Повышение эффективности плоского шлифования периферией круга за счет использования прерывистых кругов с упругодемпфирующими элементами – часть 1

Машиностроение      Постоянная ссылка | Все категории

На правах рукописи

СМИРНОВ ВИТАЛИЙ АЛЕКСЕЕВИЧ

УДК 621. 923

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПЛОСКОГО ШЛИФОВАНИЯ ПЕРИФЕРИЕЙ КРУГА ЗА СЧЕТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПРЕРЫВИСТЫХ КРУГОВ С УПРУГОДЕМПФИРУЮЩИМИ ЭЛЕМЕНТАМИ

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

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Ижевск – 2008

Работа выполнена на кафедре «Технология машиностроения и приборостроения» Воткинского филиала Ижевского государственного технического университета (ИжГТУ)

Научный руководитель – доктор технических наук

Репко Александр Валентинович

Официальные оппоненты – доктор технических наук, профессор

Макаров Владимир Федорович

кандидат технических наук

Мурзин Юрий Павлович

Ведущая организация – ФГУП «Воткинский завод», г. Воткинск

Защита состоится 12 декабря 2008 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.065.02 в Ижевском государственном техническом университете по адресу: 426069, г. Ижевск, ул. Студенческая 7, ИжГТУ.

Отзыв на автореферат, заверенный гербовой печатью, просим выслать по указанному адресу.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ижевского государственного технического университета.

Автореферат разослан “…” ………… 2008 г.



Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Актуальной проблемой в настоящее время является проблема обеспечения заданного качества и высокой производительности шлифования заготовок из сплавов на основе титана и других сплавов, склонных к возникновению тепловых дефектов. Недостатками традиционных методов шлифования при обработке таких материалов являются: невозможность получения поверхностей требуемого качества как по геометрическим, так и по физико-механическим характеристикам, возникновение прижогов, повышенный износ шлифовального круга, низкая производительность обработки.

Труднообрабатываемые материалы, такие, как титановые сплавы, обладающие уникальным комплексом физико-механических свойств, широко применяются при изготовлении деталей авиационной и космической техники. Наиболее распространенной операцией окончательной обработки таких деталей является шлифование, при котором вследствие высокой температуры в зоне резания происходит повышение химической активности обрабатываемого материала к кислороду, азоту и водороду, и возможно возникновение прижогов и микротрещин на поверхности заготовки, что снижает эксплуатационные характеристики деталей: усталостную прочность, износоустойчивость. Снижение эксплуатационных свойств для указанных деталей недопустимо.

Шлифование указанных материалов сопровождается адгезией, диффузией и химическим взаимодействием обрабатываемого и материала и зерен шлифовального круга, что приводит к повышенному износу круга и увеличению затрат времени на его правку.

Требуемое качество шлифованных поверхностей деталей из рассматриваемых материалов обеспечивается, как правило, подбором режимов шлифования в ущерб производительности обработки. Однако на настоящий момент не существует методов шлифования, обеспечивающих полное отсутствие тепловых дефектов шлифованной поверхности. Повышение требований к качеству поверхностного слоя изделий требует изыскания новых, более прогрессивных методов окончательной обработки, обеспечивающих получение требуемых параметров качества при высокой производительности.

В связи с этим актуальным направлением современной металлообработки можно считать совершенствование существующего или разработка нового шлифовального инструмента, позволяющего регулировать температуру в зоне резания, что позволит повысить качество обработанных поверхностей, а также стойкость шлифовальных кругов. Диссертационная работа, направленная на решение указанных проблем, актуальна в условиях современного машиностроения.

Цель диссертационной работы: обеспечение условий бездефектного шлифования сплавов, склонных к возникновению тепловых дефектов и увеличение периода стойкости круга за счет использования прерывистых кругов с упругодемпфирующими элементами (УДЭ).

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

1. Разработать математические модели для определения изменения параметров срезаемого слоя с учетом неравномерного износа прерывистого круга, неравномерности припуска под обработку и вибраций в технологической системе.

2. Провести исследования деформации УДЭ за время прохода режущего сегмента прерывистого круга через зону резания, учитывающие переходный процесс деформации и поворот сегмента.

3. Разработать математические модели изменения сил резания и температуры в зоне резания с учетом коэффициентов динамичности, геометрической точности поверхности при использовании прерывистых кругов с УДЭ.

4. Разработать методику и алгоритм расчета параметров прерывистых шлифовальных кругов с УДЭ, реализующих управление силой резания и снижение уровня вибраций в зоне резания.

5. Разработать конструкции, определить технологические возможности, составить технологические рекомендации по применению прерывистых шлифовальных кругов с УДЭ.

Методы исследований. Теоретические исследования проводились на базе теории процесса шлифования, теории механических колебаний, средств вычислительной техники, численных методов интегрирования, решения нелинейных и дифференциальных уравнений, условной оптимизации. Для математической обработки экспериментальных данных и проверки адекватности математических моделей использовались методы математической статистики, спектрального анализа гармонических сигналов.

Экспериментальные исследования проводились с использованием методов планирования эксперимента на основе известных методик в лабораторных и производственных условиях на специально спроектированных и изготовленных установках. В экспериментальных исследованиях применялись разработанные автором шлифовальные круги прогрессивных конструкций, модернизированные станки и современная контрольно-измерительная аппаратура.

На защиту выносятся результаты теоретических и экспериментальных исследований процесса шлифования ПШК, конструкции, методики расчета и решение задачи выбора рациональных параметров ПШК с УДЭ, обеспечивающих повышение эффективности и расширение технологических возможностей процесса плоского шлифования периферией круга за счет снижения уровня вибраций и управления мгновенными величинами составляющих сил резания.

Научная новизна работы заключается в следующем.

Разработаны компоненты динамической модели шлифования ПШК с УДЭ:

1) математические модели изменения параметров срезаемого слоя, учитывающие влияние динамических факторов (неравномерный износ ПШК, вибрации в технологической системе и неравномерность припуска под обработку) и возможность нарушения контакта круга с заготовкой; исследования деформации УДЭ за время прохода режущего сегмента через зону резания с учетом переходного процесса деформации и поворота сегмента. Проведенные исследования и разработанные математические модели позволяют описать изменение составляющих сил резания и определить геометрическую точность обработанной поверхности при шлифовании ПШК с УДЭ;

2) математические модели изменения сил резания, геометрической точности поверхности, износа круга и температуры в зоне резания при шлифовании ПШК с УДЭ, учитывающие степень затупления круга, упругую деформацию УДЭ и влияние динамических факторов, и позволяющие установить степень влияния каждого из факторов и разработать рекомендации по проектированию ПШК с УДЭ;

Практическая полезность заключается в следующем:

- разработаны конструкции, методика и алгоритм расчета параметров ПШК с УДЭ, обеспечивающих снижение уровня вибраций в зоне резания до 4 раз, снижение контактной температуры до 20% и вероятности возникновения тепловых дефектов всех видов, особенно при износе и затуплении круга, требуемую геометрическую точность и шероховатость шлифованной поверхности, снижение неравномерности износа круга до 1,5 раз и повышение стойкости до пяти раз при обеспечении высокой производительности обработки, соответствующей текущей режущей способности круга.

Реализация результатов. Разработанные конструкции ПШК с УДЭ и технологические рекомендации по их применению внедрены на ООО ПКФ «Техновек» и ЗАО «Базальтовое волокно».

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на научно-технических и научно-методических конференциях «Шлифабразив – 2006», «Шлифабразив – 2007», «Шлифабразив – 2008» (г. Волжский, Волгоградской обл.), «Научные и методические проблемы подготовки конкурентоспособных специалистов для Удмуртии» (г. Ижевск, 2007).

В полном объеме диссертация заслушана и одобрена на совместном заседании кафедр «Производство механизмов и машин» ИжГТУ и «Технология машиностроения и приборостроения» Воткинского филиала ИжГТУ в 2008 году.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано двенадцать работ (статей) в центральной печати, в том числе пять статей в журналах, включенных в перечень ВАК – «Технология машиностроения» (2 статьи), «Вестник ИжГТУ», «Металлообработка», «СТИН».

Структура и объем диссертации. Диссертация содержит введение, четыре главы, заключение, список литературы из 105 наименований, одно приложение, акты внедрения. Работа изложена на 131 листе машинописного текста, содержит 43 рисунка и 9 таблиц.

Содержание работы.

Во введении обосновывается актуальность темы, дается общая характеристика работы и направленность исследований.

В первой главе рассматриваются причины возникновения и способы устранения тепловых дефектов при шлифовании, а также существующие исследования в области динамики процесса шлифования.

Рассмотрены разновидности тепловых дефектов, которые могут возникнуть при шлифовании и факторы, оказывающие влияние на их формирование. В результате анализа работ П. И.Ящерицына, В. А.Сипайлова, А. В.Якимова и др. можно выделить 4 фактора, определяющих температуру в зоне резания и процессы, определяющие значение каждого из четырех факторов (рис. 1).

Рис. 1. Классификация процессов, определяющих возникновение тепловых дефектов

Проведен анализ существующих теоретических и экспериментальных исследований изменения параметров срезаемого слоя, сил резания, теплонапряженности шлифования обычными и прерывистыми кругами, проведенных А. Н.Резниковым, В. И.Островским, Е. Н.Масловым, Д. Г.Евсеевым, Ф. Ю.Свитковским, В. А.Сипайловым, А. В.Якимовым и др. Установлено, что мало внимания уделяется учету влияния некоторых факторов динамики процесса: затупление, неравномерный износ круга, вибрации в технологической системе, неравномерность припуска, увеличение сил резания при работе торца абразивного сегмента прерывистого шлифовального круга (ПШК) (рис. 1). Моделирование динамики шлифования сводится, как правило, к абстрактному качественному описанию происходящих явлений, но существующих теоретических и экспериментальных исследований в данной области явно недостаточно.

Различные способы подвода смазывающе-охлаждающего технологического средства (СОТС) при плоском шлифовании периферией круга, их достоинства и недостатки рассмотрены в работах А. Н.Резникова, Л. В.Худобина, А. В.Репко, Д. Г.Евсеева и др. Одним из способов подачи СОТС при шлифовании сплавов, склонных к возникновению тепловых дефектов, является подача СОТС через впадины на поверхности ПШК, что позволяет снизить теплонапряженность процесса и уменьшить вероятность появления шлифовочных дефектов. Основными недостатками ПШК, ограничивающими их технологические возможности, являются:

1) большой размерный износ круга из-за меньшей рабочей площади периферии круга и ударного характера сил резания;

2) более высокий уровень вибраций в технологической системе;

3) некоторые причины возникновения тепловых дефектов не могут быть устранены с помощью известных ПШК, например, неравномерность свойств материала заготовки, недостаточный подвод жидкости в зону резания, износ или засаливание инструмента, вибрации в зоне резания, нарушение припуска или геометрической точности поступающей заготовки и др.

На основании обзора и анализа существующих методов снижения вероятности возникновения тепловых дефектов при шлифовании определено, что весьма перспективными направлениями повышения эффективности обработки являются снижение уровня вибраций в зоне резания и управление динамикой процесса шлифования.

Среди рассмотренных способов управления процессом шлифования следует отметить управление по величинам сил резания и использование упругой схемы шлифования. Перспективным направлением повышения эффективности шлифования сплавов, склонных к возникновению тепловых дефектов, можно считать разработку ПШК с упруго закрепленными режущими элементами.

В заключение первой главы, на основании анализа состояния проблемы и выбранного направления исследований, сформулированы цель работы и задачи исследований.

Во второй главе разрабатываются компоненты динамической модели процесса шлифования и разрабатываются методика и алгоритм расчета ПШК с УДЭ.

К факторам динамики процесса шлифования относятся следующие: неравномерность припуска под обработку, изменение режущей способности круга вследствие затупления или засаливания абразивных зерен, эксцентриситет и неравномерный износ круга, относительные вибрации круга и заготовки (рис. 2).

При разработке компонентов динамической модели шлифования исходим из следующих допущений: предполагаем, что динамические факторы, рассмотренные выше, односторонне влияют на изменение параметров срезаемого слоя, составляющих сил резания, температуру в зоне резания и точность обработки. Рассматривается влияние каждого из динамических факторов независимо друг от друга. Это позволяет установить степень влияния каждого из факторов в отдельности.

Основными факторами, определяющими все показатели процесса шлифования, являются параметры срезаемого слоя: толщина среза и длина дуги контакта круга с заготовкой. С целью учета совместного влияния динамических, статических и кинематических факторов на показатели процесса шлифования, проведены исследования изменения параметров срезаемого слоя.

Исследования показали, что тангенциальные (ωz) и крутильные (ωокр) колебания круга относительно заготовки можно в дальнейшем не учитывать, так как их совместное влияние по результатам расчета составляет не более 1% от влияния радиальных колебаний (ωy).

Механизм влияния динамических факторов на изменение параметров срезаемого слоя одинаков. Степень их влияния зависит не только от некруглости шлифовального круга, амплитуды и частоты вибраций, но и от глубины резания, радиуса, окружной скорости вращения круга и скорости подачи заготовки.

При определенных параметрах колебаний и кинематических соотношениях может нарушаться непрерывность контакта круга и заготовки, что необходимо учитывать при нахождении закона изменения толщины срезаемого слоя за период колебаний. Получено граничное условие непрерывности контакта круга и заготовки (рис. 3):

, (1)

где Vз – скорость подачи заготовки, t – фактическая глубина резания, R – радиус шлифовального круга, Ai, νi – соответственно амплитуда и частота i-ой гармоники колебаний.

Для случая прерывистого контакта круга с заготовкой получены трансцендентные уравнения для нахождения координат точек выхода и входа шлифовального круга в заготовку xвх и хвых и соответствующих им углов поворота круга φвх и φвых.

(2)

Для определения толщины срезаемого слоя, приходящегося на некоторый сектор круга, вводится величина, характеризующая скорость изменения толщины срезаемого слоя:

, (3)

где φугол поворота шлифовального круга.

Величина срезаемого слоя сектором круга aZсект может быть найдена интегрированием величины vZ на заданном интервале :

(4)

Степень влияния радиальных вибраций шлифовального круга относительно заготовки на соотношение пиковой и средней величины срезаемого слоя характеризуется коэффициентом kv (рис.4):

(5)

Получена математическая модель для определения изменения длины дуги контакта круга с заготовкой за один оборот круга:

 

(6)

Машиностроение      Постоянная ссылка | Все категории
Мы в соцсетях:




Архивы pandia.ru
Алфавит: АБВГДЕЗИКЛМНОПРСТУФЦЧШЭ Я

Новости и разделы


Авто
История · Термины
Бытовая техника
Климатическая · Кухонная
Бизнес и финансы
Инвестиции · Недвижимость
Все для дома и дачи
Дача, сад, огород · Интерьер · Кулинария
Дети
Беременность · Прочие материалы
Животные и растения
Компьютеры
Интернет · IP-телефония · Webmasters
Красота и здоровье
Народные рецепты
Новости и события
Общество · Политика · Финансы
Образование и науки
Право · Математика · Экономика
Техника и технологии
Авиация · Военное дело · Металлургия
Производство и промышленность
Cвязь · Машиностроение · Транспорт
Страны мира
Азия · Америка · Африка · Европа
Религия и духовные практики
Секты · Сонники
Словари и справочники
Бизнес · БСЕ · Этимологические · Языковые
Строительство и ремонт
Материалы · Ремонт · Сантехника