автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Совершенствование технологии профильного врезного алмазного шлифования на основе повышения размерной стойкости круга

Пензенский государственный университет

На правах рукописи

Новичков Андрей Владимирович

Совершенствование технологии профильного врезного алмазного Шлифования на основе повышения размерной стойкости круга

Специальность 05.02.08 - Технология машиностроения

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических

наук

Научные руководители: Заслуженный деятель науки и техники Российской Федерации, доктор технических наук, профессор

Мартынов А.Н.

Кандидат технических наук , доцент

Соколов В.О.

Пенза - 1999

Содержание

Введение .................................. 3

1. Состояние вопроса. Цель и задачи исследования ............5

1.1 Область применения профильного алмазного шлифования...... 5

1.2 Влияние технологических режимов и параметров

алмазоносного слоя на износ шлифовального круга ........... 8

1.3 Особенности износа профильных алмазных кругов и пути повышения их размерной стойкости .......... . ........14

1.4 Выводы , цель и задачи исследования .................. 22

2. Теоретическое исследование износа алмазного круга при профильном шлифовании и его влияния на точность изделия . . .........24

2.1 Моделирование рабочей поверхности алмазного шлифовального круга 24

2.2 Аналитическое определение износа фасонного алмазного круга на различных участках профиля .......................30

2.3 Исследование погрешности профиля изделия ,

вызванной износом алмазного круга .................. 39

2.4 Выводы ....... . ......................... 42

3. Экспериментальные исследования закономерностей износа алмазных кругов и точности профильного

шлифования ............................... 43

3.1 Методика проведения исследований ..................43

3.2 Исследование рельефа рабочей поверхности

алмазных кругов . ........................... 54

3.3 Экспериментальные исследования удельного

износа алмазных шлифовальных кругов ....... ..........63

3.4 Исследование закономерностей износа фасонных алмазных кругов и точности профильного шлифования ...................74

3.5 Выводы .................................. 77

4. Исследование процесса повышения размерной стойкости профильных алмазных кругов путем

накатывания роликом...........................79

4.1 Технология получения профильных алмазных

кругов с повышенной размерной стойкостью ....................79

4.2 Определение силовых параметров накатывания

профильных алмазных кругов .............................81

4.3 Исследование размерной стойкости и

работоспособности алмазных кругов ........ .4.........91

4.4 Выводы ..................................96

5. Разработка практических рекомендаций и средств технологического оснащения для управления размерной стойкостью профильных алмазных кругов .............................98

5.1 Методика расчета параметров накатывания ............... 98

5.2 Разработка средств технологического оснащения для получения профильных алмазных кругов с повышенной размерной стойкостью . . 102

5.3 Выводы ............................................109

6. Общие выводы ..............................111

Литература ...............................113

Список сокращений ..........................125

Приложение ..............................126

Введение

В настоящее время , в связи с растущей конкуренцией на внешнем рынке, как никогда остро стоит проблема повышения производительности труда , а также качества выпускаемой продукции. В современных условиях все более широкое применение находят изделия , имеющие сложную форму и повышенные требования к точности и качеству обработанной поверхности.

Профильное врезное алмазное шлифование является одним из наиболее производительных способов получения изделий сложной конфигурации из труднообрабатываемых материалов. Точность и производительность процесса , как правило , зависят от исходной точности его профиля и правильного выбора характеристики алмазного круга , режимов обработки. В то же время высокая исходная точность и режущая способность не обеспечивают заданных точностных параметров и качества поверхности в течении длительного периода времени , вследствии износа алмазного круга. При шлифовании профильным инструментом проблема износа усугубляется также его неравномерностью , что объясняется удалением неодинаковой величины припуска с различных участков фасонного профиля.

Обзор научных публикаций , посвященных вопросам формообразования изделий при профильном шлифовании , а также износу и стойкости алмазных кругов показал отсутствие комплексных исследований износа и связанной с ним погрешности профиля изделий.

Диссертационная работа посвящена изысканию возможностей повышения точности и эффективности профильного алмазного шлифования на основе управления размерной стойкостью круга.

В работе получены вероятностно-статистическая модель линейного износа алмазного круга , позволяющая определить его величину в различных точках профиля , а также выражение для расчета погрешности профиля

обрабатываемого изделия , вызванной износом шлифовального круга.

Разработана новая технология получения профильных алмазных кругов с повышенной размерной стойкостью за две технологические операции.

Предложена методика расчета силовых параметров накатывания, которая реализована в виде автономного модуля , встраивающегося в состав системы автоматизированного проектирования технологического процесса.

Определены основные принципы целевой модернизации серийного оборудования для осуществления процесса накатывания , приведена конструкция средств технологического оснащения , позволяющая получать профильные алмазные круги с повышенной размерной стойкостью.

1.Состояние вопроса. Цель и задачи исследования 1.1 Область применения профильного алмазного шлифования

Повышенный интерес к проблемам профильной алмазно-абразивной обработки особенно возрос в связи с расширением номенклатуры изделий, изготавливаемых из труднообрабатываемых материалов, таких как твердые сплавы, быстрорежущие стали, магнитные и жаропрочные сплавы и неметаллические материалы (керамика, ферриты, стекло и т.д.).

Успешное применение алмазно-абразивных инструментов, а также совершенствование технологии их производства создали реальные предпосылки для внедрения в промышленность процессов алмазно-абразивной обработки инструментами сложного профиля. В отличие от методов изготовления изделий на копировально-шлифовальных и профилешлифовальных станках обработка профильными алмазными кругами обеспечивает значительное (до 50 раз) повышение производительности [34]. При этом, благодаря повторяемости размеров и высокой стойкости инструмента, точность геометрических параметров сохраняется в пределах большой партии обрабатываемых изделий.

Можно выделить следующие области применения профильных алмазно-абразивных инструментов : обработка фасонных твердосплавных режущих и мерительных инструментов, обработка изделий основного производства (неинструментальных), изготавливаемых из труднообрабатываемых материалов и имеющих сложную форму.

Весьма перспективно внедрение профильной алмазно-абразивной обработки в инструментальном производстве. Известно, что фасонный режущий и мерительный инструмент является наиболее трудоемким из всей номенклатуры изделий инструментального производства, причём его применение непрерывно возрастает благодаря высокой стойкости размеров по профилю.

При изготовлении твердосплавных монолитных сверл и других концевых инструментов профильное шлифование нашло широкое применение для вы-шлифовки канавок [32,33,38].

Практика показывает, что при затыловании задней поверхности фасонных твердосплавных фрез и протяжек профильное алмазное шлифование является единственно приемлемым технологическим процессом [35,70,84].

Алмазно-абразивные профильные инструменты получили достаточно широкое применение при изготовлении резьбо- и зубообрабатывающего инструмента : метчиков, резьбовых фрез, долбяков, накатных роликов, калибров [49,59,113,118].

Внедрение профильного врезного алмазного шлифования особенно эффективно в радиоэлектронной и приборостроительной промышленности, где имеет место обработка небольших по размерам, но сложных по форме изделий, требующих высокой точности и качества обрабатываемых поверхностей [18,24,73].

Об эффективности применения профильного шлифования при изготовлении некоторых инструментов и изделий можно судить по таблице 1.1, приведенной в работе В.Д. Дорофеева [34]. Как видно из таблицы, производительность обработки с использованием профильных инструментов повышается от 3 до 50 раз, при этом стойкость инструмента возрастает в десятки раз.

Исходя из вышеизложенного, можно сделать вывод о целесообразности широкого внедрения этой обработки в различных отраслях промышленности. Однако, зачастую применение профильного алмазного шлифования существенно сдерживается в связи с трудностями, возникающими при технологической подготовке этого процесса.

Исходя из вышеизложенного, можно сделать вывод о целесообразности широкого внедрения этой обработки в различных отраслях промышленности.

Таблица 1.1

Сведения о процессах профильного алмазного шлифования и их эффективности [34]

Наименовние Алмазный Обраба- Эксплуатационные показатели Эффективность

процесса инструмент тываемое изделие Время обработки, Стойкость между Повышение производи- Повышение стойкости

мин / шт правками, шт. тельности (число раз) (число раз)

Многониточ-

ное резьбо- 035Ох15-22мм Метчики 3...5 2000... 15 . 20

шлифование 2500

напроход

Много ниточ-

ное резьбо- 0350x15 мм Калибры- 3 2500 5 7

шлифование пробки

врезанием

Внутреннее

резьбошли- 050x10 мм Калибры- 10...20 10...30 10 10

фование кольца

Бесцентровое

резьбопши- 0300x40 мм Подстро- 0,01 650000 1,5 50

фование ечники

Плоское

врезное шли- 0350x25 мм Гребенки 4 1500 50 10...20

фование

Однако, зачастую применение профильного алмазного шлифования существенно сдерживается в связи с трудностями, возникающими при технологической подготовке этого процесса.

1.2 Влияние технологических режимов и параметров алмазного слоя на износ шлифовального круга

Износ шлифовального круга обычно характеризуется удельным расходом алмазов обрабатываемого материала выражаемым объемом изношенного алмазосодержащего слоя или массой алмазов , содержащихся в нем , приходящихся на единицу массы или объема удаленного материала. Износ шлифовальных инструментов прежде всего зависит от характера износа режущих зерен. Абразивные зерна в круге могут изнашиваться в основном или путем скалывания крупных частиц или полного вырывания зерна из связки [91] , а также путем интенсивного его истирания.

Износ зерен природного алмаза может происходить в следствии истирания с образованием площадок износа [65,91] или в результате их выкрашивания и выламывания из связки. Зерна синтетического алмаза могут изнашиваться в основном путем хрупкого микровыкрашивания , так как они имеют большое количество мелких режущих кромок [91]. Такие зерна прочно удерживаются в связке и работают почти до полного истирания. Образование даже небольших площадок износа в кругах с синтетическими алмазами происходит очень редко , поэтому такие инструменты обладают высокой стойкостью и хорошей режущей способностью.

Обрабатываемый материал и условия обработки могут оказывать влияние на различные виды износа алмазных зерен [65].При шлифовании алмазными кругами возможны следующие виды износа: адгезионный , абразивный и диффузионный. Кроме того , встречаются их комбинации: одновременный адгезионный и диффузионный или абразивный , адгезионный и диффузионный. При-

чем разницы в износе отдельно взятого алмазного зерна и всех зерен шлифовального круга при равных условиях не отмечено [65].

Согласно работ [66,102] наряду с истиранием , скалыванием и разрушением зерен при алмазно-абразивной обработке наблюдается механическое разрушение связки продуктами износа и обрабатываемым материалом. Так же может происходить схватывание связки со шлифуемым материалом , при определенных условиях , что ведет к глубинному вырыванию целых участков режущей поверхности инструмента и отделению сразу нескольких алмазных зерен.

Различные виды связок оказывают неодинаковое влияние на характер износа шлифовального круга [58]. Применение инструментов на металлических связках ведет не только к истиранию и затуплению алмазных зерен, но и забиванию пространства между ними. Пустоты засоряются мелкой стружкой и другими отходами шлифования и под воздействием сил резания постепенно прессуются. Это ведет к засорению рабочей поверхности алмазного шлифовального круга , что заметно снижает его режущие способности и несколько уменьшает шероховатость изделия. В дальнейшем этот спрессованный из отходов слой отделяется от рабочей поверхности инструмента , что способствует некоторому улучшению его режущих свойств. Это явление повторяется до полного затупления круга. Вследствие этого процесса шлифовальные алмазные круги на металлических связках требуют периодической очистки и правки. После проведения этих операций в начальный период обработки происходит повышенный износ вершин зерен. Плохо ориентированные и дефектные зерна , а также находящаяся на поверхности связка удаляются , износ круга замедляется и начинается этап его нормальной работы.

В кругах на органических связках зерна постепенно истираются , что в свою очередь , ведет к росту тангенциальной составляющей силы резания [58]. Удаление зерен из связки происходит в момент , когда силы , стремящиеся их вырвать , превысят силы удержания. В верхнем слое связки идет быстрый износ

и на поверхности шлифовального круга оказываются новые алмазные зерна , попадающие в зону резания и вступающие в работу взамен удаленных. Такая закономерность наблюдается при определенных условиях обработки.

Возникновение того или иного вида износа алмазных зерен и преобладание одного над другим главным образом зависит от условий шлифования. При одинаковых условиях алмазно-абразивной обработки преобладающее влияние на износ шлифовального инструмента оказывают: характеристика круга , режимы резания и состояние , в котором находится оборудование на момент выполнения технологической операции.

При выборе оптимальной зернистости круга по его влиянию на удельный износ многие авторы приходят к противоречивым результатам. Так в работе [29] при плоском шлифовании твердого сплава кругами на металлических связках делают вывод , что при увеличении зерен алмазного круга его удельный износ возрастает незначительно. С другой стороны в работах [26, 58,81,92,93,106] при профильном и плоском шлифовании твердого сплава алмазными кругами на органических связках наблюдается снижение удельного износа с увеличением зернистости. По мнению авторов это объясняется лучшим удержанием в связке более крупных зерен. Увеличение размера алмазного зерна практически не влияет на его прочность, что встречается у обычных абразивных кругов. Для кругов на металлической связке М1 при тех же условиях шлифования [93] отмечается перегиб кривой износа в сторону увеличения при зернистости 200/160. Это объясняется уменьшением прочности зерен, имеющих крупный размер. Схожий характер износа алмазных кругов на органических связках отмечен в работах [22,45]. В работе [60] говорится, что износ растет при увеличении зернистости только до 100/80, а в дальнейшем его рост уменьшается. Отличия в опытных данных скорее всего можно объяснить различными условиями проведения экспериментов.

Величина концентрации алмазных зерен оказывает большее влияние на величину удельного износа алмазных шлифовальных кругов. С увеличением концентрации до 200% удельный износ уменьшается [23,30,92,93]. Это справедливо как для кругов на органических связках , так и для алмазно-абразивных инструментов на металлических связках. Уменьшение износа объясняется тем , что с ростом концентрации удержание зерен в связке становится более прочным.

Некоторые авторы считают , что увеличение концентрации приводит к уменьшению удельной нагрузки на каждое зерно , так как число контактов режущих зерен и шлифуемой поверхности в единицу времени увеличивается , что , в свою очередь , приводит к относительно более прочному удержанию связкой алмазных зерен. Однако в этом вопросе прослеживаются расхождения. В работе [29] утверждается , что с увеличением концентрации удельный расход алмазов , а следовательно и удельный износ кругов на металлических связках увеличивается.

В работе [81] отмечается уменьшение удельного износа только при росте концентрации до 150% , а затем его увеличение. В работе [62] высказывается мнение, что самый большой удельный расход алмазов имеют круги со 100% концентраций по сравнению с кругами , имеющими концентрацию 50 и 200%. С другой стороны при профильном шлифовании тупой вершиной круга формы А2П [26] наименьшей удельный износ получен как раз для 100% концентрации.

При выявлении влияния на удельный износ типа связки отмечалось, что для органи�