CC BY
44
ВІСНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХНІЧНОГО УНІВЕРСИТЕТУ 2012р. Серія: Технічні науки Вип. 24
ISSN 2225-6733
УДК 621.923
©Новиков Ф.В.1, Гершиков И.В.2, Андилахай В.А.3
УСЛОВИЯ ПОВЫШЕНИЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ И КАЧЕСТВА ОБРАБОТКИ ПРИ ШЛИФОВАНИИ
Произведена оптимизация параметров режима шлифования, включая количество проходов круга, по критерию наименьшего штучного времени обработки с учетом ограничения по температурному фактору. Установлено, что параметры режима многопроходного шлифования существенно ограничены величиной вспомогательного времени обработки, затрачиваемого на реверсирование стола станка, а штучное время обработки в зависимости от количества проходов круга принимает экстремальное (минимальное) значение. При этом основное время обработки в точке экстремума в два раза больше вспомогательного времени обработки.
Ключевые слова: шлифование, производительность обработки, температура шлифования.
Новіков Ф.В., Гершиков І.В., Анділахай В.О. Умови підвищення продуктивності і якості обробки при шліфуванні. Проведено оптимізацію параметрів режиму шліфування, включаючи кількість проходів круга, за критерієм найменшого штучного часу обробки з урахуванням обмеження по температурному фактору. Установлено, що параметри режиму багатгопрохідного шліфування істотно обмежені величиною допоміжного часу обробки, затрачуваного на реверсування стола верстата, а штучний час обробки залежно від кількості проходів круга приймає екстремальне (мінімальне) значення. При цьому основний час обробки в точці екстремуму у два рази більше допоміжного часу обробки.
Ключові слова: шліфування, продуктивність обробки, температура шліфування.
F. V. Novikov, I. V. Gershikov, V. О. Andilahay. The conditions of improvement of productivity and quality of treatment at grinding. Optimization of the parameters of grinding mode was carried out, including the number of circular disk’s passes, according to the criterion of the smallest treatment time for a piece, with regard to limitation in temperature factor. It was established that the parameters of multi-pass grinding treatment significantly limited the value of the auxiliary processing time spent on reversing the machine table, and single-part processing time, depending on the number of passes of the circle takes the extreme (minimum) value. Thus the main treatment time at the point of extremum was twice bigger than auxiliary processing time.
Keywords: grinding, processing performance, the temperature of grinding.
Постановка проблемы. Создание высококачественной машиностроительной продукции требует эффективных методов механической обработки деталей машин и, в особенности, методов шлифования, обеспечивающих высокие показатели точности и шероховатости обрабатываемых поверхностей. Вместе с тем, после обработки шлифованием на обрабатываемых поверхностях зачастую появляются прижоги, микротрещины и другие температурные дефекты, что, с точки зрения качества обработки не допустимо и требует снижения режимов шлифования и, соответственно, производительности. В связи с этим актуальна проблема изыскания новых технологических возможностей повышения производительности шлифования при одновременном обеспечении высококачественной обработки, исключающей образование температурных дефектов на обрабатываемых поверхностях деталей. Это предполагает решение оптимизационной задачи по определению условий повышения производительности обработки с
1 д-р техн. наук, профессор, ГВУЗ «Харьковский национальный экономический университет», г. Харьков
2 ген. директор, Азовский машиностроительный завод, г. Бердянск
3 канд. техн. наук, ст. преподаватель, ГВУЗ «Приазовский государственный технический университет», г Мариуполь
248
ВІСНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХНІЧНОГО УНІВЕРСИТЕТУ 2012р. Серія: Технічні науки Вип. 24
ISSN 2225-6733
учетом ограничения по температуре шлифования, т.е. по температурному фактору.
Анализ последних исследований и публикаций. Исследованию проблемы повышения производительности и качества обработки при шлифовании в научно-технической литературе уделено чрезвычайно большое внимание [1-4]. В настоящее время разработана формализованная теория теплофизики шлифования, позволяющая производить расчеты сложных температурных полей, возникающих в поверхностном слое обрабатываемых деталей при шлифовании, научно обоснованно подходить к выбору рациональных характеристик шлифовальных кругов и параметров режимов шлифования. Однако полученные теоретические решения, как правило, требуют численных расчетов для конкретных (частных) условий обработки, что решения, как правило, требуют численных расчетов для конкретных (частных) условий затрудняет установление общих технологических закономерностей формирования параметров качества обработки при шлифовании и определение условий повышения производительности с учетом ограничения по температуре шлифования. Это требует разработки новых упрощенных теоретических подходов к расчету и анализу температуры шлифования, позволяющих производить оптимизационные расчеты параметров режимов шлифования по критериям наибольшей производительности или наименьшего штучного времени обработки с учетом ограничения по температуре шлифования (температурному фактору).
Цель статьи. Теоретическое и экспериментальное обоснование условий повышения производительности и качества обработки при шлифовании с учетом ограничения по температуре шлифования.
Изложение основного материала. Для определения температуры шлифования в воспользуемся аналитической зависимостью, приведенной в работе [5] (рис. 1):
где
q = °-Vpc3
Н/м2; Vpe3
в =
q • l2
2
плотность теплового потока, Вт/м2
(1)
<j - условное напряжение резания,
скорость перерезания шлифовальным кругом бесконечно тонкого адиаба-
тического стержня, набором которых представлен снимаемый припуск, м/с;
l2 - глубина проникновения тепла в поверхностный слой обрабатываемой детали, м;
l
2 _
2 • Х^т
С • Рм
(2)
где Х - коэффициент теплопроводности обрабатываемого материала, Вт/(мтрад); с - удельная теплоемкость обрабатываемого материала, Дж/(кгтрад);
Рм - плотность материала, кг/м3;
т = t/V — время перерезания шлифовальным кругом бесконечно тонкого адиабати-
ческого стержня, с.
Рис. 1 - Расчетная схема параметров шлифования: 1- круг; 2 - деталь; 3 - адиабатический стержень
При круглом шлифовании периферией круга [5]: Урез = Удет 0,5 • t • р , где Vdem - скорость
ВІСНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХНІЧНОГО УНІВЕРСИТЕТУ 2012р. Серія: Технічні науки Вип. 24
ISSN 2225-6733
вращения детали, м/с; р = 1 /RKp +1 /Rdem ; RKp, Rdem - радиусы круга и детали, м.
Тогда зависимость (1) окончательно примет вид
в = a ■1 ■
Vdem ^ і2р
Л-c-Рм V t
(3)
Как видно, с увеличением глубины шлифования t и скорости детали Удет температура шлифования в увеличивается, однако с разной интенсивностью. Из этого вытекает, что добиться увеличения производительности обработки Q = B ■Vdem ■ t при заданной температуре шлифования в можно за счет применения многопроходного шлифования, предполагающего увеличение Vdem и уменьшение t (где B - ширина шлифования, м). Следовательно, с точки зрения обеспечения производительности и качества обработки (при заданной температуре шлифования в ) применение многопроходного шлифования более эффективно по сравнению с глубинным (однопроходным) шлифованием. Однако при этом возникает задача определения предельной скорости детали Vdem, т.к. согласно зависимости (3), она может увеличиваться до бесконечности, а глубина шлифования t соответственно уменьшаться до нуля. Наиболее существенным ограничением увеличения скорости детали Vdem может быть количество проходов круга, поскольку с их увеличением возрастает вспомогательное время обработки, связанное с реверсированием стола станка [6]. Исходя из этого, определим штучное время обработки Ттп1, равное сумме основного Тосн и вспомогательного Твсп времени обработки на операции плоского шлифования. В этом случае Rdem , соответственно р = 1 /RKp . Представляя Тосн = n ■тосн и
Твсп = n ■твсп, получим зависимость для определения штучного времени обработки
Т = Т + Т = n ■ (т + т )
mm осн всп V осн всп / ’
(4)
где n - количество проходов круга;
тосн = L/Vdem - основное время обработки за один проход круга, с;
твсп - вспомогательное время обработки, затрачиваемое на реверсирование стола
станка в пределах одного прохода круга, с;
L - длина хода круга, м.
Скорость детали Vdem определим из зависимости (3):
Vdem Л ■ c ■ рм
в
2
a ■ t
(5)
где t = П/n;
П - величина снимаемого припуска, м. Подставим зависимость (5) в (4):
Т =-
mm
L
2Р
0,5
, ІДІ I ГГ 1 +n твсп . (6)
^c■ Рм Ув) Уп■П
Как видно, количество проходов n неоднозначно влияет на штучное время обработки Тmm, т.е. существует экстремум функции Тmm от n . Для его определения подчиним функцию
Тmm необходимому условию экстремума (Ттп1 )n = 0 . После преобразований получим выражения для определения экстремальных значений количества проходов круга и штучного времени обработки:
Т
П ■ в31 Г L У
V c ■ рм ■ Твсп )
+ 0,63),П ■ 3, в » V L 1
у Л ^С ^ рМ )
2РТв,
(7)
(8)
При этом установлено, что вторая производная (тmm) n в точке экстремума положительна, следовательно, имеет место минимум функции Ттп1 от n .
2
n
2
в
ВІСНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХНІЧНОГО УНІВЕРСИТЕТУ 2012р. Серія: Технічні науки Вип. 24
ISSN 2225-6733
Из зависимости (8) вытекает, что первое слагаемое (определяющее основное время обработки в точке экстремума функции Тшт) в 2 раза больше второго слагаемого (определяющего вспомогательное время обработки). Уменьшить Тштэкстр можно уменьшением параметров П, L и твсп, а также увеличением заданной температуры шлифования в . Параметры режима шлифования t и ¥дет не оказывают влияния на параметр Тштэкстр, так же как не оказывают влияния и на пэкстр .
Между параметрами Тштэкстр и пэкстр существует взаимосвязь
Т = 3 • т• n (9)
шт.экстр всп экстр
Как видно, отношение Тштэкстр / пэкстр зависит лишь от величины твсп . С учетом получен-
ных выражений исходная зависимость для определения штучного времени обработки Тшт может быть представлена в виде:
шт
= Т
(
2 • n
1,5
экстр
П
0,5
Л
+ n
(10)
V /
На рис. 2 приведены рассчитанные по зависимости (10) значения безразмерной величины Тшт / Твсп. Как видно, с увеличением количества проходов круга n безразмерная величина Тшт /Тесп изменяется по экстремальной зависимости, проходя точку минимума. Экстремум отсутствует лишь в случае пэксп1Р=1. При этом с увеличением пэксп1Р минимум безразмерной вели-
чины Тшт / твсп увеличивается и смещается в область больших значений n .
0 2 4 6 8 n
Рис. 2. - Зависимость безразмерной величины Тшт/хвсп от количества проходов
круга n : 1 — Пэкстр 1; 2 — Пэк^р =2; 3 — Пэк^р =3; 4 — Пэк^р =4
Произведем расчет параметра пэксп1Р и соответствующих ему оптимальных параметров режима шлифования t и Удет для плоского шлифования пластины из закаленной стали 18ХГН2МФБ твердостью HRC 57...63 абразивным кругом 1А1 350х15х76 24А 40 СМ1 К6 со структурой 7 (без применения СОЖ). Примем следующие исходные данные: L =100 мм; П =0,4 мм; Rкр =0,15 м; Rдет ^ 0; р =6,67 м-1; твсп =0,5 с; в=800оС; 2=42 Вт/(мтрад); с• рм =5-106
Дж/(м3-град). Экспериментально установлено, что условное напряжение резания а =15-103 Н/мм2.
Подставляя исходные данные в зависимость (7), получим пэксп1р =5,4 (принято пэксп1р =6). Тогда t = П/пэксп1р =0,067 мм. Скорость детали Удет , определяемая зависимостью (5), равна
Удет =17,9 м/мин.
Для меньшей длины хода круга L =50 мм, эти параметры соответственно принимают значения: пэксп1р =3,4 (принято пэксп1р =4); t =0,1 мм; Удет =9,9 м/мин. Как видно, с уменьшением L
количество проходов круга пэксп1р и скорость детали Удет уменьшаются, а глубина шлифования
t - увеличивается, т.е. наблюдается тенденция перехода от многопроходного шлифования к глубинному шлифованию.
ВІСНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХНІЧНОГО УНІВЕРСИТЕТУ 2012р. Серія: Технічні науки Вип. 24
ISSN 2225-6733
Таким образом, расчетами установлено, что вспомогательное время обработки, связанное
с реверсированием стола станка, является существенным ограничивающим фактором увеличения скорости детали Vdem в условиях многопроходного шлифования. Собственно этим объясняется тот факт, что на практике скорость детали изменяется в ограниченных пределах.
Выводы
1. В работе произведена оптимизация параметров режима шлифования по критерию наименьшего штучного времени обработки с учетом ограничения по температуре шлифования. На этой основе обоснованы условия повышения производительности и качества обработки, состоящие в применении многопроходного шлифования и выборе оптимального количества проходов круга, глубины шлифования и скорости детали в соответствии с полученными аналитическими зависимостями.
2. Установлено, что штучное время обработки с изменением количества проходов круга изменяется по экстремальной зависимости, проходя точку минимума. Доказано, что в точке экстремума основное время обработки в 2 раза больше вспомогательного времени обработки, а отношение экстремальных значений штучного времени обработки и количества проходов круга в 3 раза больше вспомогательного времени обработки.
3. Теоретически установлено, что параметры режима многопроходного шлифования существенно ограничены величиной вспомогательного времени обработки, затрачиваемого на реверсирование стола станка, и поэтому его необходимо учитывать при выборе оптимальных условий шлифования.
Список использованных источников:
1. Якимов А.В. Оптимизация процесса шлифования / А.В. Якимов. - М. : Машиностроение,
1975. - 175 с.
2. Резников А.Н. Теплофизика процессов механической обработки материалов / А.Н. Резников. - М. : Машиностроение, 1981. - 279 с.
3. Сипайлов В.А. Тепловые процессы при шлифовании и управление качеством поверхности / В.А. Сипайлов. - М. : Машиностроение, 1978. - 166 с.
4. Силин С.С. Метод подобия при резании материалов / С.С. Силин. - М. : Машиностроение, 1979. - 152 с.
5. Теоретические основы резания и шлифования материалов: учеб. пособие / А.В. Якимов, Ф.В. Новиков, Г.В. Новиков, Б.С. Серов, А.А. Якимов. - Одесса : ОГПУ, 1999. - 450 с.
6. Новиков Ф.В. Оптимизация параметров режима шлифования зубчатых колес / Ф.В. Новиков, В.В. Нежебовский // Защита металлургических машин от поломок. - Мариуполь, 2010. - Вып.12. - С.56-62.
Bibliography:
1. Yakimov A.V. Optimization of the grinding process / A.V. Yakimov. - M. : Mashinostroenie, 1975. - 175 p. (Rus.)
2. Reznikov A.N. Thermophysics machining processes materials / A.N. Reznikov. - M. : Mashinostroenie, 1981. - 279 p. (Rus.)
3. Sipaylov V.A. Thermal processes for grinding and quality control surface / V.A. Sipaylov. - M. : Mashinostroenie, 1978. - 166 p. (Rus.)
4. Silin S.S. Method is similar to the cutting of materials / S.S. Silin. - M. : Mashinostroenie, 1979. -152 p. (Rus.)
5. Theoretical basis of cutting and grinding of materials: a manual / A.V. Yakimov, F.V. Novikov,
G.V. Novikov, B.S. Serov, A.A. Yakimov. - Odessa : OGPU, 1999. - 450 p. (Rus.)
6. Novikov F.V. Optimization of the profile gear grinding / F.V. Novikov, V.V. Nezhebovskiy // Zashchita metallurgicheskich mashin ot polomok. - Mariupol, 2010. - Vyp. 12. - p.56-62. (Rus.)
Рецензент: А.А. Ищенко
д-р техн. наук, проф. ГВУЗ «ПГТУ» Статья поступила 12.06.2012
