют в одинаковых, стабилизированных условиях взаимодействия технологических параметров процесса абразивной обработки связанным зерном. Для чего в процессе заточки на всех её этапах поддерживают на заданном уровне значения предложенного комплексного показателя, названного оценочной функцией процесса обработки -^фВОр-

Для проведения экспериментов по установлению влияния технологических факторов на параметры микрогеометрии рабочих поверхностей ножа и состояния его лезвия, на производительность процесса, на установление особенностей формирования остролезвийной кромки использовали заготовки с углом заострения а = 20-5-30° и протяженностью от 100 до 300 мм из сталей 13Х и 13ХШ. Высота клина равна 30н-35 мм, ширина основания 6+9 мм (база 7 мм). Также исследовали обрабатываемость заготовок

стандартных микротомных ножей. Заготовки термообработаны до HRC 58+62 единиц (с малым разбросом исходной микротвёрдости). При заточке на всей длине клина формировали узколенточную поверхность разной ширины: от 0,2 до 1,2 мм, базовая ширина - 0,4 ± 0,1 мм.

Исследования проводили на созданном портативном оборудовании, позволяющем варьировать параметры заточки в следующих диапазонах: угол наклона шлифовального инструмента и заготовки ф = ± 10°; пределы регулирования угла заточки ß= 18+35°; частота вращения шпинделя n (VP) = 800+5000 об/мин; скорость перемещения заготовки вдоль торцевой рабочей поверхности инструмента Sn = 0,5+0,6 м/мин; усилие прижима заготовки к инструменту Fn = 1+50 Н; глубина резания (шлифования) t; = 2+20 мкм на ход; время установки заготовки ножа 30+50 с, минимальное время цикла обработки в зависимости от размера ножа составляет 10+30 с. Базовой схемой обработки является алмазное торцевое шлифование поочерёдно каждой из грани ножа с управляемом на циклах обработки съёмом припуска, она представлена на рис. 1.

Использовали специальный сборный шлифовальный инструмент с комбинированной рабочей поверхностью внутреннего абразивного (ВРК) и наружного режущего контуров (HPK). При этом внутренний абразивный контур имеет размер зернистость в диапазоне от 160 до 40 мкм, а наружный -от 40 до 7 мкм. Твёрдость связок также различная: от органических (для ВРК) до металлических (для HPK).

Для описания качества полученных при заточке поверхностей использовали следующие параметры: Ra, Rz, Rnux, Sm, tp, W и др. Измерения шероховатости проводили, используя профилометр-профилограф «Surtronic-3» и «Talysurf-5» (параметры Ra, Rtm, Spm, Rt, Rp и др.), которые оснащены щупом-лопаткой с радиусом округления измерительной кромки 2 мкм.

Структуру стали, состояние поверхности обработанных лезвий, углы заточки исследовали, используя инструментальные микроскопы с увеличением 30*-490х крат. Микротвёрдость лезвия определяли на ПМТ-3.

Угол заточки и радиус скругления лезвия определяли, используя метод оттисков, вдавливая нож в свинцовые пластины, чтобы потом исследовать полученные форму и размеры под микроскопом. При определении величины удельного съёма металла образцы взвешивали до и после заточки. При планировании и проведении эксперимента по установлению рационального диапазона и построению математических моделей процесса заточки использовали стандартные методы и программное обеспечение.

В третьей главе выполнено моделирование процесса заточки, осуществлено теоретическое обоснование процесса формообразования

узколенточных фасок при алмазном шлифовании чашечным и сборным торцевым инструментом. Подтверждены рабочие предпосылки, определяющие создание физической и математической моделей, основанные на исследованиях особенностей формирования микроповерхностей и структуры тонколезвийной кромки ножа. При этом доказано, что предпочтительной схемой заточки является последовательный съём припуска с каждой из сторон лезвия в циклическом режиме воздействия температурно-силовых параметров процесса шлифования. К этому привели анализ процесса заточки с позиции теплонапряжённости клинового тела, подвергающегося шлифованию.

На температуру шлифования 0 влияют свойства материала детали Мдс и её форма Фд; кинематика съёма припуска КСп; режимы резания Рж: tm -глубина шлифования, Sr подача, Vp- скорость резания; параметры

характеристик инструмента ; окружающая среда Ср и прочие факторы Д. Поэтому имеем функциональную взаимосвязь:

0 = f (Мдс, Фд, КСп, Рж, Х*н, Ср, П;).

Большинство факторов влияют на скорость съёма (производительность Q) материала. Интенсивность съёма припуска влияет на количество выделяемого при разрушении тепла. Поэтому мощность теплового потока Тп, является функцией производительности: Тп (©) = f(Q). Тепловые явления процесса шлифования во многом определяют качество и структуру обрабатываемых поверхностей, следовательно, требуется установить оптимальные диапазоны вышеуказанных входных параметров процесса заточки, чтобы, поддерживая параметры процесса обработки (температурно - силовые воздействия на деталь), получить высококачественные выходные показатели процесса обработки. Стремясь достичь 0 => min влияния на структурные изменения в материале (при Q =>шах), необходимо иметь стабильные условия заточки в период всего формирования узколенточной фаски. Для этого предложено проводить заточку, идентифицируя воздействия на этапах и управляя условиями обработки, используя функцию f^p .

Учитывая скорость съёма-припуска, так варьировали технологическими

параметрами (Рж, КСп, и т.д.), чтобы на каждом этапе многоциклового съёма материала поддерживалось одно и то же значение оценочной функции, величину которой вычисляли по формуле

r Kn-tj tg(p-sn-MflC

*офвор_ рп . Yp • В 60 ' (U

где Кп - коэффициент, учитывающий характеристики алмазного инструмента; Ф - угол наклона детали к плоскости резания; Мдс - свойства материала детали;

В - ширина алмазоносного слоя торцового круга; Рп - усилие прижима; ^ -глубина шлифования на этапе.

Теоретический анализ и моделирование процесса заточки позволили ■установить и обосновать основной принцип, которому необходимо следовать, чтобы получить высококачественное лезвие ножа: при заточке тонколезвийных инструментов необходимо управляемое дискретное удаление припуска поочерёдно с каждой грани в аддитивно-циклическом режиме. Один из предпочтительных вариантов съёма припуска приведён на рис. 2. Такая схема взята за основу для базовой конструкции разработанного оборудования, в котором реализован способ аддитивного шлифования (в ФИПС подана заявка на изобретете 20001226841Ш, МПК С1 В 24В 7/04).

Используя графическое моделирование, определены взаимосвязи и соотношения между формируемой длиной фаски лезвия Ь,^ и площадью поперечного сечения разнопрофильного по форме сошлифованного материала, а именно: для симметрично поделённого профиля с площадью 8слр; для наибольшего одностороннего профиля Бм"1'; и для профиля, соответствующего

аддитивно-цикловому режиму съёма - Э^ц . В общем виде имеем

= ДЬф;,8тр/2,с18р/2,с18а/2); = [(ьф; +Ь0;)цёа,с18р/2]. (2)

Величина дискретно удаляемого при одностороннем ходе стола припуска имеет следующую взаимосвязь с элементами лезвия ножа:

^1.2) _ ^Ьф;,8И1р/2,5та/2,соза/2). Уточним, что её назначают, исходя из

температурно-силовых параметров процесса заточки, характеристик

инструмента (первоочерёдно - зернистость с!3) и величины ЬФ.

Для случаев первичного формообразования и возобновляемой переточки по всей длине ножа Ь при известной плотности материала рп и установленной весовым методом (взвешивание) маесы сошлифованного металла гпдвс> ширину полученной фаски (в усреднённом варианте) можно определить из выражения

1Ф(1;2)=1 тАВС 2 О)

При заточке ножа со стабилизированным усилием прижима Р|(Ро) в местах контакта алмазных зёрен с поверхностью лезвия возникают высокие удельные давления, значительно влияющие на качество обработки. Поэтому процесс заточки оценивали по критерию удельной интенсивности шлифования С)Уд. Если Т3 - время заточки, то <3уд = <3 / Е0 • Т3. Причём исходной является

Первый цикл

Исходная позиция

Рп Р0

1 Обработка грани I

Б', Л

2

Отвод, разворот, исходная поз

180°; п 25°

К

¡2

ю я о, ю О

IV

Второй цикл

В сч

8 Л ^

»3 /3

ю ~

о

8В

X л р. Л1

-и"

« я

о

"ДГ7ТГ '' 2* 2

N

цикл

N-1,

N

У. и*

Л1

¿ Ин

о

а

К

я

Рис. 1. Схема двухсторонней обработки лезвия ножа

Рис. 2. Схема ад дитивного разбиения (удаления) припуска ^ во взаимосвязи с усилием прижима детали и инструмента

11 (1" 2)

функция СН^Ак.Ро.Тз,^ ' .ЦЬф^ф.СТв). (4)

При поиске рациональных условий управления тепловыми потоками и их математическом описании выбрана следующая схематизация компонентов

процесса заточки: К 4 (по А.Н. Резникову), учитывающая форму тела

(клин, неограниченный в двух направлениях) и граничные условия (четвёртого рода). Дискретность контакта макротопологии РП шлифовального инструмента, аддитивность удаления припуска, применение стабилизированных условий прижима детали и инструмента позволили при решении балансовой задачи учёта количества теплоотвода в систему деталь-инструмент-среда уменьшить влияние случайных факторов и снизить погрешность расчётов. По нашим данным доля тепла, передаваемая в деталь (лезвие ножа), составляет 0,22 - 0,28 от полного (1,0) тепловыделения.

В обобщённой форме зависимость распределения температуры в теле клина с углом заточки р при движении со скоростью Бп ~ V, плотности теплового потока я, коэффициенте теплопроводности X и коэффициенте температуропроводности а' принимает вид

г-А^О-КхО^-я-а' 90° «

0 =- Д Ф 4--1екр(Ч)-К0©с1(а (5)

где и - безразмерная функция, связывающая полуширину источника тепла и скорость движения; £ = 8П • (г - г*) / 2а (г, г1 - точки на оси движения - по лезвия).

Расчёты показали, что по отношению к фундаментальному решению задачи влияния теплопроводности на температурное поле в клиновых деталях, погрешность не превышает 10-И 5 %. Область наивысшего нагрева находится вблизи ребра клина. При малых углах заострения (до 30°) и наличии второй (кроме шлифуемой) свободной поверхности ножа в возникающих быстротечных локальных зонах температура нагрева значительно меньше температуры плавления. Варьирование технологическими параметрами позволяет управлять зонами Локального нагрева, не доводя материал до возникновения прижогов.

Исследован механизм формирования кромки лезвия ножа при аддигавно-цшсловой заточке его граней. Установлено, что воздействие макротопологии РП алмазных контуров на грани лезвия (т.е. на расположенные под острым углом поверхности) при направлении движения перпендикулярном кромке, когда размеры выступающих над связкой зёрен (5+10 мкм для крупнозернистых ВРК) превышают или соизмеримы (1+4 мкм-для НРК) с радиусом скругления кромки, то происходит образование пилообразных форм зоны кромки.

Основываясь на понятиях об абсолютной и относительной остроте лезвия ножа, рассматривая их во взаимосвязи с микро- и макроструктурой кромки, обосновано расширение традиционного понятия допустимых значений р и ¡3 и соотношений между ними в сторону увеличения их значений. Показано, что рабочая поверхность с несимметричными углами заточки Pi и р2> отсчитанными от биссектрисы, в сочетании с разной микротопологией поверхности фасок лезвия, но при одинаковом угле заострения а всего лезвия, способствует улучшению эксплуатационных свойств ножа.

В четвёртой главе' представлены особенности конструкций оборудования, реализующие различные схемы двухсторонней заточки тонколезвийных, с узколёнточными фасками ножей.

Базовой является одношпиндельная компоновка, соответствующая схеме обработки рис. 1. Она обеспечивает съём всего припуска tj при его разделении на ti части, которые сошлифовывают в формате аддитивного цикла во взаимосвязи со стабилизированным усилием Fi. Причём Fj = f(tj, t£) находится также во взаимосвязи с технологическими параметрами (Sn, tg <р, В, d3...) процесса заточки. Определены, конкретизированы значения режимов резания

(например, Vp^1 = 25 * 28м/с из диапазона 20 + 40 м/с, tj = 2 -г 8 мкм и т.д.).

Установлены требования к траектории движения детали в зависимости от формы лезвия. Суммарно всё проделанное позволило сформулировать пакет требований, который реализован в технических возможностях созданного оборудования. Некоторые из них таковы. Мощность привода 150, 300, 500 Вт. Диапазон регулируемой частоты вращения шпинделя 800-5000 мин'1. Размер станка 750 х 500 х 400 мм. Стабилизацию усилия прижима в зоне резания-осуществляют посредством двух блоков: маятникового устройства и связанной с ним системы типа электронных весов, контролирующую величину усилия прижима. Это обеспечивает проведение заточки лезвия в режиме «плавающего» относительно условий обработки объекта-ножа.

В зависимости от формы лезвия затачиваемых ножей и tg, используют комплекты специальных пружин (включая фасонные). В станке устанавливают заданные глубины шлифования tj, t2, ...tj и соответствующие усилия Fb F2-..Fj, чтобы осуществить дискретный съём припуска.

Для базовой схемы компоновки указанные значения будут симметричными в любом цикле. Здесь применяют сборный, с комбинированной РП, шлифовальный инструмент. При использовании оборудования с двумя шпинделями предусмотрены две схемы обработки. Первая, когда шлифовальные круги с различными характеристиками расположены на одной оси, с обращенными друг к другу РП. Посредством маятникового устройства, нож поочерёдно контактирует с инструментами,

шлифуя фаски. По второй схеме на противоположных концах направляющей продольного перемещения расположены два шпинделя со своими приводами и системами базирования относительно лезвия ножа. Здесь легко реализовывать заточку с несимметричными углами Рь Рг-

Предложенные схемы компоновки оборудования легко реализуются вследствие модульного принципа их построения.

В пятой главе приведены результаты экспериментального исследован™ влияния технологических параметров на параметры качества заточки, осуществляемой на созданном оборудовании. Они подтвердили правильность теоретических предположений и выдвинутых гипотез. Используя методики математического моделирования, установлены зависимости параметров микрогеометрии (для Иа, Шт, Эрт, Ш, Ыр), например,

Ырт = 2,42 • X?'1 • Х-°'06 • Х°>36 • Х5'36 • Х}07 (6)

и величины удельной интенсивности шлифования (}у

<2уд = 0,007 Ур°>910 -Рп°>239 У-602 -Б"0'513 .¿>828. (7)

Посредством графической интерпретации в 2- и 3- координатных •представлениях дан анализ полученных зависимостей.

Приведены рекомендации по выбору технологических режимов заточки-с использованием различных видов компоновки оборудования. Указаны характеристики рациональных сборных шлифовальных инструментов с комбинированными РП. Представлена полная информация о базовой технологии финишной заточки тонколезвийных инструментов с узколенточными фасками. Предложенные технологии испытаны и внедрены, в частности, применительно к заточке микротомных ножей. Получен экономический эффект, подтверждающий целесообразность проведённой работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Проведённые теоретические и экспериментальные исследования, а также выполненные на их основе кбнетрукции портативных станков, позволяют сформулировать следующие основные результаты и практические выводы.

1.На основании теоретико-экспериментальных исследований и предложенных технических решений разработана технология финишной механо-абразивной заточки лезвийных клиновых, узколенточных поверхностей ножей, обеспечивающая высокачественную заточку.

2. Для процесса заточки разработана физическая и установлена математическая модели, описывающие управляемый съём припуска при формообразовании узколенточных поверхностей кромки лезвия ножа;

определено влияние технологических параметров процесса алмазного шлифования на показатели качества заточки тонколезвийных металлических инструментов.

3. Предложена и обоснована кинематика оборудования для двухсторонней заточки тонколезвийных ножей чашечными алмазными кругами и сборными кругами с комбинированной рабочей поверхностью. Разработана конструкция базового типа станка портативной компоновки, обеспечивающего высококачественное шлифование длинномерных клиновых ножей. Реализованы схемы заточки граней лезвия с управляемым дискретным съёмом припуска со стабилизированным усилием прижима инструмента и детали. Конструкции созданных станков могут служить основой для проектирования ряда оборудования с широкими технологическими возможностями реализации технологий заточки -тонколезвийных инструментов.

4. Результаты экспериментальных исследований по влиянию технологических параметров процесса заточки на качество и точность обработки доказали целесообразность применения в технологиях изготовления тонколезвийных ножей сборных шлифовальных инструментов, обеспечивающих одновременное функционирование разных уровней дискретности резания в цикле обработки.

5. Установлены закономерности влияния технологических параметров процесса алмазной заточки с управляемым съёмом припуска и регулируемым усилием прижима детали к инструменту на параметры микрогеометрии (включая, 11а, Яшах, Иг, Бт, 1р) и волнистости на распределение микротвёрдости по узколенточным поверхностям лезвия, на интенсивность съёма припуска с заготовки и на точность формы рабочих поверхностей лезвия-детали-ножа.

6. Применение разработанных технологий и использование оборудования для финишной заточки микротомных ножей обеспечивает эффективную первичную заточку (или последующую переточку) остролезвийных (18+35°), длинномерных (до 300 мм) ножей из высокопрочных сталей в течение 10+18 с. Получено высокое качество поверхностей лезвия ножей: относительная опорная длина профиля увеличивается более, чем в 3 раза, снижение на 20+25 % величины параметров 11а, IV, получено уменьшение волнистости поверхности до 0,2+0,4 мкм; обеспечено в 1,6 раз меньшее отклонение от плоскостности по сравнению с результатами обработки на зарубежном оборудовании; но при этом не требуется проведение дополнительных доводочных операций.

7. На основании результатов исследований разработаны рекомендации и технологии с использованием созданного портативного шлифовального

оборудования для заточки тонколезвийных, клиновых деталей различного назначения, что позволяет повысить качество изготовления лезвийного инструмента, сократить время его заточки и снизить затраты на приобретение импортного оборудования. Экономия средств при внедрении одного созданного станка составляет не менее 86 тыс. р.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Барботько А.И. Компьютерная технология проектирования прецизионных станков медицинского назначения / А.И. Барботько, С.Н. Пузанков // Материалы и упрочняющие технологии: Сб. материалов V науч.-практ. конф. с междунар. участием. Курск, 1997. С. 173-176.

2. Старов В.Н. Автоматизация процесса заточки ножей / В.Н. Старов, С.Н. Пузанков // Теория и практика машиностроительного оборудования: Сб. материалов региональной межвузовской науч.-техн. конф. Воронеж,

1999. Вып. 5. С. 60-61.

3. Пузанков С.Н. Станок для заточки микротомных ножей. Информ. лист Курского ЦНТИ: Курск, 2000. № 39-122-00. 4 с.

4. Пузанков С.Н. Комбинированное устройство для прижима ножа к шлифовальному кругу и регулирования угла заточки в станке для финишной обработки микротомных ножей. Информ. лист ЦНТИ: Курск,

2000. № 39-123-00. 4 с.

5. Старов В.Н. Стабилизация усилия прижима в зоне резания при заточке тонколезвийного инструмента алмазным кругом / В.Н. Старов, С.Н. Пузанков // Технологии в машиностроении и электронике: Регион, сб. науч. тр. Воронеж: ВГТУ, 2000. С. 64-66.

6. Пузанков С.Н. Технологический процесс финишной обработки микротомных ножей. Информ. лист Курского ЦНТИ: Курск, 2000. № 39124-00. 4 с.

7. Пузанков С.Н. Метод обработки узколенточных поверхностей микротомных ножей. Информ. лист. ЦНТИ: Курск, 2000. № 39-125-00.4 с.

8. Пузанков С.Н. Модель формообразования рабочих поверхностей микротомных ножей / С.Н. Пузанков, В.Н. Старов // Технологии в машиностроении и электронике: Регион, сб. науч. тр. Воронеж: ВГТУ, 2000. С. 108-110.

9. Пузанков С. Н. Особенности заточки тонколезвийных микротомных ножей алмазным кругом / С.Н. Пузанков, В.Н. Старов // Нетрадиционные технологии в технике, экономике и социальной сфере: Межвуз. сб. науч. тр. Воронеж: ВГТУ, 2000. Вып 3. С. 63-66.

ВВЕДЕНИЕ.

ЕЛАВА 1. ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИЙ ТЕХНОЛОЕИЙ И ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ЗАТОЧКИ ТОНКОЛЕЗВИЙНОЕО ИНСТРУМЕНТА.

ЕЕ Особенности тонколезвийных инструментов, области их применения

1.2. Технологии изготовления и анализ способов получения узколенточных рабочих поверхностей.

1.3. Особенности процессов и способов формирования при шлифовании микрогеометрии лезвийных инструментов.

1.4. Оборудование, применяемое для заточки микротомных ножей.

1.5. Выводы и постановка задач исследования.

ЕЛАВА 2. МЕТОДИКИ И СРЕДСТВА ИССЛЕДОВАНИЯ

ПРОЦЕССА ЗАТОЧКИ ТОНКОЛЕЗВИЙНОГО ИНСТРУМЕНТА.

2.Е Методика исследования микрогеометрии узколенточных поверхностей.

2.2. Средства измерения параметров качества лезвия.

2.3. Математическая и статистическая обработка результатов экспериментов.

2.4. Оборудование и инструменты, используемые в исследованиях процесса заточки тонколезвийных ножей.

2.5. Выводы.

ГЛАВА 3. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРОЦЕССА

ФОРМООБРАЗОВАНИЯ КЛИНОВОЙ ПОВЕРХНОСТИ ПРИ УЗКОЛЕНТОЧНОЙ ЗАТОЧКЕ ШЛИФОВАНИЕМ.

3.1. Предпочтительные схемы двусторонней заточки тонколезвийных поверхностей с позиции температурно-силовых факторов.

3.2. Исследование процесса шлифования при одно- и двухстороннем съеме припуска лезвия ножа.

3.3. Физическая модель процесса формирования рабочих поверхностей ножа при аддитивно-циклической заточке.

3.4. Влияние технологических показателей процесса шлифования на абсолютную и относительную остроту лезвия ножа.

3.5. Выводы.

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИЙ ПОРТАТИВНОГО

ШЛИФОВАЛЬНОГО СТАНКА ДЛЯ ЗАТОЧКИ ТОНКОЛЕЗВИЙНОГО ИНСТРУМЕНТА.

4.1 Принципы, заложенные в конструкцию узлов станка.

4.2. Варианты компоновки оборудования для тонкого шлифования лезвийного инструмента.

4.3. Обеспечение стабильности технологических параметров процесса заточки.

4.4. Выводы.

ГЛАВА 5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ УСЛОВИЙ

ЗАТОЧКИ РАБОЧИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ТОНКОЛЕЗВИЙНОГО ИНСТРУМЕНТА.

Актуальность темы. В различных отраслях промышленности (целлюлозно-бумажная, текстильная, пищевая), в сельском хозяйстве и биологии, в медицине и криминалистике используют различный тонколезвийный инструмент. Везде, где резание лезвием является основным технологическим процессом, существует потребность в высококачественных металлических ножах. Однако технология их получения, особенно процесс заточки, несовершенны, что вызвано сложностями проведения эффективных финишных операций. Особую трудность при изготовлении тонколезвийных ножей вызывает оптимизация процесса формирования узколенточных рабочих поверхностей, с получением стабильных параметров макро- и микрогеометрии всей режущей части тонколезвийного инструмента. При этом актуально проведение окончательной обработки - создание, так называемой, кромки лезвия ножа. Таким образом, среди финишных процессов обработки плоских изделий существует специфичная область заточки тонколезвийного, узколенточного режущего инструмента широкой номенклатуры.

Анализ литературных данных и обобщение производственного опыта показали, что препятствием в создании эффективных технологии с применением алмазной заточки лезвийных инструментов является отсутствие научно обоснованных технологических рекомендаций по формированию высококачественных тонколезвийных поверхностей ножей и отсутствие высокоэффективного портативного отечественного оборудования, особенно автоматизированного. Отсутствуют также обобщённые данные о процессе формообразования пересекающихся (15+25°) узколенточных (0,2+0,5 мм) поверхностей, образующих кромку микронных размеров на тонком лезвии ножа. Нет полного математического описания и физической модели процесса заточки. Решение этих задач позволит создать основу технологии и предложить конструкцию оборудования для автоматизированной обработки рабочих поверхностей тонколезвийного в том числе и специализированного инструмента.

Наиболее остро проблема высококачественной заточки возникает при изготовлении длинномерных (до 300 мм) микротомных ножей, используемых для получения тонких (1-^30 мкм) срезов различных тканей. Обычно для заточки и восстановления режущей кромки тонколезвийных ножей используют импортные оборудование и расходные материалы. При этом требуется проводить двухстадийную обработку с использованием операций доводки. Это дорого, неэффективно, к тому же отсутствует стабильное качество обработанных поверхностей.

Таким образом, в настоящее время актуальным является исследование процесса и разработка технологии автоматизированного финишного шлифования кромки тонколезвийных ножей с использованием отечественного оборудования, способного осуществлять высококачественную заточку лезвийного инструмента.

Работа выполнялась по координационным планам научно-исследовательской работы ГКНВШ РФ на 1995-2000 гг. и в соответствии с разделом "Машиностроение" программы "Черноземье".

Цель работы. Разработка технологии заточки и создание портативного шлифовального оборудования с управляемым дискретным съемом припуска в аддитивно-циклическом режиме, обеспечивающего получение высококачественных кромок рабочих поверхностей тонколезвийных ножей.

Основные задачи исследования. Обосновать и разработать производительный способ управляемой заточки протяжённых клинообразных, тонколезвийных поверхностей ножа с использованием алмазных инструментов с комбинированной рабочей поверхностью.

Разработать физическую и математическую модели, описывающие влияние кинематики обработки и технологических параметров процесса заточки на формирование качества узколенточной режущей поверхности ножа.

Исследовать влияние технологических факторов: на параметры микрогеометрии рабочих поверхностей ножа и состояние его лезвия; на производительность процесса заточки; разработать технологию финишной заточки, обеспечивающую высокое качество рабочих поверхностей микротомных ножей.

Создать и апробировать портативный станок для двухсторонней автоматизированной заточки тонколезвийных, узколенточных ножей.

Методы исследования. При выполнении работы использованы основные положения теории резания, физики и химии, методы теории размерностей и геометрического моделирования. Исследование макро- и микрогеометрических параметров поверхностей тонколезвийных ножей, их физического состояния проводилось с использованием современной высокоточной измерительной аппаратуры. Применяли методы математической статистики и планирования эксперимента, математического моделирования и других областей знаний.

Научная новизна основных результатов, полученных при решении поставленных задач, состоит в следующем:

Механизм формообразования шлифованных тонколезвийных, узколенточных поверхностей клиновых ножей, проявляющийся при управляемом удалении аддитивно снимаемого припуска и определяющий высокое качество автоматизированной заточки комбинированным алмазным торцовым шлифовальным инструментом.

Физическая и математическая модели управляемого, стабилизированного формообразования остролезвийного клина, осуществляемого в циклическом режиме при поочередной двухсторонней заточке граней ножа шлифовальным инструментом со связанными зёрнами.

Установлены закономерности и получены математические зависимости, отражающие изменения показателей качества поверхностей (микрогеометрии, физического состояния), формы и интенсивности съёма металла с лезвия ножа при варьировании технологическими параметрами узколенточной заточки со стабилизированным при каждом цикле обработки усилием прижима инструмента и детали, позволяющие определить требования к технологии заточки и необходимому оборудованию.

Практическая ценность

1. На основании проведённых теоретико-экспериментальных исследований и предложенных технических решений разработана технология финишной механо-абразивной автоматизированной заточки узколенточных рабочих поверхностей клиновых ножей, реализованная на созданном портативном оборудовании, обеспечивающем проведение высококачественной заточки без применения доводочных операций.

2. Результаты, полученные в работе, позволяют ещё на стадиях разработки технологических процессов иметь полную информацию об оптимальных технологических условиях и рациональных режимах алмазного шлифования тонколезвийных поверхностей.

3. Получены экспериментальные данные процесса заточки: о значениях параметров шероховатости и волнистости шлифованных клиновых тонколезвийных ножей; об отклонениях сходящихся в единую кромку узколенточных поверхностей от плоскостности; о микроструктуре материала лезвия ножей, обработанных алмазным инструментом; о рациональных величинах управляемого съёма припуска; о режущей способности торцового комбинированного сборного инструмента и состоянии его рабочих поверхностей при реализации процесса заточки с регулируемым усилием прижима клинового лезвия к шлифовальному инструменту.

4. Разработано, испытано и внедрено высокоэффективное портативное оборудование различных схем компоновки для автоматизированной заточки инструментов многопланового назначения, в том числе, микротомных ножей.

5. Разработаны научно-практические рекомендации по созданию технологических процессов и использованию производительного оборудования для высококачественной алмазной заточки стальных деталей в форме клинообразных, остр о лезвийных, узколенточных поверхностей, в том числе микротомных ножей. 9

Реализация работы. Результаты исследований использованы при разработке технической документации и создании портативного шлифовального оборудования для заточки тонколезвийных ножей. Создан станок для заточки длинномерных микротомных ножей, обеспечивающий получение высококачественных тонколезвийных режущих кромок, которые позволяют делать микронные срезы практически любых тканей. Оборудование прошло опытную эксплуатацию в г.г. Курске, Харькове, Воронеже; в лечебных учреждениях, а также в исследовательских и технологических лабораториях промышленных предприятий. При внедрении одного станка экономический эффект составляет 86 тыс. руб.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: V научно-технической конференции с международным участием «Материалы и упрочняющие технологии»» (Курск, 1997); научных конференциях профессорско-преподавательского состава Курского, Брянского и Воронежского государственных технических университетов (1995-2000).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения. Основная часть работы изложена на 141 странице, включает 63 рисунков и 8 таблиц, список литературы 96 наименований.

1.5. Выводы и постановка задач исследования

Анализ литературных источников, относящихся к исследуемой проблеме, позволяет сделать следующие выводы.

Большинство исследований процесса формирования рабочих поверхностей лезвийного инструмента посвящено определению макрогеометрических характеристик шлифовального инструмента, однако схемы обработки и параметры микрогеометрии режущей части производящих обработку инструментов, оказывающие значительное влияние на процесс резания и формообразования рабочих поверхностей лезвия ножа, изучены недостаточно.

Основными показателями, определяющими качество заточки, являются параметры: шероховатость лезвия, физическое состояние поверхностноприповерхностных слоев, микротвердость, наличие прижогов и т.д. Важна также точность исполнения заданных геометрических параметров.

На данный момент не существует научно обоснованных рекомендаций по эффективной заточке узколенточных рабочих поверхностей тонколезвийного протяженного инструмента, позволяющих получить однородную структуру и заданных параметров микрогеометрии на всей длине поверхности ножа. Чтобы решить задачу по обеспечению высококачественной автоматизированной обработки, необходимо иметь заточное отечественное оборудование. В связи с его отсутствием создание станка для формирования узколенточных рабочих поверхностей лезвия ножа является актуальной задачей. Это возможно на основе комплексного подхода при изучении процесса формирования режущей кромки ножа. При этом необходимо выбрать оптимальные характеристики специального шлифовального инструмента, установить рациональные способы и методы выполнения технологических операций, т.е. создать средства технологического обеспечения заточки тонко лезвийного узколенточного инструмента типа нож.

Целью работы является разработка технологии заточки и создание портативного шлифовального оборудования с управляемым дискретным съемом припуска в аддитивно-циклическом режиме, обеспечивающего получение высококачественных кромок рабочих поверхностей тонколезвийных ножей.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи: обосновать и разработать производительный способ управляемой заточки протяжённых клинообразных, тонко лезвийных поверхностей ножа с использованием алмазных инструментов с комбинированной рабочей поверхностью; разработать физическую и математическую модели, описывающие влияние кинематики обработки и технологических параметров процесса заточки на формирование качества узколенточной режущей поверхности ножа; исследовать влияние технологических факторов: на параметры микрогеометрии рабочих поверхностей ножа и состояние его лезвия; на производи

46 тельность процесса заточки; разработать технологию финишной заточки обеспечивающую высокое качество рабочих поверхностей микротомных ножей; создать и апробировать портативный станок для двухсторонней автоматизированной заточки тонко лезвийных, узколенточных ножей.

ГЛАВА 2, МЕТОДИКИ И СРЕДСТВА ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ЗАТОЧКИ ТОНКОЛЕЗВИЙНОГО ИНСТРУМЕНТА

2.1. Методика исследования микрогеометрии узколенточных поверхностей

Состояние рабочей зоны любого лезвийного инструмента, основой которой являются узколенточные, сходящиеся в одну режущую кромку поверхности, оказывает решающее влияние на работоспособность инструмента. Чтобы оценить качество поверхностей, полученных после заточки, необходимо знать принципиальные особенности формирования микрогеометрии и физического состояния лезвия ножа. Обычно для этого используют стандартные параметры, предусмотренные ГОСТами [17, 18]. Многие исследователи [21-24, 84] считают, что наиболее полно оценить процессы, характеризующие образование микрогеометрии режущей кромки, можно совокупностью параметров макро- и микрогеометрии режущей кроки (в форме параметров шероховатости -R, волнистости - W) и геометрических параметров (в форме угла заострения ß). Мы разделяем это мнение, но с некоторыми уточнениями. В своих исследованиях микрогеометрии тонких лезвий на примере микротомных ножей использовали параметры, которые находятся в соответствии с ГОСТ 25142-82 и сочетаются с параметрами геометрии, полученными при использовании в опытах профилометров-профилографов "Surtronic-З" и "Talysurf-5", позволяющих осуществлять измерения узких поверхностей. По принятой нами уточненной методике [85] для оценки поверхностей использовали следующие параметры:

Ra, (WRa) - среднее арифметическое отклонение профиля шероховатости и волнистости соответственно;

Rt, (WRt) - максимальное амплитудное значение профиля на оцениваемом участке;

Rtm, (WRtm) - среднее значение для Rmax (WRmax), определенное на пяти базовых длинах (эквивалент параметру Rz DIN);

Rp, (WRP) - наибольшая высота выступа неровностей профиля;

Рпъ ^Ярт) - среднее значение для Ыр (WRp), определенное в пределах нескольких последовательных длин участков в пределах базовой длины;

АР, (\УЛС>) - среднеквадратическое значение крутизны профиля измеряемой кромки на оцениваемом участке;

Яр, С\¥А,С>) - среднеквадратичное значение длины волны;

Бщ, - средний шаг неровностей профиля, измеряемый по средней линии на оцениваемой длине,

НБС, (\VHSC) - число полных циклов профиля, измеренных по средней линии; т — относительная опорная длина профиля по средней линии; г - средний радиус выступов неровностей, определенный как среднее арифметическое для пяти наибольших выступов в пределах базовой длины.

В качестве основных геометрических параметров узколенточных поверхностей тонколезвийного инструмента (УПТИ) нами приняты следующие параметры, определяющие микрогеометрию в нормальном сечении тела режущей кромки: р - радиус округления, который соответствует радиусу окружности, вписанной в поперечный профиль лезвия (см. рис. 1.6 и 1.8); и - направление неровностей, полученных при шлифовании алмазным инструментом; оно определяется углом, образовавшимся между продольной линией режущей кромки и направлением следов микрорезов, видимых на гранях лезвия ножа;

1ф\ и Р,ф2 - ширина фаски, каждой (1 и 2) из узколенточных поверхностей кромки лезвия ножа, при симметричной заточке, рис. 1.3 (Е). Если заточка несимметрична (Д), то имеем 1ф\ = Iп (передняя поверхность) и 1т = ^з (задняя поверхность), см. рис. 1.8, б;

Ь; - толщина ножа, измеренная в заданном уровне (1), отсчет которого начинается от средней линии кромки лезвия ножа (рис. 1.6, ж);

3 - угол заточки, см. рис. 1.3, 1.6, 1.8.

В принятой нами методике учитывали взаимодействие между шероховатостью, оцениваемой, например, параметром Ra, и углом заточки (3. На это указывают также данные работы [85]. В соответствии со схемой рис. 1.3 и 1.6, е могут быть ситуации, когда параметры микрогеометрии на гранях и неодинаковы. Поэтому получим, что на микрогеометрия равна Rab а на /?ф2 имеем Ra2. Это скажется как на RaK, так и на угле (3. Рассмотрим частные случаи, при которых шероховатости таковы (см. рис. 1.6, е):

1) Ral = Ra2 ,поэтому RaK = Ra /sÍü(P/2) (2. 1)

2) Rai > Ra2,поэтому RaK = Ra2/sin(<p) (2.2)

3) Ral < Ra2,поэтому RaK = Ra /sin(5), (2.3)

Согласно данным работы [84, 85], имеем, что ср = arctg Р

Ra sin — sin /3 ~ 2 ,

R„ eos P

Rq - R„ sin

2.4)

8 - arctg f P

R,, sin — sin В V z P

Ra¡ - R^ )sin + Ra sin ¡3 eos

2.5)

Учитывая указанные ситуации, приняли Как=/(Ка1. Ra2, Р), поэтому воспользовались зависимостью [85], которая позволяет учитывать разные условия формирования микрогеометрии на каждой из фасок лезвия. Итак, имеем

Ra = , ¡Ra 2 + R, 2 + 2R., Ra eos В i ¿ (i d\ а*, /

2.6)

V «2 а1 '

Здесь кс - коэффициент, зависящий от материала ножа, для сталей, исследуемых в наших опытах, кс = 0,5.0,7.

Приведенный набор параметров микрогеометрии позволяет всесторонне судить о состоянии прошлифованных узколенточных поверхностей ножа. Однако применение всего комплекса геометрических параметров в совокупности с набором физических свойств (микротвердость, структура, фазовый состав, напряжения и т.д.) ддя каждого опыта, а тем более серии опытов, когда, например, исследуется влияние скорости резания Vp или глубины шлифования t, требует больших временных и материальных затрат. Поэтому для ряда серий опытов делались ограничения и использовали набор геометрических параметров в виде Rai, Ra2, Rp, Rt, Sm, Р.ф, ß. В сочетании с оценкой структуры и микротвердости граней ножа это позволило достаточно объективно судить об эффективности влияния тех или иных технологических или конструктивных параметров на показатели процесса формообразования узколенточных рабочих поверхностей.

При оценке качества заточки ножей,используемых в устройствах разного назначения, все ножи сгруппировали по четырем уровням качества: 1 Умнк —>-Ra до 0,16 мкм, ¿ф=0,2*0,6 мм; 2 Умнк 0,16<R3<0,32mkm, ¿<¡>=0,6-5-1,2 мм; ЗУМНК —>0,32<Ra<0,64MKM, £ф=1,2*2,5 мм; 4УМИК -> R3>0,63mkm.

2.2.Средства измерения параметров качества лезвия

Формирование качества обработки УПТИ, в частности микротомных ножей, имеет свою специфику. Это требует проведения исследований в широком диапазоне схем обработки, режимов и условий шлифования; тщательного изучения получаемых макро- и микрогеометрических параметров режущей кромки, а также состояния и строение поверхностного слоя лезвия ножа. В работе использовали широкий диапазон средств варьирования условий и режимов заточки, поэтому все приборы и средства оценки получаемых поверхностей сгруппировали по двум направлениям. Первое - это контактные приборы (профилографы-профилометры) и устройства для получения отпечатков кромки лезвия, а также бесконтактные оптические и лазерные приборы, предназначенные для определения геометрических параметров. Второе - контактные и бесконтактные предназначенные ддя проведения разрушающих и неразрушающих испытаний, которые позволяют определять свойства и структуру материала лезвия ножа.

Приборы и устройства дня измерения микрогеометрических параметров режущей поверхности нож:а. Для определения продольной шероховатости узколенточной поверхности лезвийных инструментов использовали шуповой метод. Для замера параметров микрогеометрии применяли электронные про-филометры-профилографы (рис. 2.1, 2.2), которые оснащены чувствительным щупом-лопаточкой с радиусом округления кромки порядка 2 мкм и с минимальной шириной рабочей части лопаточки. Щуп предназначен специально для измерения продольной шероховатости узких поверхностей,

Прибор "Та1у8игГ-5" (рис. 2.1) представляет собой измерительную систему7 состояния поверхностного слоя модульной конструкции. В системе используется процессор для выполнения операций по выбору параметров шероховатости и волнистости совместно с построением профилограмм. Большая часть данных измерения получается в результате выполнения одного перемещения над поверхностью; значения параметров затем выбираются по желанию из запоминающих устройств. Электронная система "Та1у8иг£-5" позволяет измерять 12 параметров шероховатости и волнистости [86], пять из которых постоянно использовались нами в своих исследованиях рабочих поверхностей лезвийных инструментов, это параметры:

11а, - среднеарифметическое отклонение профиля шероховатости;

- среднее значение для Ятах определенное на пяти базовых длинах; Крт - среднее значение для наибольшей высоты неровности профиля определенное на пяти базовых длинах; - максимальное амплитудное значение профиля на оцениваемом участке; Яр - наибольшая высота неровности профиля;

Перед измерением параметров кромки лезвия производили ее подготовку, включающую в себя легкую зачистку с помощью специальных ремней из кожи и резины.

Для оценки состояния режущей кромки, ее геометрических параметров и строения структуры материала использовали металлографический инструментальный микроскоп ММР-4. Микроскоп предназначен для наблюдения и фотографирования объектов исследования в отраженном свете. шш ^ ч V Й шШШШШ ШШШ

Рис. 2.1. Прибор "ХиНготс-З " вместе с параметрическим модулем и графическим построителем профиля

Рис. 2.2, Измерительная система "Та1узиг/-5'

Набор объективов и окуляров обеспечивал увеличение микроскопа от 30

X X X до 1610 при визуальном наблюдении и от 50 до 1440 при фотографировании.

Для точного контроля угла заточки и определения радиуса округления лезвия использовали метод оттисков. Оттиски изготавливали путем внедрения трех предварительно сжатых свинцовых пластин в тело ножа перпендикулярно режущей кромке. Схема изготовления оттисков сходна с методикой работ [10, 64]. Проводилось также непосредственное измерение геометрических параметров и структурных свойств лезвия путем разрезки ножа на фрагменты и изготовления из них микрошлифов.

Оценку состояния кромки и замеры геометрических параметров производили следующим образом. Исследуемый образец помещали на предметный столик микроскопа. Для замера ширины рабочей поверхности нож устанавливали в вертикальной плоскости, а для оценки состояния рабочей поверхности нож располагали так, чтобы рабочая поверхность находилась в горизонтальной плоскости.

Методика исследования геометрических параметров рабочих поверхностей микротомных ножей. В исследованиях при измерении шероховатости использовали щуповой метод. Учитывая рекомендации [85], параметры микрогеометрии лезвия после его заточки определяли в следующем порядке. С трех произвольно выбранных участков, характерных участков для режущей поверхности ножа, снимали профилограмму. Вычисление параметров шероховатости режущей кромки осуществлялось автоматически приборами, представленными на рис. 2.1 и 2.2. Измерения проводили согласно инструкции по эксплуатации профилометра-профилографа. Перед каждым циклом измерений производилась контрольная проверка прибора. Образец размещали на специальном приспособлении. Его базировали таким образом, чтобы исследуемая поверхность располагалась в горизонтальной плоскости. Каждое измерение проводили 2-4 раза. При необходимости делали распечатку результатов измерения с построением профилограммы исследуемого участка.

Углы заострения и заточки определяли с использованием стандартных и специально усовершенствованных инструментальных угломеров с нониусом. Обеспечивалась точность измерений угла до ±0,2°, что вполне приемлемо для производственных и исследовательских целей.

Методика исследования микротвердости и микроструктуры. Состояние слоев материала ножа, микроструктура режущей кромки, микротвердость прикромочных участков и всей рабочей поверхности тонколезвийного инструмента формируются в процессе обработки под воздействием комплекса слолшых физико-химических процессов, протекающих при алмазном шлифовании. Физическое состояние режущего клина, образованного узколенточными рабочими поверхностями, отличается от основного материала тела ножа.

В исследованиях проводили измерение микротвердости поверхностей рабочих поверхностей прикромочных участков лезвия ножа и шлифов поперечного сечения лезвия ножа. Особенность определения микротвердости заключается в приложении малых нагрузок (20-100 г), что позволяет использовать данный метод для определения параметров тонких поверхностных слоев. Для измерения прочностных свойств использовали установку для определения твердости по Роквеллу и микротвердомер ПМТ-3 по стандартным методикам.

При выборе нагрузки на пирамидку учитывали то, что при росте нагрузки увеличивается точность отпечатка, но прибор показывает суммарную твердость по глубине отпечатка. При определении мюср о твердости на поперечных шлифах возникает опасность искажения отпечатка за счет пластической деформации материала в условиях больших нагрузок на индентор. Учитывая это, выбраны нагрузки в 20 и 50 г. Выдерживали минимально допустимое расстояние между отпечатками и от вершины кромки.

Время нагружения составляло 3.4 с, выдержки под нагрузкой - 10 с, время снятия нагрузки - 2. 3 с.

Измерение проводили по известной методике [79] как для поперечных срезов образцов, так и для рабочих поверхностей (тонких фасок размером

0.2-И.2 мм). Обычно для исследования использовали участки обработанной поверхности размером 10x3x1 мм. Отделение участка рабочей поверхности тонкого лезвия от основного тела ножа для изготовления шлифов осуществляли, используя электроэрозионный метод обработки.

Для исследования микроструктуры изготавливали прямые и косые шлифы режущей кромки. Образцы помещали в оправку, заливали самотвердеющей полиметилакриловой пластмассой. Затем на доводочной установке проводили шлифование поверхности последовательно на трех дисках, шаржированных абразивами различной зернистости. Окончательно образцы полировали, используя пасту ГОИ. Травление шлифов проводили в 3-5%-ном растворе азотной кислоты в этиловом спирте, следуя методике [79, 81].

При изучении структуры поверхности ножа и ее фотографировании использовали металлографический микроскоп ММР-4.

2.3. Математическая и статистическая обработка результатов экспериментов

В соответствии с задачами работы необходимо установить влияние технологических параметров процесса заточки на выходные показатели качества обработки. Требуется оценить производительность (съем материала) процесса шлифования. Использование большого числа параметров (см. гл. 2.1) для оценки получаемых результатов обработки требует повышения эффективности в планировании экспериментов. Однако при проведении предварительных экспериментов появились трудности в выборе наиболее весомых факторов. Это связано с тем, что в реальных условиях обработки, например, только на параметры микрогеометрии режущей кромки влияют: угол заточки ножа Р, зернистость шлифовального круга с!,, твердость связки шлифовального инструмента, направление заточных линий по отношению к профилю режущей кромки и, скорость резания круга Ур, скорость продольной подачи 8Ш усилие прижима ножа к кругу Рп, твердость материала ножа и др. Поэтому факторы разделили на группы, влияющие на процесс обработки, а именно: а) геометр ические параметры режущей части ножа; б) физико-механические свойства материала заготовки (ножа); в) характеристики алмазного шлифовального инструмента; г) параметры режима заточки; д) параметры, определяющие схему заточки; е) выходные показатели процесса шлифования; ж) прочие.

Проводили однофакторные и много факторные эксперименты, но поэтапно, учитывая зависимость между наиболее значимыми факторами, характеризующими указанные группы.

Анализ результатов, полученных в предварительных опытах, зависимостей и выражений позволил установить, что, например, на процесс съема металла активно влияют следующие факторы: сила взаимодействия 1;„ заготовки с инструментом; ширина £ф образуемой узколенточной поверхности тонколезвийного инструмента; величина удаляемого слоя (глубина резания) с каждой из сторон лезвия; угол контакта круга с обрабатываемой поверхностью; скорости перемещения детали относительно инструмента во всех направлениях; время обработки всей длины ножа; прочностные свойства материала ножа.

На основании анализа литературных данных и априорно полученных данных пришли к выводу, что для решения поставленных задач в качестве основных факторов следует использовать: скорость резания инструмента (Ур); силу прижима обрабатываемой поверхности ножа к инструменту (Рп); угол наклона рабочей поверхности круга к обрабатываемой плоскости ножа (ф); скорость продольного перемещения заготовки относительно рабочей поверхности абразивного круга (Бп); глубина шлифования (1:); число циклов обработки (ТЧ).

На предварительных этапах исследования, исходя из анализа литературных данных, были выбраны следующие пределы изменения переменных факторов: скорость круга (от 10 до 40 м/с); сила прижима обрабатываемой поверхности к кругу (от 1 до ЗОН); угол наклона круга к обрабатываемой поверхности (от 1° до 10°); скорость перемещения заготовки относительно круга (от 0,2 до 6 м/мин); глубина шлифования (от 2 до 20 мкм за один проход). Обычно число двойных ходов, называемых одним циклом обработки, составляет 1-10. Опыты показали, чтобы гарантированно избежать прижогов, рационально иметь 4-5 двойных ходов. Однако когда необходимо осуществлять увеличенный съем припуска, проводили до 10 циклов односторонней обработки' лезвия ножа. На оптимальных режимах заточки прижогов не было. Одно факторные зависимости не всегда обеспечивают достаточное количество информации. Чтобы достичь стабильности и воспроизводимости результатов по шероховатости, волнистости и остроте сформированных кромок, во многих ситуациях необходимо учесть взаимовлияния многих факторов, участвующих в формообразовании узколенточных фасок. Это сложно. Использование математических методов планирования эксперимента позволяет значительно упростить решение указанной проблемы, а также установить связь параметров шероховатости и волнистости поверхности лезвия с технологическими параметрами или отдельными элементами режима процесса заточки.

Для исследования условий обработки и процесса формообразования лезвия ножа применили математическое планирование эксперимента. При этом была реализована дробная реплика типа 254 полного факторного эксперимента 25. В качестве независимых переменных выбраны: X, - скорость резания, м/с; - сила пррежима, Н; Хз - наклон круга к плоскости резания, град.; Х4 - скорость продольного перемещения обрабатываемого изделия, м/мин; Х5 - глубина шлифования, мкм (при заданном числе двойных ходов).

Порядок проведения опытов и обработку результатов осуществляли с учетом рекомендаций [36, 85], применяя опробованные методики. Базовые уровни, шаги варьирования, верхние и нижние уровни управляемых факторов в кодированном и натуральном выражении представлены в табл. 2.1. Все опыты рандомизировали по времени при помощи таблицы равномерно распределенных случайных чисел.

Математическая модель показателя У процесса формообразования граней лезвия в кодированных переменных представим следующим выражением:

У = С-Х" -х/ -X/ -х/ -Х5£, (2.7) где, С - постоянная, отражающая влияние на процесс неучтенных факторов; а, Р, у, 5 и 8 - коэффициенты, определяемые экспериментальным путем.

1. С учетом технологической наследственности шероховатость исходной поверхности заготовок была в пределах Ка = 2,0.2,75 мкм.

2. На основании анализа существующих литературных данных, используя наш опыт и результаты предварительных экспериментов, были сформулированы следующие рабочие гипотезы.

3. При односторонней заточке клинового тонколезвийного инструмента основное количество образующегося в процессе шлифования тепла излучается в окружающую среду с кромки лезвия.

4. Общая программа проведения работ такова.

5. ПРОГРАММА ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТ

6. РАЗРАБОТКА СПОСОБОВ ЗАТОЧКИ ИНСТРУМЕНТА

7. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ЦИКЛИЧЕСКОГО СЪЁМА МЕТАЛЛА -АДДИТИВНО

8. РАЗРАБОТКА ФИЗИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ПРОЦЕССА ЗАТОЧКИ

9. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЗАИМОСВЯЗЕЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ С КАЧЕСТВОМ ПРОЦЕССА ОБРАБОТКИ1

10. ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ, МАКЕТИРОВАНИЕ

11. РАЗРАБОТКА И СОЗДАНИЕ ПОРТАТИВНОГО СТАНКА ДЛЯ ЗАТОЧКИ УЗКОЛЕНТОЧНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ

12. УСТАНОВЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ЗАТОЧКИ

13. ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ, ВНЕДРЕНИЯ25. Выводы

14. При заточке узколенточных рабочих поверхностей микротомных ножей предпочтительна схема шлифования, реализующая поочередную циклическую обработку каждой из граней лезвия алмазным инструментом, что обеспечит стабильные и приемлемые условия обработки.

15. Наличие угла заострения лезвия или, как его еще называют, утла раствора клина приводит к тому, что температурное поле шлифуемого клина в области близкой к ребру существенно отличается от температурного поля массивной детали.

16. В нашем случае имеем следующее:q(z) = (дТ •к-ехр-к2.)/[Ьн(1-ехр)[-к1ф]]), (3.3)но, когда г = 1- источник в точке имеет интенсивность, близкую к нулю, к1«3, т. е. при быстро убывающей функции получим

17. Я (2) = 3(2т/Ьн1ф-ехр-3\[/., (3.4)где \|/ = г/1ф, 1ф ширина фаски, Ьн - длина лезвия ножа в зоне контакта с абразивным кругом.

18. СЬ(х,у,г,т) = К(х,у,г,т)-дА(х,у,2,т), (3.6)или с учетом максимальной температуры имеем-Ов = Км-дАтах (3.7)