Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
ПОЛТАВЕЦЬ Валерій Васильович
УДК 621.923
ОБГРУНТУВАННЯ РЕЖИМІВ ШЛІФУВАННЯ ВАЖКООБРОБЛЮВАНИХ
МАТЕРІАЛІВ ПРИ ЕЛЕКТРОЕРОЗІЙНІЙ ДІЇ НА РОБОЧУ ПОВЕРХНЮ КРУГА
Спеціальність 05.03.01 – Процеси механічної обробки, верстати та
інструменти
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Донецьк – 2001
Дисертацією є рукопис
Робота виконана на кафедрі "Металорізальні верстати та інструменти" Донецького національного технічного університету Міністерства освіти та науки України.
Науковий керівник: доктор технічних наук, професор
Матюха Петро Григорович, Донецький національний технічний університет, завідувач кафедри "Металорізальні верстати та інструменти"
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор
Узунян Матвій Данилович, Національний технічний університет "ХПІ", м. Харків, професор кафедри "Різання матеріалів та ріжучий інструмент";
кандидат технічних наук
Сохань Сергій Васильович, Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М.Бакуля НАН України, м. Київ, старший науковий співробітник
Провідна установа: Запорізький державний технічний університет,
кафедра "Металорізальні верстати та інструменти",
Міністерство освіти та науки України
Захист відбудеться 06.12.2001 р. о 14.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 11.052.04 Донецького національного технічного університету за адресою: 83000, м. Донецьк, вул. Артема, 58, ДНТУ, 6-й навчальний корпус, ауд. 6.202.
З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці ДНТУ за адресою: 83000, м. Донецьк, вул. Артема, 58, ДНТУ, 2-й навчальний корпус.
Автореферат розісланий 05.11.2001 р.
Учений секретар спеціалізованої
вченої ради, к. т. н., доцент Івченко Т. Г.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Створення конкурентоспроможної продукції машинобудування базується на використанні високоміцних, зносостійких конструкційних матеріалів. Однак високі механічні властивості та твердість таких матеріалів утруднюють їх обробку різанням, що вимагає створення нових прогресивних процесів обробки інструментами з високою ріжучою здатністю, які відповідають рівню високих технологій.
В наш час задача високопродуктивної і високоякісної обробки важкооброблюваних матеріалів успішно вирішується за допомогою алмазного шліфування кругами на металевій зв'язці з підтримуванням ріжучих властивостей робочої поверхні круга (РПК) шляхом електрофізикохімичних керуючих дій. Цей спосіб дозволяє забезпечити, з одного боку, міцне закріплення алмазних зерен у зв'язці, що дає можливість повною мірою використовувати ріжучі властивості алмаза, а, з іншого боку, безперервне відновлення параметрів РПК під час обробки. У результаті стабілізуються такі вихідні показники шліфування як витрати енергії на обробку, точність і якість обробки. Водночас, інтенсивність видалення зв'язки в процесі керуючих дій істотно впливає на собівартість обробки. Внаслідок цього режими керуючих дій повинні бути ув'язані з процесами, що відбуваються в зоні різання.
Процес шліфування з керуючими діями на РПК здійснюється за двома схемами – жорсткій та пружній. При жорсткій схемі елементами режиму різання є швидкість круга, швидкість деталі, поздовжня і поперечна подачі, глибина шліфування. При пружній схемі шліфування елементами режиму різання є швидкість круга, швидкість деталі, поздовжня подача і сила підтиску поверхні заготовки до РПК. Основною перевагою пружної схеми є наявність сильного кореляційного зв'язку між кількістю зшліфованого матеріалу (продуктивністю обробки) та параметрами РПК, а також стабільність у часі показників якості обробленої поверхні, що дає можливість спростити методику пошуку оптимальних режимів шліфування.
Дана робота присвячена підвищенню ефективності алмазного шліфування з електроерозійними керуючими діями на РПК за допомогою пошуку оптимальних режимів обробки з урахуванням процесу засалювання, який є характерним для шліфування переважної більшості сталей.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана на кафедрі "Металорізальні верстати та інструменти" Донецького національного технічного університету в рамках науково-дослідної теми "Розвиток теорії керуючих дій на робочу поверхню круга з метою стабілізації вихідних технологічних показників шліфування" № держреєстрації 0197 U008203 (напрямок – 10 "Енергозберігаючі технології"). Замовник – Міністерство освіти та науки України.
Мета і задачі досліджень. Мета дослідження – підвищення ефективності шліфування за пружною схемою ванадієвих сталей в умовах стабілізації вихідних технологічних показників шліфування за допомогою керуючих електроерозійних дій на РПК шляхом визначення оптимальних режимів обробки за критерієм мінімальної питомої собівартості.
Об'єктом дослідження є процес плоского врізного шліфування матеріалів із електроерозійними керуючими діями на РПК при постійній силі підтиску заготовки до круга.
Предметом дослідження є виявлення особливостей та закономірностей впливу режимів електроерозійних керуючих дій на питому собівартість алмазного шліфування ванадієвих сталей із стабілізацією ріжучих властивостей круга.
Методи дослідження: теоретичні методи, що базуються на фундаментальних положеннях теорії різання, математичне моделювання, експериментальні методи.
Для досягнення вищевказаної мети вирішені наступні задачі:
1. Розроблена математична модель шліфування за пружною схемою, яка дозволяє описати еволюцію підсистеми різання під час обробки.
2. Розроблена розрахунково-експериментальна методика пошуку оптимальних умов функціонування системи шліфування за критерієм мінімальної питомої собівартості обробки.
3. Визначений експериментально ряд показників шліфування за пружною схемою з електроерозійними керуючими діями на РПК, які необхідні для реалізації розробленої методики пошуку режимів обробки.
4. Визначені оптимальні режими шліфування і керуючих дій на РПК при обробці за пружною схемою ванадієвих сталей.
5. Експериментально перевірена оптимальність режимів шліфування, знайдених по запропонованій методиці.
6. Розроблений і впроваджений у виробництво технологічний регламент алмазного шліфування із електроерозійними керуючими діями на РПК важкооброблюваних сталей, які містять ванадій.
Наукова новизна отриманих результатів.
Наукові положення, що виносяться на захист:
1. Вплив режимів шліфування на сили різання при обробці за кінематично аналогічними жорсткою та пружною схемами є ідентичним.
2. Продуктивність обробки не залежить від способу шліфування за жорсткою або пружною схемами, якщо вона здійснюється ідентичними кругами на аналогічних режимах при однакових силах різання.
У результаті виконаних досліджень уперше:
– розроблена математична модель процесу шліфування за пружною схемою як нестаціонарного процесу, яка дозволяє визначити фактичну глибину шліфування в довільний момент часу обробки;
– доведена можливість опису зміни в часі технологічних показників процесу шліфування за пружною схемою за допомогою аналітичних формул для розрахунку сил різання при шліфуванні за жорсткою схемою;
– аналітично визначена кількість зшліфованого матеріалу при шліфуванні за пружною схемою з керуючими діями на РПК;
– визначений внесок процесу засалювання міжзеренного простору робочої поверхні шліфувального круга в сумарне зниження ріжучої здатності круга внаслідок спільного впливу процесів засалювання круга і зношування зерен;
– сформульований принцип визначення режимів керуючих дій на РПК за критерієм мінімальної питомої собівартості обробки, відповідно до якого інтенсивність видалення продуктів засалювання за допомогою електроерозійних керуючих дій повинна дорівнювати інтенсивності засалювання.
Обгрунтованість та достовірність зроблених висновків підтверджується порівнянням результатів моделювання і теоретичних розрахунків з експериментальними даними, результатами аналізу отриманих експериментально величин за допомогою методів математичної статистики.
Практичне значення отриманих результатів. Базуючись на зроблених у ході досліджень висновках, одержані наступні практичні результати:
1. Запропонована методика розрахунку оптимальних режимів різання при шліфуванні сталей, що містять ванадій, яка грунтується на рівності інтенсивності видалення продуктів засалювання за допомогою електроерозійних керуючих дій і інтенсивності засалювання міжзеренного простору. Ця методика забезпечує мінімальну питому собівартість шліфування.
2. Розроблений новий спосіб шліфування за пружною схемою, при якому середню величину струму керуючих дій на РПК визначають з умови рівності часу відновлення РПК і часу засалювання поверхні круга.
3. Розроблений технологічний регламент алмазного шліфування важкооброблюваних матеріалів – інструментальних швидкорізальних сталей марок 11Р3АМ3Ф2, Р6М5Ф3, Р12Ф3, Р14Ф4, Р18М5Ф2 та інструментальних штампових сталей марок Х12Ф4М, Х6Ф4М, Х3Ф8, Х3Ф12 із електроерозійними керуючими діями на РПК.
4. Технологічний регламент упроваджений на державному підприємстві "Харківський машинобудівний завод "ФЕД" і прийнятий у Державному департаменті вугільної промисловості Міністерства палива та енергетики України для використання на підприємствах вугільного машинобудування і паливно-енергетичного комплексу України із загальним очікуваним економічним ефектом 27887 гривень у рік.
5. Методика визначення напружень зсуву в умовах різання із використанням модифікації Макгрегора-Фішера, пристрій для виміру видаленого алмазовмісного шару і методика виміру довжини площадок контакту використовуються в навчальному процесі на кафедрі "Металорізальні верстати та інструменти" Донецького національного технічного університету в курсах "Механіка деформованого твердого тіла" та "Фізико-механічні методи обробки".
Особистий внесок здобувача. Особисто автором:
– розроблена математична модель підсистеми різання при шліфуванні за пружною схемою;
– запропоновані формули для теоретичного визначення питомої собівартості шліфування за пружною схемою з електроерозійними керуючими діями на РПК як нестаціонарного процесу;
– розроблені методики і програми визначення на ПЕОМ вихідних показників шліфування за пружною схемою в заданий момент часу обробки;
– розроблені методики і програми визначення на ПЕОМ питомої собівартості шліфування за пружною схемою із керуванням параметрами рельєфу круга електроерозійним способом у залежності від часу відновлення РПК;
– запропонована формула для визначення режимів керуючих електроерозійних дій на РПК, при яких забезпечується мінімум питомої собівартості обробки за пружною схемою.
Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися та обговорювалися на:
– 1-му Міжнародному молодіжному форумі "Електроніка і молодь у XXI столітті" (м. Харків, 1997 р.);
– міжнародній науково-технічній конференції "Прогресивні технології машинобудування і сучасність" (м. Севастополь, 1997 р.);
– V Міжнародній науково-технічній конференції "Машинобудування і техносфера на рубежі XXI століття" (Севастополь, 1998 р.);
– VII Міжнародній науково-технічній конференції "Машинобудування і техносфера на рубежі XXI століття" (Севастополь, 2000 р.).
Робота в повному обсязі заслуховувалася на розширеному засіданні кафедри "Металорізальні верстати та інструменти" Донецького національного технічного університету.
Публікації. За результатами досліджень по темі дисертації опубліковано 11 основних робіт у виданнях, рекомендованих ВАК України. З них 2 роботи одноосібно і 9 статей у співавторстві.
Структура та обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, шести розділів та загальних висновків. Робота викладена на 232 сторінках, містить 38 ілюстрацій на 32 сторінках, 5 рисунків по тексту, 16 таблиць на 14 сторінках, 13 таблиць по тексту, список літератури із 142 найменувань на 14 сторінках та 8 додатків на 85 сторінках.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ
Вступ містить загальну характеристику роботи. Обгрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовані мета і задачі досліджень. Наведено новизну і практичне значення одержаних результатів. Зазначено особистий внесок здобувача у виконану роботу та положення і висновки, які належать йому в опублікованих по темі дисертації роботах.
У першому розділі розглянуті сучасні тенденції підвищення ефективності алмазного шліфування важкооброблюваних матеріалів.
Погана оброблюваність шліфуванням абразивними кругами сталей, що містять ванадій, пов'язана з наявністю в структурі цих сталей дуже твердих карбідів. В наш час для обробки матеріалів даного класу широко використовується алмазне шліфування кругами на металевих зв'язках, а ефективність процесу – підвищення продуктивності, якості і зниження собівартості обробки – досягається вибором характеристик кругів, забезпеченням високих ріжучих властивостей круга правкою, шліфуванням з одночасними електрофізикохімичними діями на РПК із метою стабілізації в часі ріжучих властивостей круга, оптимізацією режимів шліфування.
Особливість шліфування за пружною схемою, яка полягає в гарантованому забезпеченні показників якості обробки, дозволяє спростити методику пошуку її оптимальних режимів із використанням у якості критерію оптимальності мінімальної питомої собівартості шліфування. Для реалізації цієї методики необхідно описати залежність собівартості обробки і кількості зшліфованого матеріалу від часу обробки та її режимів на базі розгляду шліфування як нестаціонарного процесу, вихідні технологічні показники якого змінюються під час обробки, а також оцінити окремий внесок процесу засалювання міжзеренного простору в погіршення ріжучої здатності РПК.
У зв'язку з цим поставлена мета і задачі роботи, наведені вище.
В другому розділі теоретично визначаються оптимальні умови функціонування системи шліфування за пружною схемою з керуючими діями на РПК.
При шліфуванні за пружною схемою з піддержанням постійної радіальної сили підтиску шліфувального круга до деталі Pп = Py (рис. 1) втрата згодом ріжучої здатності РПК виявляється через зміну глибини шліфування. Таким чином, еволюція підсистеми різання в часі в результаті погіршення ріжучих властивостей РПК однозначно описується зміною в часі фактичної глибини шліфування tф = f(t).
1 – заготовка, що оброблюється
2 – сопло для подачі робочого середовища в міжелектродний проміжок
3 – автономний електрод
4 – шліфувальний круг
5 – джерело технологічного струму
6 – сопло для подачі робочого середовища в зону різання
Рис. 1. Плоске врізне шліфування за пружною схемою з електроерозійними
керуючими діями на робочу поверхню круга
Математична модель процесу шліфування за пружною схемою з постійною радіальною силою підтиску заготовки до шліфувального круга Pп у роботі складена для випадку, коли зниження ріжучої здатності круга викликано тільки зношуванням зерен.
Граничне значення параметра обробки Pп визначено виходячи з критичної температури Tкр, вище якої відбуваються фазово-структурні зміни в матеріалі, що обробляється. Зв'язок максимальної температури поверхні різання з параметрами процесу шліфування описується формулою, у якій тангенціальна складова сили різання врахована через коефіцієнт шліфування Kш = Pz /Py :
, (1)
де M – коефіцієнт, який визначається по формулі M = 1 + 2(p /4 – b); az – максимальна товщина зрізу, мм; b – ширина одиничного зрізу, мм; b, w – відповідно кут зсуву і кут дії; Kз – коефіцієнт, що враховує закон розподілу нормальних напруг на поверхні контакту зерна з деталлю; fз – площа зони контакту задньої поверхні зерна з деталлю; zр – кількість зерен, що одночасно контактують з деталлю; a, l – відповідно коефіцієнт температуропроводності, м2/с, і теплопроводності, Вт/(м·K), оброблюваного матеріалу; H – безрозмірна напівширина джерела тепла; aв – коефіцієнт введення, що враховує кількість тепла, яке надходить у деталь; S – площа зони контакту деталі зі шліфувальним кругом, C, a – початкова ордината і коефіцієнт у лінійній залежності, що відображає вплив температурно-швидкісних чинників на величину дотичних напружень; залежність має вигляд ts = C – aT; Vк, Vд – відповідно швидкість круга і швидкість деталі, м/с і м/хв.
Рівняння (1) щодо фактичної глибини шліфування аналітично вирішити неможливо, тому що воно є трансцендентним, а tф входить у дане рівняння в неявному вигляді. У зв'язку з цим представимо умову, що забезпечує відсутність фазово-структурних перетворень у матеріалі заготовки при обробці, у вигляді нерівності
0,98Tкр < T < 1,00Tкр, (2)
і вирішимо її щодо tф, з урахуванням (1), покроковим методом із використанням параметрів РПК, які сформовані під час правки. Знайдене значення є максимально можливою початковою глибиною шліфування t0, яка забезпечує відсутність дефектів на поверхні заготовки на початку обробки.
Використовуючи t0, за складеною програмою для ПЕОМ розраховуємо припустиме значення радіальної складової [Py], яке необхідно підтримувати постійним за допомогою пружного підтиску заготовки до РПК протягом усього часу обробки, за наступною формулою
. (3)
Далі за формулою (3) покроковим методом на ПЕОМ розраховуємо фактичну глибину шліфування в різні відрізки часу обробки, при якій виконується нерівність
0,98[Py] < Py < 1,00[Py]. (4)
Потім, використовуючи результати розрахунку за формулою (3), закономірність зміни глибини шліфування tф в часі обробки t у результаті процесу зношування зерен опишемо виразом, який має вигляд
tф1 = tуст1 + Dt1·exp(a1t), (5)
де tуст1 – стала глибина; t0 – початкова глибина шліфування рельєфом, параметри якого сформовані під час електроерозійної правки; Dt1 = t0 – tуст1 – амплітуда зниження глибини; a1 – емпіричний коефіцієнт.
Аналогічно, зміну в часі фактичної глибини шліфування tф при обробці за пружною схемою у випадку спільного впливу на ріжучу здатність РПК процесів засалювання міжзеренного простору і зношування зерен опишемо рівнянням
tф2 = tуст2 + Dt2·exp(a2t), (6)
де величини, що визначаються за допомогою експерименту, мають той же фізичний зміст, що й у рівнянні (5). Рівняння для безрозмірної фактичної глибини шліфування, яке відповідає (6), має вигляд
, (7)
де – безрозмірна стала глибина шліфування; – безрозмірна амплітуда зниження глибини шліфування.
Кількість зшліфованого матеріалу у випадку, коли зниження ріжучої здатності круга обумовлено процесом зношування зерен, розраховуємо за формулою
, (8)
де S1ппз – площа поверхні заготовки, що оброблюється в одиницю часу, мм2.
Кількість зшліфованого матеріалу при шліфуванні ванадієвих сталей із електроерозійними керуючими діями на РПК визначаємо з урахуванням співвідношення часу видалення продуктів засалювання об'ємом, рівним об'єму міжзеренного простору, за допомогою керуючих дій (тобто часу відновлення РПК tв), із моментом часу tзас, коли засалений шар заповнить міжзеренний простір на РПК і круг практично втратить свою ріжучу здатність. При tв Ј tзас розрахунок виконуємо по формулі (8), а при tв > tзас – по формулі
. (9)
Розрахунок технологічної собівартості шліфування з керуючими діями на РПК виконаний поелементним методом, а в якості розрахункової величини собівартості в умовах нестаціонарності процесу прийнята собівартість станко-хвилини обробки.
Собівартість станко-хвилини шліфування за пружною схемою із керуючими діями на РПК розраховуємо за формулою
Ссх = Ссг /60 = Зох + Ах + Ртх + Ех + Іх, (10)
де Ссг – собівартість станко-години шліфування; Зох – хвилинна заробітна платня шліфувальника; Ах – амортизація виробничого устаткування; Ртх – витрати на поточний ремонт та утримання устаткування; Ех – витрати на технологічну електроенергію; Іх – відшкодування витрат на знос алмазного інструменту. Собівартість процесу шліфування за час відновлення РПК ttв складає Сшл = Ссх·tв. Сшл при зниженні ріжучої здатності круга внаслідок процесу зношування зерен визначається по формулі
Сшл = a1tв + a2tв + a3tв + a4tв + a5tвKш + b1 + b2, (11)
а у випадку зниження ріжучої здатності круга внаслідок спільної дії процесів зношування зерен і засалювання міжзеренного простору при tв Ј tзас – по формулі
; (12)
при tв > tзас – по формулі
(13)
де a1 - a6, b1 - b6 – постійні коефіцієнти, які визначаються режимами та умовами шліфування, устаткуванням, що застосовується, інструментом, рівнем оплати праці верстатника і т.і.
При визначенні мінімуму функціональних залежностей Спит(tв) вигляду Cпит = Сшл /Vм і Cпит = Сзаг /Vм, які одержуються за допомогою формул (8)-(9) і (11)-(13), визначається оптимальний час відновлення РПК, і, відповідно, оптимальні режими електроерозійних керуючих дій на РПК.
У третьому розділі описані методики експериментальних досліджень, обладнання, що використовувалося, інструмент і матеріали, які оброблялися.
Для здійснення алмазного шліфування з керуванням параметрами РПК електроерозійним способом і формування параметрів РПК на стадії правки був використаний модернізований плоскошліфувальний верстат моделі 3Г71 із блоком електроживлення моделі ИТТ-35.
Плоске шліфування за пружною схемою із постійною силою підтиску заготовки до круга Pп виконували при установці експериментального зразка в спеціальний пристрій, який закріплюється на магнітному столі плоскошліфувального верстата. При шліфуванні використовували круги профілю 1А1 250ґ76ґ15ґ5 із синтетичних алмазів таких характеристик: АС6 100/80-4-М2-01, АС6 160/125-4-М2-01, АС6 250/200-4-М2-01.
Для експериментальних досліджень у якості матеріалу – представника групи важкооброблюваних швидкорізальних сталей, які містять ванадій, (марки 11Р3АМ3Ф2, Р6АМ5Ф3, Р6М5Ф3, Р12Ф3, Р14Ф4, Р18К5Ф2, Р18М5Ф2) була взята швидкорізальна сталь марки Р6М5Ф3, а в якості представника штампових сталей, які містять ванадій, (марки Х12Ф4М, Х12Ф1, Х6ВФ, Х6Ф4М, Х6Ф3ВМ, Х3Ф8, Х3Ф12) – штампова сталь марки Х12Ф4М. Вплив температурно-швидкісних чинників на величину дотичних напружень при шліфуванні описували лінійною залежністю, яка одержана за допомогою модифікації Макгрегора-Фішера.
Експериментальне визначення фактичної глибини шліфування, кількості зшліфованого матеріалу, питомої витрати алмазів здійснювали на розроблених для вимірів цих величин пристроях за відомими методиками.
Дослідження геометричної форми фрагментів алмазних зерен, які виступають над зв'язкою на робочій поверхні круга, рельєф якої сформований після електроерозійної правки і алмазно-іскрового шліфування, здійснювали методом профілографування на спеціальній установці, що створена на базі профілометра-профілографа моделі 201 заводу "Калібр", яка забезпечує автоматичне виділення рельєфу зерен із сумарного рельєфу зерен та зв'язки. Дані профілографування використовували для виведення рівняння регресії вигляду
y = axa, (14)
яке описує форму зерна. При цьому координати точок дійсного профілю зерна визначалися за формулами
де x – координата точки профілю зерна на профілограмі; a, a – параметри рівняння регресії (14), що описує профіль зерна на профілограмі; r – радіус округлення щупальної голки, яка торкається до профілю.
Вимір довжини контактних площадок на задній поверхні зерен виконували безпосередньо на верстаті оптичним методом за допомогою спеціального пристрою, який закріплюється на шпинделі верстата. Різновисотність зерен вимірювали поза верстатом на пристрої, зібраному із вузлів оптичної ділильної головки та вимірювальної трубки оптиметра за відомою методикою.
В четвертому розділі обгрунтовуються моделі алмазного зерна, які використовуються в аналітичних залежностях математичної моделі процесу шліфування за пружною схемою з керуючими діями на РПК.
Порівняння ширини b алмазних зерен АС6 100/80 на відстані від вершини зерна h, яка розрахована за результатами профілографування за допомогою одержаного рівняння регресії b = 23,458·h0,549, та ширин зерен, які розраховані з використанням відомих моделей у вигляді конуса з округленою вершиною, еліпсоїда обертання і кулі, показало, що на відстані від вершини зерна 15 мкм різниця ширини кульової моделі зерна від ширини, знайденої за рівнянням регресії, не перевищує 20%, що надає право використовувати кульову модель при розрахунках кількості зерен на РПК і об'єму міжзеренного простору.
При моделюванні мікрорізання та стружкоутворення при шліфуванні використовували моделі, які враховують наявність мікровиступів на контактних площадках зерен, а також розміри цих площадок.
Вплив часу шліфування на довжину контактних площадок зерен аналогічно жорсткій схемі в роботі описували показниковою залежністю вигляду
lз = C1tq, (15)
де C1 і q – емпіричні коефіцієнт та показник ступеня.
Значення емпіричних коефіцієнта C1 та показника ступеня q для кругів 1А1 250ґ76ґ15ґ5 різних зернистостей наведені в табл. 1.
Вплив часу обробки на довжину контактних площадок алмазних зерен при шліфуванні за кінематично аналогічними жорсткою та пружною схемами однаковий, внаслідок чого емпіричні рівняння вигляду (15), які описують зміну в часі довжин площадок контакту при обробці за жорсткою схемою, використовували з метою моделювання процесу обробки за пружною схемою.
Таблиця 1
Значення параметрів емпіричної залежності (15)
Характеристика матеріалу круга Коефіцієнт C1 Показник ступеня q
АС6 100/80-4-М2-01 22,38 0,218
АС6 160/125-4-М2-01 28,81 0,131
АС6 250/200-4-М2-01 22,99 0,207
Рис. 2. Моделі ріжучого виступу зерна і зони контакту
його задньої поверхні з поверхнею різання
При розрахунку сил різання досліджена можливість використання комплексних моделей ріжучої частини алмазних зерен, які мають ріжучий виступ у вигляді трапецеїдальної призми, і, в одному випадку, площадку контакту в формі квадрата розміром lзґlз (рис. 2 а), а в другому – окружності діаметром lз (рис. 2 б). Встановлено, що при визначенні складових сили різання Pzк і Pyк у період до 30 хвилин обробки модель ріжучої частини зерна у формі призми і модель ріжучої частини зерна у формі призми з прямокутною площадкою контакту практично рівноцінні і забезпечують результати, близькі до експериментальних даних.
Різновисотність алмазних зерен після 60 хвилин шліфування зразків із сталі Р6М5Ф3 за пружною схемою кругами різних зернистостей описували двохпараметричним розподілом Вейбулла (табл. 2).
Таблиця 2
Параметри розподілу різновисотності зерен кругів 1A1 250ґ76ґ15ґ5
після 60 хвилин шліфування за пружною схемою
Зернистість круга Параметри розподілу Вейбулла
m x0
АС6 100/80 2,26 4176
АС6 160/125 1,48 148,2
АС6 250/200 1,15 48,24
Порівняння різновисотностей рельєфів, які стабілізувалися, алмазних кругів аналогічних характеристик після шліфування за пружною схемою швидкорізальної сталі Р6М5Ф3 та після шліфування за жорсткою схемою штампової сталі Х12Ф4М показало, що розподіл різновисотності алмазних зерен після шліфування за схемами, що порівнювалися, подібний і має близькі значення параметрів. Це надає право використовувати в інженерних розрахунках параметри розподілу, наведені в табл. 2, без урахування способу шліфування.
У п'ятому розділі наведені результати дослідження вихідних показників шліфування з керуючими діями на РПК за пружною схемою за допомогою математичної моделі процесу обробки та експериментального методу.
На основі аналізу закономірностей зміни в часі фактичної глибини шліфування tф, а також параметрів обробки Pz, Py, Kш і T, які одержані моделюванням процесу обробки, встановлено, що шліфування за пружною схемою з підтримуванням постійної радіальної сили різання Py забезпечує відсутність фазово-структурних змін у поверхневому шарі заготовки протягом усього часу обробки.
Зміну в часі фактичної глибини шліфування за пружною схемою, яка обумовлена процесом зношування зерен, описували рівнянням регресії
tф1 = 9 + 4,88 exp(– 0,07t). (16)
Воно одержане за даними моделювання процесу на ПЕОМ. Зміну в часі tф при спільному впливі процесів засалювання міжзеренного простору та зношування зерен описували рівнянням
tф2 = 0,18 + 14,13 exp(– 0,118t), (17)
яке одержане обробкою експериментальних даних. Зменшення продуктивності обробки за рахунок зношування зерен складає 30%, а 70 % – за рахунок засалювання міжзеренного простору.
Залежність від часу відновлення РПК tв питомої собівартості шліфування у випадку, коли зниження ріжучої здатності круга обумовлене процесом зношування зерен, не має мінімуму. Це означає, що, коли контактування зв'язки з поверхнею різання відсутнє, ріжуча здатність РПК протягом усього періоду обробки зберігається настільки високою, що видаляти зношені зерна з робочої поверхні круга немає потреби. Отже, при шліфуванні сталей, які містять ванадій, для забезпечення стабільної ріжучої здатності РПК досить не допускати засалювання міжзеренного простору і тим самим виключити контактування зв'язки з поверхнею різання.
Залежність від часу відновлення РПК tв питомої собівартості шліфування, коли зниження ріжучої здатності круга обумовлене сумарним впливом процесів засалювання міжзеренного простору і зношування зерен, має мінімум, який відповідає умові, коли інтенсивність засалювання Із та інтенсивність видалення продуктів засалювання Івид у процесі керуючих електроерозійних дій рівні між собою (tо = tзас = 30 мин).
У шостому розділі описаний розрахунок оптимальних режимів шліфування за пружною схемою з електроерозійними керуючими діями на РПК та наведені результати їх впровадження у виробництво.
Методика розрахунку містить у собі визначення механічних режимів, які забезпечують задані параметри шорсткості та відсутність фазово-структурних перетворень у поверхневому шарі заготовки, а також визначення режимів електроерозійних керуючих дій на РПК. Розраховані за даною методикою режими шліфування забезпечують мінімальну питому собівартість обробки, що підтверджено експериментально.
Залежність питомої собівартості алмазного шліфування з періодичною правкою від часу правки має вигляд, аналогічний залежності питомої собівартості шліфування з безперервними керуючими діями від часу відновлення РПК, але при цьому в інтервалі часу від 10 до 60 хвилин питома собівартість шліфування з безперервними керуючими діями нижче в 2-4 рази, а при оптимальних режимах обробки менше в 4 рази.
У запропонованому способі шліфування за пружною схемою, який базується на рівності інтенсивностей засалювання і видалення продуктів засалювання, розрахунок середньої сили струму керуючих дій виконується за формулою
, (18)
де x0, m – параметри ймовірностного розподілу різновисотності зерен за законом Вейбулла; Dк, Bк – відповідно діаметр та ширина круга, мм; Pv – об'ємна частка алмазів в алмазовмісному шарі; K – відносна концентрація алмазів, %; Usm – розрахункове значення напруги на міжелектродному проміжку в процесі електроерозійних дій, В.
Результати досліджень упроваджені на державному підприємстві Харківський машинобудівний завод "ФЕД" з очікуваним економічним ефектом 14277 гривень у рік і прийняті для впровадження в Державному департаменті вугільної промисловості Міністерства палива та енергетики України для використання на підприємствах вугільного машинобудування і паливно-енергетичного комплексу України з передбачуваною економічною ефективністю 13580 грн у рік. Ряд розробок автора, одержаних у ході досліджень, використовуються в навчальному процесі на кафедрі "Металорізальні верстати та інструменти" Донецького національного технічного університету.
ВИСНОВКИ
1. В результаті виконаних досліджень вирішена важлива народногосподарська задача, яка полягає в підвищенні ефективності шліфування за пружною схемою ванадієвих сталей, а саме у збільшенні продуктивності шліфування в 2-3 рази і зменшенні питомої собівартості обробки в 3-4 рази.
2. Розроблена математична модель шліфування за пружною схемою як нестаціонарного процесу, на базі якої розрахований ряд вихідних технологічних показників обробки та визначені оптимальні режими шліфування за пружною схемою з електроерозійними керуючими діями на РПК.
3. Стабілізацію в часі фазово-структурного стану поверхневого шару заготовки при високій продуктивності процесу обробки за пружною схемою забезпечує лише шліфування з постійною нормальною силою підтиску заготовки до робочої поверхні шліфувального круга.
4. Переважну роль у зниженні ріжучої здатності круга при шліфуванні сталей грає процес засалювання міжзеренного простору круга (70 %) у порівнянні з процесом зношування зерен (30%).
5. Параметри рівнянь, які описують вплив часу обробки на довжину контактної площадки зерен алмазних кругів та параметри закону розподілу вершин зерен по висоті при шліфуванні за пружною і жорсткою схемами відрізняються незначуще, внаслідок чого ці рівняння і закони можуть використовуватися при моделюванні процесу обробки без урахування схеми шліфування.
6. При розрахунку тангенціальної складової сили різання переважною є модель ріжучого виступу зерна у формі призми, а при визначенні радіальної складової – модель у формі кулі з круговою площадкою контакту і ріжучим мікровиступом у формі трапецеїдальної призми.
7. В основу розрахунку режимів електроерозійних керуючих дій на РПК при шліфуванні сталей, що містять ванадій, повинна бути покладена рівність інтенсивності видалення продуктів засалювання за допомогою цих дій та інтенсивності засалювання міжзеренного простору робочої поверхні круга. При цьому питома собівартість шліфування буде мінімальною.
8. Результати досліджень впроваджені у виробництво з очікуваним економічним ефектом біля 28 тис. гривень у рік і використовуються в навчальному процесі.
Основні положення дисертації опубліковані в таких роботах:
1. Матюха П.Г., Полтавец В.В. Геометрическая форма алмазного зерна при алмазно-искровом шлифовании// Резание и инструмент. Респ. межвед. научно-техн. сб. – Харьков: Изд-во "Основа" при Харьковском гос. ун-те. – 1987. – Вып. 38. – С. 23-29.
2. Матюха П.Г., Полтавец В.В. Определение напряжений сдвига в условиях резания с помощью модификации Макгрегора-Фишера// Прогрессивные технологии и системы машиностроения: Сб. научн. трудов. – Донецк: ДонГТУ, 1997. – Вып. 4. – С. 91-93.
3. Матюха П.Г., Полтавец В.В. Описание эволюции процесса алмазного шлифования// Прогрессивные технологии машиностроения и современность. Сборник трудов международной научно-технической конференции в г. Севастополе 9-12 сентября 1997 г. – Донецк: ДонГТУ, 1997. – С. 159.
4. Матюха П.Г., Полтавец В.В. Влияние времени обработки на глубину алмазного шлифования по упругой схеме// Прогрессивные технологии и системы машиностроения: Международный сб. научн. трудов. – Донецк: ДонГТУ, 1998. – Вып. 5. – С. 117-121.
5. Матюха П.Г., Полтавец В.В. Расчёт количества удалённого материала при шлифовании по упругой схеме// Прогрессивные технологии и системы в машиностроении. Международный сб. научных трудов: специальный выпуск. – Материалы V Международной научно-техн. конференции "Машиностроение и техносфера на рубеже XXI века" в г. Севастополе 8-11 сентября 1998 г. в 3-х томах. Т. 2. – Донецк: ДонГТУ, 1998. – Вып. 6. – С. 206-207.
6. Матюха П.Г., Полтавец В.В. Изменение температуры поверхности резания при различных способах шлифования по упругой схеме быстрорежущей стали Р6М5Ф3// Надёжность режущего инструмента и оптимизация технологических систем. Сб. статей/ Пред. редсовета Г.А.Хает. – Краматорск: ДГМА, 1999. – С. 191-197.
7. Матюха П.Г., Полтавец В.В., Гринев А.А. Вклад процессов засаливания межзёренного пространства и изнашивания алмазных зёрен в ухудшение режущей способности круга при шлифовании по упругой схеме// Прогрессивные технологии и системы в машиностроении. Международный сб. научных трудов. – Донецк: ДонГТУ, 1999. – Вып. 7. – С. 117-121.
8. Матюха П.Г., Полтавец В.В. Описание процесса шлифования по упругой схеме при обработке инструментальных сталей// Сверхтвёрдые материалы. – 2000. – № 3. – С. 45-51.
9. Полтавец В.В. Себестоимость шлифования с управляющими воздействиями на РПК// Прогрессивные технологии и системы машиностроения: Международный сб. научн. трудов. – Донецк: ДонГТУ, 2000. – Вып. 10. – С. 202-207.
10. Полтавец В.В., Матюха П.Г. Модель зерна на рабочей поверхности круга при алмазном шлифовании/ Прогрессивные технологии и системы машиностроения: Международный сб. научн. трудов. – Донецк: ДонГТУ, 2000. – Вып. 13. – С. 94-98.
11. Полтавец В.В. Разновысотность алмазных зёрен при шлифовании по упругой схеме// Вісник Інженерної академії України. – 2001. – № 3 (Частина 1). – С. 423-426.
В статтях у співавторстві автору належить:
[1] – статистичний аналіз експериментальних даних про геометричну форму зерен алмазного круга;
[2] – методика виводу рівнянь, які описують вплив температурно-швидкісних чинників на величину дотичних напружень;
[3] – положення про те, що вплив режимів шліфування на сили різання при обробці за кінематично аналогічними жорсткою та пружною схемами є ідентичним;
[4] – визначення закону зміни в часі фактичної глибини шліфування при обробці за пружною схемою з постійною радіальною силою Py;
[5] – методика розрахунку хвилинної продуктивності шліфування за пружною схемою в будь-який момент часу;
[6] – розрахунок вихідних параметрів обробки швидкорізальної сталі Р6М5Ф3 при плоскому врізному алмазному шліфуванні за пружною схемою з постійною силою Py та Pz;
[7] – статистичний аналіз експериментальних даних про зміну фактичної глибини плоского врізного шліфування зразків із сталі Р6М5Ф3 за пружною схемою при сумарному впливі процесів засалювання поверхні круга і зношування зерен;
[8] – математична модель процесу шліфування за пружною схемою з постійною силою Py;
[10] – порівняння розмірів контактних площадок зерен при шліфуванні по кінематично аналогічним жорсткій та пружній схемах та аналіз впливу форми моделі ріжучого виступу зерна на значення складової сили різання на крузі.
АНОТАЦІЯ
Полтавець В.В. "Обгрунтування режимів шліфування важкооброблюваних матеріалів при електроерозійній дії на робочу поверхню круга". – Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.01 – Процеси механічної обробки, верстати та інструменти. – Донецький національний технічний університет, Донецьк, 2001.
Дисертація присвячена вирішенню актуальної задачі підвищення ефективності алмазного шліфування важкооброблюваних ванадієвих сталей із електроерозійними керуючими діями на робочу поверхню круга (РПК) за допомогою пошуку оптимальних режимів обробки з урахуванням процесу засалювання.
Складено математичну модель шліфування за пружною схемою, що дозволяє описати еволюцію підсистеми різання під час обробки. Розроблено розрахунково-експериментальну методику пошуку оптимальних умов функціонування системи шліфування за критерієм мінімальної питомої собівартості обробки, для реалізації якої експериментально визначений ряд показників шліфування за пружною схемою з електроерозійними керуючими діями на РПК. Обгрунтовано моделі алмазного зерна, які використовуються в аналітичних залежностях математичної моделі процесу шліфування.
Визначено оптимальні режими шліфування та керуючих дій на РПК при обробці за пружною схемою ванадієвих сталей. Експериментально підтверджена оптимальність режимів шліфування, які знайдені по запропонованій методиці. Результати досліджень впроваджені у виробництво.
Ключові слова: шліфування, пружна схема, керуючі дії, оптимальні режими, питома собівартість обробки, модель зерна.
ANNOTATION
V.V.Poltavets. "Substantiation of Grinding Conditions of Hard-to-cut Materials with Spark-erosive Actions on Wheel Working Surface". – Manuscript.
The thesis to obtain science degree of the Candidate of Science on the speciality 05.03.01 – Processes of machining, machines and tools. – Donetsk National Technical University, Donetsk, 2001.
The thesis is devoted to the decision of an urgent problem of efficiency increase of diamond grinding of hard-to-cut vanadium steels with spark-erosive control actions on wheel working surface (WWS) by means of determination of optimum machining conditions allowing for the process of greasing.
The mathematical model of grinding by elastic setup allowing to describe evolution of cutting subsystem during machining is developed. The calculated and experimental technique of determination of optimum conditions of functioning of grinding system by criterion of the minimal specific manufacturing cost of machining is developed. For realization of the technique a number of parameters of grinding by elastic setup with spark-erosive control actions on WWS is determined experimentally. Models of diamond grain used in analytical dependencies of mathematical model of grinding process are validated.
The optimum conditions of grinding and control actions on WWS are determined at machining of vanadium steels by elastic setup. Optimality of grinding conditions calculated according to offered technique is corroborated experimentally. Results of researches are introduced into production.
Key words: grinding, elastic setup, control actions, optimum conditions, specific manufacturing cost, model of grain.
АННОТАЦИЯ
Полтавец В.В. "Обоснование режимов шлифования труднообрабатываемых материалов при электроэрозионном воздействии на рабочую поверхность круга". – Рукопись.
Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.03.01 – Процессы механической обработки, станки и инструменты. – Донецкий национальный технический университет, Донецк, 2001.
Диссертация посвящена решению актуальной задачи повышения эффективности алмазного шлифования труднообрабатываемых ванадиевых сталей с электроэрозионными управляющими воздействиями на рабочую поверхность круга (РПК) посредством поиска оптимальных режимов обработки с учётом процесса засаливания.
Плохая обрабатываемость ванадийсодержащих сталей шлифованием абразивными кругами связана с наличием в структуре этих сталей очень твёрдых карбидов. Для обработки материалов данного класса широко используется алмазное шлифование кругами на металлических связках, а эффективность процесса достигается, в частности, оптимизацией режимов шлифования. Особенность шлифования по упругой схеме, заключающаяся в гарантированном обеспечении показателей качества обработки, позволяет упростить методику поиска её оптимальных режимов с использованием в качестве критерия оптимальности минимальной удельной себестоимости шлифования.
В диссертации составлена математическая модель процесса шлифования по упругой схеме как нестационарного процесса, позволяющая определить фактическую глубину шлифования в произвольный момент времени обработки и таким образом описать эволюцию подсистемы резания во времени в результате ухудшения режущих свойств РПК. Разработана расчётно-экспериментальная методика поиска оптимальных условий функционирования системы шлифования по критерию минимальной удельной себестоимости обработки, для реализации которой определён экспериментально ряд показателей шлифования по упругой схеме с электроэрозионными управляющими воздействиями на РПК.
Обоснованы модели алмазного зерна, используемые в аналитических зависимостях математической модели процесса шлифования. При расчётах количества зёрен на РПК и объёма межзёренного пространства использована модель зерна в форме шара. При моделировании микрорезания и стружкообразования при шлифовании использовались модели, учитывающие наличие микровыступов на контактных площадках зёрен, а также размеры этих площадок. Установлено, что параметры уравнений, описывающих влияние времени обработки на длину контактной площадки зёрен алмазных кругов и параметры закона распределения вершин зёрен по высоте при шлифовании по упругой и жёсткой схемам отличаются незначимо, вследствие чего эти уравнения и законы могут использоваться при моделировании процесса обработки без учёта схемы шлифования.
Исследования выходных показателей шлифования с управляющими воздействиями на РПК по упругой схеме с помощью математической модели процесса обработки и экспериментальным методом показали, что преобладающую роль в снижении режущей способности круга при шлифовании ванадиевых сталей играет процесс засаливания межзёренного пространства круга (70 %) по сравнению с процессом изнашивания зёрен (30%). Установлено, что шлифование по упругой схеме с поддержанием постоянной радиальной силы резания Py обеспечивает отсутствие фазово-структурных изменений в поверхностном слое заготовки на протяжении всего времени обработки. Зависимость от времени обновления РПК tо удельной себестоимости шлифования, когда снижение режущей способности круга обусловлено суммарным воздействием процессов засаливания межзёренного пространства и изнашивания зёрен, имеет минимум, соответствующий условию, когда интенсивность засаливания Из и интенсивность удаления продуктов засаливания Иуд в процессе управляющих электроэрозионных воздействий равны между собой.
По результатам исследований рассчитаны оптимальные режимы шлифования по упругой схеме с электроэрозионными управляющими воздействиями на РПК, которые обеспечивают минимальную удельную себестоимость обработки. В интервале времени от 10 до 60 минут удельная себестоимость шлифования с непрерывными управляющими воздействиями ниже в 2-4 раза, а при оптимальных режимах обработки меньше в 4 раза, чем удельная себестоимость алмазного шлифования с периодической правкой.
Предложен способ шлифования по упругой схеме, при котором среднюю величину тока управляющих воздействий на РПК определяют из условия равенства времени обновления РПК и времени засаливания поверхности круга. Разработан технологический регламент алмазного шлифования инструментальных быстрорежущих сталей марок 11Р3АМ3Ф2, Р6М5Ф3, Р12Ф3, Р14Ф4, Р18М5Ф2 и инструментальных штамповых сталей марок Х12Ф4М, Х6Ф4М, Х3Ф8, Х3Ф12 с электроэрозионными управляющими воздействиями на РПК, который внедрён в производство с общим ожидаемым экономическим эффектом 27887 гривен в год.
Ключевые слова: шлифование, упругая схема, управляющие воздействия, оптимальные режимы, удельная себестоимость обработки, модель зерна.