CC BY
15
DOI 10.25987^Ти.2019.15.4.021 УДК 621.923
ФОРМИРОВАНИЕ ВОЛНИСТОСТИ ОБРАБАТЫВАЕМОЙ ПОВЕРХНОСТИ ПРИ ВЫХАЖИВАНИИ ШЛИФОВАЛЬНЫМ КРУГОМ
С.Г. Бишутин, А.А. Козленкова Брянский государственный технический университет, г. Брянск, Россия
Аннотация: статья посвящена исследованию процесса формирования высотных и шаговых параметров волнистости поверхности на этапе выхаживания периферией шлифовального круга. Исследования показали, что значительное влияние на волнистость поверхности в большинстве случаев оказывают последний рабочий ход инструмента (если в структуре операции шлифования цикл выхаживания отсутствует) и выхаживающие ходы шлифовального круга. Кроме того, меньшая волнистость достигается при шлифовании в условиях более жестких технологических систем. Показано, что при незначительном изменении частот вращения круга и заготовки в процессе обработки можно существенно снизить высоту волнистости поверхности. Однако простым и надежным способом технологического снижения волнистости поверхности является увеличение числа выхаживающих ходов круга. Установлено, что с увеличением числа выхаживающих ходов инструмента высота и шаг волнистости поверхности снижаются до 2-3 раз, причем наиболее сильное изменение параметров волнистости происходит на первых 7...9 выхаживающих ходах инструмента. После 12.. .15 выхаживающих ходов шлифовального круга волнистость поверхности практически не меняется. Получены зависимости для расчета высотных и шаговых параметров волнистости поверхности, учитывающие основные факторы процесса шлифования, в том числе и условия выхаживания абразивным инструментом. Представлены результаты экспериментальной проверки полученных теоретических зависимостей
Ключевые слова: шлифование периферией круга, волнистость поверхности
Введение
Постановка задачи
Современный уровень развития машиностроения предопределяет необходимость разработки технологических операций механической обработки, в ходе которых обеспечивается высокое качество деталей машин. Наиболее часто требуемое качество поверхности формируется при финишном шлифовании. Зачастую при шлифовании ответственных деталей машин возникает необходимость обеспечения заданной волнистости поверхности. Однако выбор режимов шлифования, обеспечивающих совокупность требуемых параметров качества, в том числе и волнистости поверхности, представляет значительные трудности. Известно, что при выхаживании поверхности шлифовальным кругом существенно улучшается её качество, имеется возможность снижения волнистости [1, 2]. Вместе с тем, исследования, позволяющие научно обоснованно выбрать условия выхаживания поверхности абразивным инструментом с учетом требуемых параметров волнистости, отсутствуют. В связи с этим данные исследования являются актуальными.
© Бишутин С.Г., Козленкова А.А., 2019
Исследование процесса формирования высотных и шаговых параметров волнистости поверхности при шлифовании периферией круга для научно обоснованного выбора условий выхаживания абразивным инструментом ответственных поверхностей деталей машин.
Механизм формирования волнистости поверхности при выхаживании шлифовальным кругом
Основной причиной образования волнистости поверхности является несовпадение требуемой и действительной траекторий движения абразивного инструмента относительно заготовки, которое обусловлено наличием колебательного движения рабочей поверхности инструмента относительно обрабатываемой поверхности заготовки [3, 4]. Источниками колебательных движений могут быть неотба-лансированные вращающиеся элементы технологической системы (абразивный инструмент, электродвигатель станка, технологическая оснастка и пр.); геометрические погрешности формы рабочей поверхности, формируемые в процессе правки и при износе шлифовального круга; автоколебания, вызванные самим процессом обработки и т.п.
Механизм формирования волнистости поверхности рассмотрим применительно к плоскому шлифованию периферией круга. Волнистость поверхности в большинстве случаев будет сформирована на последнем рабочем ходе инструмента и/или в ходе выхаживающих ходов шлифовального круга. Предположим, что при абразивной обработке выполняются два выхаживающих хода инструмента. На последнем рабочем ходе волнистость поверхности зависит от размаха колебаний периферии круга относительно шлифуемой поверхности (рис. 1).
Траектория движения рабочей поверхности инструмента на первом выхаживающем ходе будет смещена относительно траектории на последнем рабочем ходе в вертикальном и горизонтальном направлениях. Смещение у1 в вертикальном направлении вызывается силами упругости технологической системы, возникающими при снятии припуска с заготовки. Смещение х1 в горизонтальном направлении обусловлено особенностями технологического оборудования, в частности, временем реверса стола шлифовального станка и расположением упоров рычага реверса его стола. Аналогичная ситуация будет наблюдаться и при втором выхаживающем ходе инструмента: траектория рабочей поверхности шлифовального круга на данном ходе будет смещена на х2 и у2 относительно предыдущей траектории по тем же причинам. Если продолжать выхаживание заготовки, то со временем процесс съема металла с обрабатываемой поверхности прекратится и смещение траекторий инструмента в вертикальном направлении происходить не будет. Как видим, траектории движения рабочей поверхности инструмента на выхаживающих ходах накладываются друг на друга, тем самым формируя волнистость обработанной поверхности заготовки довольно сложной формы (рис. 1). Очевидно, что меньшая волнистость будет формироваться при шлифовании в условиях более жестких технологических систем.
Теоретические исследования формирования волнистости поверхности при шлифовании
Конечная волнистость поверхности '(х), как было показано выше, является результатом наложения профилей волнистости У1(х), ... , Уп(х), образуемых при каждом контакте шлифовального круга с рассматриваемым сечением обрабатываемой поверхности (где х - координата профиля волнистой поверхности). Поэтому можно считать, что У! (х) (1< ! < п) является
случайным стационарным нормальным процессом, а величина
W(x) = max Vi (x),1 < i < n, (1) где n - число контактов шлифовального круга с рассматриваемым сечением обрабатываемой поверхности будет максимальным элементом выборки V1 (x), ...,Vn (x), теория распределения которого разработана в математической статистике [5, 6].
Формирование максимального элемента W(x) выборки V1(x), ...,Vn(x) с определенным допущением можно трактовать как изменение масштаба Т рассматриваемой реализации случайного процесса. В таком случае, зависимости для определения высотных (W) и шаговых (S) параметров волнистости поверхности можно записать следующим образом:
W = Wj/T; S = Sj/T, (2)
где W1, S1 - высота и шаг волнистости обрабатываемой поверхности после одного рабочего хода инструмента.
Уравнения (1) и (2) являются исходными для получения расчетных зависимостей параметров волнистости поверхности.
Рис. 1. Схема формирования волнистости обрабатываемой поверхности при шлифовании периферией круга:
1 - траектория движения центра шлифовального круга;
2 - траектория движения рабочей поверхности круга на последнем рабочем ходе; 3,4 - траектории движения рабочей поверхности круга соответственно на первом
и втором выхаживающих ходах; 5 - волнистость шлифованной поверхности заготовки
Таким образом, в ходе математических преобразований зависимостей (1) и (2) были получены следующие уравнения для расчета средней высоты и шага волнистости шлифованной поверхности
Wz = W1pu
W1 =
Wo, Wo <
(V3 /(H*n K ))2,
4D
К
(V3 /(Нпк ))2, W ^ (V3 /(НпК ))2
4D
К
4D
К
=
V
V п КН*
Р"
(4)
V , 1 V
— Сч - Ь = ,
V ч Н* V,,
(7)
где '0 - размах колебаний рабочей поверхности шлифовального круга относительно обрабатываемой поверхности (при предварительном шлифовании эта величина равна 8.12 мкм, при окончательном - 4.7 мкм, тонком -1.3 мкм); Dз, DК - диаметр, соответственно, заготовки и круга; Vз - скорость вращения (перемещения) заготовки; в, и - коэффициент и показатель степени, характеризующие процесс изменения волнистости поверхности при выхаживании шлифовальным кругом; пк - частота вращения шлифовального круга.
Величина Н в уравнениях (3) - (4) определяется схемой шлифования.
При бесцентровом, круглом наружном и внутреннем шлифовании периферией круга с продольной подачей Vsм
Н = ■
М
3,14 D з ^
(5)
При плоском шлифовании на станках с прямоугольным столом с периодической поперечной подачей SП
Н = кь —. (6)
^п
При круглом врезном шлифовании периферией круга (в том числе и бесцентровом), а также при плоском шлифовании периферией круга без периодической поперечной подачи на станках с прямоугольным столом Н =1.
В уравнениях (5) - (6): кЬ - коэффициент, учитывающий долю площади рабочей поверхности шлифовального круга, контактирующую с обрабатываемой поверхностью (для круга после правки кЬ =1, для круга в конце периода стойкости (для изношенного круга) - кЬ = 0,70.0,85); В - высота шлифовального круга.
Анализ полученных зависимостей показывает, что эффективным средством технологического снижения волнистости поверхности является выбор режимов шлифования, обеспечивающих требуемый сдвиг (х1, х2) фаз колебаний (см. рис. 1 ) при последующих ходах инструмента и/или оборотах заготовки.
Минимальная волнистость поверхности при шлифовании периферией круга будет наблюдаться вследствие сдвига фаз колебаний инструмента при выполнении следующего условия:
где V,; - частота колебаний рабочей поверхности инструмента (в большинстве случаев пропорциональна частоте вращения шлифовального круга); Сч - минимальное целое число волн, необходимое для выполнения условия VзСч >Ь ; Ь - перемещение инструмента за один рабочий ход при плоском шлифовании или длина окружности обрабатываемой поверхности при круглом шлифовании.
Из формулы (7) следует, что при незначительном изменении в процессе обработки величины Vз/vк можно существенно снизить высоту волнистости поверхности. Однако реализация на практике такого пути сопряжена со значительными трудностями. Поэтому приемлемым способом снижения волнистости поверхности является увеличение числа выхаживающих ходов инструмента или времени выхаживания.
Экспериментальные исследования формирования волнистости поверхности при выхаживании абразивным инструментом
Для подтверждения состоятельности проведенных теоретических исследований были проведены эксперименты. На станке 3Г71 шлифовались образцы из стали 45 с различной длительностью выхаживания. Режимы обработки были следующими: шлифовальный круг 1-200x76x40 24А40СМ16К5; скорость стола станка - 10 м/мин; глубина шлифования - 12 мкм. Затем на профилографе-профилометре мод. 170311 были сняты волнограммы с обработанных поверхностей образцов (рис. 2). На образцах, обработанных без выхаживания, сформировалась волнистость высотой '1=3,4-3,7 мкм и шагом Smw=3,5-4 мм. На остальных образцах высота волнистости поверхности была тем меньше, чем больше выхаживающих ходов инструментом было сделано.
Затем с помощью формул (3) и (4) были рассчитаны высота и шаг волнистости поверхности после шести, десяти и тридцати выхаживающих ходов шлифовального круга. Результаты расчетов были сопоставлены с полученными экспериментальными данными (рис. 3, 4).
Рис. 3. Изменение высоты волнистости поверхности в зависимости от числа I выхаживающих ходов шлифовального круга: 1 - расчет по формуле (3); 2 - экспериментальные данные
Рис. 2. Волнограммы поверхностей образцов, обработанных без выхаживания (а), с шестью (б), десятью (в) и тридцатью (г)
выхаживающими ходами шлифовального круга
чем наиболее сильное изменение параметров волнистости происходит на первых 7...9 выхаживающих ходах инструмента. После 12.15 выхаживающих ходов волнистость поверхности практически не меняется.
Выводы и результаты
Проведенные исследования показали, что значительное влияние на волнистость поверхности в большинстве случаев оказывает последний рабочий ход инструмента (если в структуре операции шлифования цикл выхаживания отсутствует) и выхаживающие ходы шлифовального круга. Кроме того, меньшая волнистость достигается при шлифовании в условиях более жестких технологических систем.
Существенно снизить высоту волнистости поверхности можно путем незначительного изменения частот вращения круга и заготовки в процессе обработки, что достаточно сложно реализовать на практике. Поэтому простым и надежным способом технологического снижения волнистости поверхности является увеличение числа выхаживающих ходов круга.
Введение в структуру технологической операции шлифования цикла выхаживания позволяет снизить высоту и шаг волнистости поверхности до 2-3 раз. Однако после 12.15 выхаживающих ходов инструмента параметры волнистости практически не меняются.
Полученные зависимости для расчета высотных и шаговых параметров волнистости поверхности учитывают основные факторы про-
Рис. 4. Зависимость шага Бш' волнистости поверхности от числа I выхаживающих ходов шлифовального круга: 1 - расчет по формуле (4); 2 - экспериментальные данные
Как видим, наблюдается удовлетворительное совпадение расчетных и экспериментальных данных.
Анализ результатов экспериментов показывает, что с увеличением числа выхаживающих ходов инструмента высота и шаг волнистости поверхности снижаются до 2-3 раз, при-
цесса шлифования, в том числе и условия выхаживания абразивным инструментом.
Результаты исследований позволяют осуществлять научно обоснованный выбор режимов шлифования и условий выхаживания абразивным инструментом ответственных поверхностей деталей машин с учетом требуемых параметров волнистости.
Литература
1. Кремень З.И., Юрьев В.Г., Бабошкин А.Ф.
Технология шлифования в машиностроении. СПб.: Политехника, 2007. 424 с.
2. Бишутин С.Г. Обеспечение требуемой совокупности параметров качества поверхностных слоев деталей при шлифовании. М.: Машиностроение-1, 2004. 144 с.
3. Инженерия поверхности деталей / А.Г. Суслов и др.; под ред. А.Г. Суслова. М.: Машиностроение, 2008. 320 с.
4. Суслов А.Г., Дальский А.М. Научные основы технологии машиностроения. М.: Машиностроение, 2002. 684 с.
5. Розанов Ю.А. Теория вероятностей, случайные процессы и математическая статистика. М.: Наука, 1989. 320 с.
6. Степанов Ю.С., Белкин Е.А., Барсуков Г.В. Моделирование микрорельефа абразивного инструмента и поверхности детали. М.: Машиностроение-1, 2004. 215 с.
Поступила 03.06.2019; принята к публикации 05.08.2019 Информация об авторах
Бишутин Сергей Геннадьевич - д-р техн. наук, профессор, профессор кафедры «Автомобильный транспорт», Брянский государственный технический университет (241035, г. Брянск, бульвар 50 лет Октября, 7), тел. 8-483-256-09-95, е-mail: nad-bisch@yandex.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-9430-2936
Козленкова Алла Александровна - аспирант, Брянский государственный технический университет (241035, г. Брянск, бульвар 50 лет Октября, 7), тел. 8-483-256-09-95, е-mail: alya.nice3010@gmail.com
FORMING WAVINESS OF THE PROCESSED SURFACE WHEN RUBBING BY AN ABRASIVE
WHEEL
S.G. Bishutin, А.А. Kozlenkova
Bryansk State Technical University, Bryansk, Russia
Abstract: the article is devoted to the study of the formation of high-altitude and stepping parameters of the surface waviness at the stage of sparking-out with the grinding wheel periphery. Studies have shown that in most cases the last working stroke of the tool and sparking-out moves of the grinding wheel (if there is no sparking-out process in the grinding operation) has a significant effect on the waviness of the surface. In addition, less waviness is achieved when grinding under more severe technological systems. It is shown that with a slight change in the rotational speeds of the wheel and the workpiece during processing, it is possible to significantly reduce the height of the waviness of the surface. However, a simple and reliable method of technological reduction of the surface waviness is to increase the number of sparking-out moves of the wheel. It was established that with an increase in the number of sparking-out tool moves, the height and step of the surface waviness decrease by 2-3 times, with the strongest change in the waviness parameters occurring in the first 7 ... 9 sparking-out moves of the tool. After 12 ... 15 sparking-out moves of the grinding wheel, the waviness of the surface practically does not change. The dependences for calculating the height and stepping parameters of the surface waviness are obtained, taking into account the main factors of the grinding process, including the conditions of sparking-out with an abrasive tool. The results of experimental verification of the obtained theoretical dependences are presented
Key words: grinding by the periphery of abrasive wheel, waviness of surface
References
1. Kremen' Z.I., Yuryev V.G., Baboshkin A.F. "Technology of grind in mechanical engineering" ("Tekhnologiya shlifovaniya v mashinostroenii"), St. Petersburg, Politekhnika, 2007, 424 p.
2. Bishutin S.G. "Providing the required set of parameters of quality of surface layers of details at grind" ("Obespechenie trebuye-moy sovokupnosti parametrov kachestva poverkhnostnykh sloyev detaley pri shlifovanii"), Moscow, Mashinosrtoenie-1, 2004, 144 p.
3. Suslov A.G. et al. "Engineering of surface of details" ("Inzheneriya poverkhnosti detaley"), Moscow, Mashinosrtoenie, 2008, 320 p.
4. Suslov A.G., Dal'skiy A.M. "Scientific fundamentals of mechanical engineering technology" ("Nauchnye osnovy tekhnologii mashinostroyeniya"), Moscow, Mashinosrtoenie, 2002, 684 p.
5. Rozanov Yu.A. "Probability theory, random processes and mathematical statistics" ("Teoriya veroyatnostey, sluchaynye protsessy i matematicheskaya statistika"), Moscow, Nauka, 1989, 320 p.
6. Stepanov Yu.S., Belkin E.A., Barsukov G.V. "Modelling of microrelief of the abrasive tool and surface detail" ("Modeliro-vanie mikrorel'yefa abrazivnogo instrumenta i poverkhnosti detali"), Moscow, Mashinosrtoenie -1, 2004, 215 p.
Submitted 03.06.2019; revised 05.08.2019
Information about the authors
Sergey G. Bishutin, Dr. Sc. (Technical), Professor, Bryansk State Technical University (7 Bul'var 50 letiya Octyabrya, Bryansk, 241035, Russia), e-mail: nad-bisch@yandex.ru, tel. 8-483-256-09-95, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-9430-2936 Alla A. Kozlenkova, Graduate student, Bryansk State Technical University (7 Bul'var 50 letiya Octyabrya, Bryansk, 241035, Russia), e-mail: alya.nice3010@gmail.com, tel. 8-483-256-09-95
