CC BY
15
УДК 621.454
БАЛАНС ПЕРЕМЕЩЕНИЙ В ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ
ПРИ ЛЕНТОЧНОМ РОТАЦИОННОМ ШЛИФОВАНИИ
С.М. Братан, Т.В. Стадник, А.Г. Колесов
Рассмотрено установление взаимосвязей режимов обработки с текущими параметрами зоны контакта при ленточном ротационном шлифовании. В результате математического моделирования процесса получено уравнение, которое устанавливает взаимосвязь между скоростью изменения силы давления абразивной ленты на поверхность заготовки со скоростью изменения глубины резания, скоростью съема материала, интенсивностью износа ленты, интенсивностью температурных деформаций в зоне контакта.
Ключевые слова: ленточное ротационное шлифование, глубина внедрения зерен, зона контакта, абразивная лента.
Долговечность, надежность и экономичность производимых машин напрямую зависят от точности и качества поверхности отдельных деталей. Качество поверхности и поверхностного слоя определяет сопротивление деталей к износу и их прочность, а высокая чистота поверхности повышает антикоррозионные свойства [1]. Поэтому доля финишных операций в металлообработке постоянно увеличивается. Одним из наиболее распространенных и производительных методов финишной обработки высокоточных деталей и инструментов является шлифование абразивными кругами. Оно используется практически на всех промышленных предприятиях в условиях различных типов производств, однако является наиболее сложным и наименее изученным процессом механической обработки. Большое тепловыделение в зоне резания приводит к образованию шлифовочных дефектов и снижению производительности обработки снижается [2].
Одним из наиболее прогрессивных методов обработки изделий является шлифование абразивной лентой, движущейся с большой скоростью до 50 м/с [3].
Шлифование абразивной лентой широко применяется в авиа-, автомобиле- и судостроении, в подшипниковой, деревообрабатывающей про-мышленностях и других отраслях народного хозяйства на всех стадиях технологического процесса изготовления деталей: при черновой обработке со снятием значительных припусков, при чистовой и отделочной обработке заготовок с обеспечением малой шероховатости, требуемой степени точности и качества обработанной поверхности [4].
Шлифование абразивными лентами имеет ряд существенных преимуществ по сравнению с обработкой абразивными кругами. В отличие от абразивных кругов с жестким закреплением режущих зерен гибкие ленты позволяют в широких пределах изменять площадь контакта между инструментом и обрабатываемой деталью, что создает возможность управлять
270
величиной и характером распределения контактного давления, количеством режущих элементов в зоне резания в соответствии с физико-механическими свойствами обрабатываемой заготовки и техническими условиями на ее обработку [5].
По сравнению со шлифованием абразивными кругами процесс ленточного шлифования характеризуется большей производительностью и получением более высокого качества поверхности обработанной детали. Ленточное шлифование обеспечивает шероховатость Яа 0,63...0,08.
В целом, ленточное шлифование имеет следующие преимущества перед обработкой абразивными кругами: высокую производительность шлифования; больший контакт между лентой и обрабатываемой деталью; меньшую контактную температуру, возникающую при шлифовании; небольшое подготовительно-заключительное время. Оборудование для ленточного шлифования просто по конструкции и экономично в эксплуатации. Эти обстоятельства делают неоспоримыми преимущества абразивных лент в сравнении с обработкой абразивными кругами на финишных операциях при обработке сложнопрофильных, габаритных и длинномерных деталей, продуктов проката и волочения [4, 5].
Недостатки шлифования абразивными лентами: меньшая точность размеров и геометрической формы при обработке; трудности при обработке резких уступов на деталях; сравнительно низкая стойкость абразивной ленты и малый срок службы из-за невозможности правки (в большинстве случаев); удлинение ленты в процессе работы.
Одним из распространенных методов ленточного шлифования является шлифование свободной ветвью абразивной ленты, где абразивная лента соприкасается с заготовкой на свободной ветви, в результате чего увеличивается площадь контакта ленты с заготовкой из-за большего угла охвата. Этот метод применяется для шлифования фасонных деталей, внутренних и наружных поверхностей, длинномерных труб и деталей малой жесткости. Для обработки осесимметричных нежестких длинномерных деталей, где вращение обрабатываемой детали невозможно или затруднительно, наиболее оптимальной схемой с позиции достижений значений шероховатости поверхности Яа = 0,63 и ниже является способ ротационного ленточного шлифования [3 - 5].
Способ обработки (рисунок) реализуется за счет сочетания движений абразивной ленты, движущейся со скоростью ¥[, вращения планшайбы 1 со скоростью Vg, обеспечивающей круговую подачу. Продольная подача при шлифовании на проход обеспечивается за счет перемещения заготовки 5 вдоль ее оси, для схемы врезного шлифовании она отсутствует.
Абразивная лента 6 располагается на трех роликах - ведущем 3, натяжном 4 и ведомом 2.
А(увеличено)
Схема процесса ленточного ротационного шлифования с двумя подвижными роликами: 1 - планшайба; 2 ведомый ролик; 3 - ведущий ролик; 4 - натяжной ролик; 5 - обрабатываемая заготовка;
6 - абразивная лента
Рассмотрим схему обработки, при которой поперечная подача осуществляется за счет изменения натяжения ленты. Изменение натяжения ленты обеспечивается за счет одновременного перемещения ведущего 3 и ведомого 2 роликов.
Математическое моделирование операции ленточного ротационного шлифования позволит решить многие практические задачи по выбору и конструированию оборудования, назначению режимов и условий обработки и является актуальной задачей.
Весьма часто при моделировании операция рассматривается как динамическая система [6]. Одна из возможных схем декомпозиции операции как динамической системы представлена в работе [7]. По функциональным признакам операция разбита на подсистемы станка, приспособления, инструмента, заготовки, СОТС. Каждая из подсистем имеет свой набор свойств, параметров состояния, историю развития, вектор входных и выходных переменных, вектор возмущающих воздействий.
Центральной подсистемой является зона контакта заготовки с инструментом. К параметрам состояния зоны относятся ее размеры, форма, параметры процесса стружкообразования, скорость съема материала, параметры изнашивания и разрушения абразивного материала. Размеры зоны находятся в прямой взаимосвязи с состоянием поверхности, размерами и пространственным расположением абразивной ленты и заготовки. В связи с изменением размеров, пространственного расположения и состояния контактирующих поверхностей с течением времени будут изменяться параметры состояния зоны контакта и, как следствие, - выходные показатели процесса [6].
Поэтому целью данной работы является установление взаимосвязей режимов обработки с текущими параметрами зоны контакта при ленточном ротационном шлифовании.
Для установления параметров зоны контакта рассмотрим схему процесса ленточного ротационного шлифования. Максимально возможную (номинальную) глубину внедрения зерен инструмента в материал заготовки в момент времени т обозначим через £f (т):
(т) = ад+г(т) - ад, (1)
где Я( т) - расстояние от базовой поверхности ленты до вершин наиболее выступающих зерен шлифовальной ленты в момент времени т; А(т) -расстояние от базовой поверхности ленты до центра вращения планшайбы в момент времени т; г(т) - радиус детали в момент времени т.
Текущее расстояние от базовой поверхности ленты до вершин наиболее выступающих зерен с учетом ее размерного износа во времени определяется как
т
ад = я0 -1 Б^т, (2)
о
где Я0 - расстояние от базовой поверхности ленты в начальный момент времени до наиболее выступающих зерен т = ^; - износ ленты в единицу времени.
Текущий радиус детали в момент времени т
т
г(т) = г0 -1 Мт, (3)
о
где г0 - исходный размер заготовки; Г - интенсивность съема материала.
В свою очередь, расстояние от базовой поверхности шлифовальной ленты до центра вращения планшайбы с учетом суммы вертикальных подач инструмента и упругих отжатий в технологической системе
т
А(т) = Ао -1 Бу^т + ДАу (т), (4)
0
где А0 - расстояние от базовой поверхности шлифовальной ленты до центра вращения планшайбы в момент первого касания ленты с заготовкой; БуП - значение номинальной подачи ленты; ДАу (т), ДАт (т) - приращение
упругих и температурных деформаций в технологической системе соответственно.
Приращение упругих деформаций может быть рассчитано по зависимости
Р
ДАу (т) = —, (5)
где Р - сила давления абразивной ленты на поверхность заготовки; -жесткость технологической системы.
При подстановке в выражение (1) зависимостей (2), (3), (4) получим выражение для расчета t f (t):
t t t
tf (t) = R0 - j SRdt + r0 - j rdt- A0 + J Sупdt-AAy (t)-AAT (t).
0 0 0
После вычитания из tf (t) значения tf (t-1) получим разностное
уравнение, описывающее баланс перемещений в технологической системе:
S () = Atf(t) , Ar(t-1) , AR(t) , AAy(t) , AAt (t) (6)
yn(t) At At At At At ' где Ar - съем материала; AR - износ инструмента.
При подстановке в выражение (6) зависимости (5) получим
Syn (t) = f + + AR(x) + Z(x) + AAt(x) . (7)
y At At At jAt At
Полученное разностное уравнение (7) может быть переписано в дифференциальной форме:
P(t) = j (Syn (t) -1f (t) - r(t -1) - R(t) - At (t)),
где t f (t), r(t — 1), R(t), At (t) - скорость изменения глубины резания, скорость съема материала, интенсивность износа ленты, интенсивность температурных деформаций в зоне контакта соответственно.
Полученное уравнение устанавливает взаимосвязь между скоростью изменения силы давления абразивной ленты на поверхность заготовки со скоростью изменения глубины резания, скоростью съема материала, интенсивностью износа ленты, интенсивностью температурных деформаций в зоне контакта.
Для полного описания процесса необходимо разработать математические модели процесса съема материала, износа инструмента, температурных деформаций в технологической системе.
Список литературы
1. Новоселов Ю.К. Динамика формообразования поверхностей при абразивной обработке. М.: Изд-во: «LAP LAMBERT Academic Publishing», 2017. 317 с.
2. Корчак С.Н. Производительность процесса шлифования стальных деталей. М.: Машиностроение, 1974. 280 с.
3. Шиляев С. А., Иванов А.Г. Анализ конструктивных и технологических параметров устройства ротационного ленточного охватывающего шлифования на основе исследований динамики относительного движения абразивной ленты // Наука и образование: научное издание МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2011. № 6. С. 12 - 20.
4. Коряжкин А.А., Волков Д.И. Стохастическая модель износа абразивной ленты при шлифовании лопаток компрессора ГТД // Вестник РГА-ТА. 2011. №2. С.132 - 138.
5. Чубуков К.И., Шиляев С. А. Разработка схемы формообразования при ротационном ленточном охватывающем шлифовании //Актуальные вопросы станкостроения: материалы всероссийской научно-практической конференции. Ижевск: Иннова, 2013. С. 69 - 73.
6. Братан С.М. Технологические основы обеспечения качества и повышения стабильности высокопроизводительного чистового и тонкого шлифования: дис... д-ра техн. наук. Одесса, 2006. 339 с.
7. Братан С.М. Обеспечение качества и повышение стабильности обработки при чистовом и тонком шлифовании // Резание и инструмент в технологических системах междунар. науч.-техн. сб. Харьков, 2005. Вып. 68. С. 34 - 39.
Братан Сергей Михайлович, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, serg. hratana gmail.com, Россия, Севастополь, Севастопольский государственный университет,
Стадник Татьяна Валериевна, асп., tanva-staa i.ua, Россия, Севастополь, Севастопольский государственный университет,
Колесов Александр Геннадиевич, ассист., kolesof90 a mail. ru, Россия, Севастополь, Севастопольский государственный университет
BALANCE OF MOVEMENTS IN THE TECHNOLOGICAL SYSTEM WITH BELT ROTARY
GRINDING
S.M. Bratan, T.V. Stadnik, A.G. Kolesov
The establishment of interrelations of processing modes with the current parameters of the contact zone in the case of helt rotational grinding is considered. As a result of mathematical modeling of the process, an equation is obtained that establishes the relationship between the rate of change in the pressure of the abrasive belt on the surface of the workpiece with the rate of change in cutting depth, the rate of material removal, the intensitv of belt wear, and the intensitv of temperature deformations in the contact zone.
Key words: Belt rotary grinding, grain penetration depth, contact zone, abrasive
belt.
Bratan Sergey Mihailovich, doctor of technical sciences, professor, head of chair, serg. bratan^gmail. com, Russia, Sevastopol, Sevastopol State University,
Stadnik Tatiana Valerievna, postgraduate, tanva-stadayandex. ru, Russia, Sevastopol, Sevastopol State University,
Kolesov Aleksandr Gennadievich, assistant, kolesof90@,mail. ru, Russia, Sevastopol, Sevastopol State University
