CC BY
53
ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ РЕЗАНИЕМ
УДК 621.923
Методика испытаний шлифовальных кругов с целью получения данных для проектирования шлифовальных операций
Д. В. Исаков
Ключевые слова: испытания шлифовального круга, проектирование шлифовальных операций, шлифовальный круг.
Анализ и оценка практики проектирования шлифовальных операций
Современный подход к организации технологической подготовки производства предполагает наличие готовых решений в области инструментально-режимного оснащения для операций механической обработки, в том числе и шлифовальных операций. Это означает, что информация, предоставляемая потребителям шлифовальных кругов абразивными заводами, должна обеспечивать возможность выбора эффективных режимов резания для выполнения различных видов шлифовальных операций, для которых можно применять эти круги. В настоящее время производители выдают потребителям только те данные о шлифовальных кругах, которые указаны на их маркировке.
Рекомендации по выбору характеристики шлифовального круга и режимов резания содержатся в основном в нормативно-справочной литературе [1—3]. Однако такие рекомендации содержат далеко не полную информацию, необходимую для выбора эффективных режимов резания и охватывают лишь часть всей выпускаемой номенклатуры шлифовальных кругов.
Кроме действующей нормативно-справочной литературы в распоряжении разработчиков шлифовальных операций есть лишь самые общие сведения о характере износа, стойкости шлифовальных кругов и обрабатываемости материалов, разнообразные, зачастую противоречивые рекомендация по применению шлифовальных кругов и режимов шлифования для разных шлифовальных операций, результаты обработки конкретных деталей машин из определенных материалов. Сама информация достаточно разнородна по методам, средствам и условиям измерения.
В связи с этим на машиностроительных предприятиях крупносерийного и массового производства для проектирования шлифоваль-
ных операций обычно проводят экспериментальные исследования, требующие больших затрат. В настоящее время проведение таких экспериментальных исследований является весьма проблематичным, так как на большинстве машиностроительных предприятий ликвидированы лаборатории резания.
На предприятиях среднесерийного и мелкосерийного производства шлифовальный круг и режимы резания рабочий или наладчик чаще всего назначает, исходя из собственного опыта, при этом, как правило, режимы резания занижены и существенно отличаются от оптимальных.
Шлифовальные круги пользуются большим спросом среди потребителей, однако в литературе отсутствуют оценки их эксплуатационных свойств. В связи с этим можно признать оправданным стремление потребителей приобретать не просто шлифовальные круги, но и дополнительно технологию их эксплуатации для различных шлифовальных операций.
Методика получения данных об эксплуатационных свойствах шлифовальных кругов
Одной из основных причин сложившегося положения является отсутствие научно обоснованной методики получения данных об эксплуатационных свойствах шлифовальных кругов, которые необходимы для проектирования экономически эффективных шлифовальных операций. Создание такой методики предполагает решение следующих основных задач:
• формирование комплекса данных об эксплуатационных свойствах шлифовальных кругов, которые необходимы для проектирования экономически эффективных шлифовальных операций;
• разработка средств и методов получения этих данных;
• разработка способа представления полу-
ченных данных в таком виде, который будет удобен для проектирования шлифовальных операций;
• создание способа применения полученных данных для проектирования шлифовальных операций.
Комплекс параметров, необходимых для проектирования оптимальных операций, сформирован на основе анализа оптимизационной модели шлифовальной операции (целевой функции и системы ограничений). Целевая функция имеет вид [4, 5]
Сп - тм(С1 + (С1тпр + С2^прТ
+ С2Яа + СзNш) ^ тт,
+
(1)
где Сп — переменная часть себестоимости операции шлифования; тм — время, затрачиваемое на снятие припуска с заготовки; С1 — стоимость станко-минуты; тпр — время правки круга; С2 — стоимость единицы объема шлифовального круга; С3 — стоимость 1 кВт/ч электроэнергии; — скорость износа шлифовального круга в процессе шлифования; Nш — эффективная мощность шлифования; Т — период стойкости круга; фпр — объем абразива, снимаемого при правке круга. Система ограничений достаточно подробно представлена в работе [5, с. 11].
С помощью анализа целевой функции и системы ограничений сформирован комплекс технологических параметров процесса шлифования, которые необходимы для проектирования оптимальных шлифовальных операций. К их числу относятся
• радиальная Ру и тангенциальная Рг составляющие силы резания соответственно;
• объем части шлифовального круга Жа, изношенного за период его стойкости;
• объем снятого с образца металла Жм за период стойкости шлифовального круга;
• шероховатость шлифованной поверхности заготовки Яа, получаемая при постоянном режиме резания;
• шероховатость шлифованной поверхности заготовки -Ка.д, достигаемая на этапе выхаживания;
• период стойкости шлифовального круга Т.
Разработан экспериментальный метод определения величин этих параметров для различных условий работы шлифовального круга. Один и тот же шлифовальный круг можно применять для выполнения шлифовальных операций различных видов, обрабатывать заготовки из разных материалов; управление режимами резания позволяет обеспечивать учет разных требований, предъявляемых к точности
обработки и качеству шлифуемых поверхностей. Определение величин всего комплекса технологических параметров во всех возможных условиях работы шлифовального круга требует проведения огромного числа экспериментов (испытаний).
Сокращение числа испытаний, выполняемых по разработанной методике, можно обеспечить двумя путями:
• использовать известные, проверенные на практике результаты теоретических и экспериментальных исследований;
• разработать способы, позволяющие по величинам параметров, полученным при испытаниях шлифовальных кругов, проведенных в одних условиях, определять величины таких же параметров для проектирования различных видов шлифовальных операций.
Проверенные на практике результаты теоретических и экспериментальных исследований взяты из нормативно-справочной литературы. В частности, сокращение числа шлифуемых материалов достигается за счет их группирования по признаку обрабатываемости. В общемашиностроительных нормативах режимов резания [1, 2] все материалы разделены на группы по признаку обрабатываемости их шлифованием. Материалы, входящие в одну группу, имеют примерно одинаковые свойства, проявляющиеся при шлифовании. Это позволяет распространять результаты, полученные при шлифовании заготовок, изготовленных из материалов, входящих в определенную группу обрабатываемости, на все материалы данной группы. Режимы резания для испытаний шлифовальных кругов выбраны с учетом рекомендаций согласно нормативам. В справочнике [3] содержатся указания по выбору смазочно-охлаждающих технологических средств (СОТС), правящего инструмента и режимов правки шлифовального круга, которые учтены при разработке методики испытаний шлифовальных кругов, проводимых в целях определения величин технологических параметров.
Суть испытаний шлифовальных кругов заключается в шлифовании заготовки (образца) на специальном стенде и измерении параметров, по которым рассчитывают величины комплекса параметров процесса шлифования. Стенд построен на базе круглошлифовального станка с ЧПУ и оснащен датчиками радиальной и тангенциальной составляющих силы резания, устройством для измерения радиального износа шлифовального круга и виброметром. Шероховатость шлифуемой поверхности образца измеряют профилометром вне стенда. Образец с наружным диаметром dд - 100 мм и высотой В - 15 мм шлифуют методом врезного
1
Таблица 1
Условия проведения испытаний шлифовального круга 1 600 Ч 40 Ч 305 24А F60 N 7 V
Характеристика
Параметр
Образец
Материал Размер:
диаметр dд. н, мм ширина В, мм
Режим резания Скорость вращения шлифовального круга Vк, м/с Частота вращения образца пд, об/мин Скорость радиальной подачи шлифовального круга Удр, м/мин
Правка круга
Правящий инструмент Подача:
осевая Удос, м/мин радиальная йр мм/дв. ход Количество рабочих ходов Ь СОТС
Сталь 45 ГОСТ1050-88; HRC 42...45 100 15
40 100
(табл. 2)
Карандаш С-1 ГОСТ 607-80
0,25 0,025 2
0,2%-й водный раствор кальцинированной соды, ГОСТ 10689-70
Таблица 2
Результаты испытаний шлифовального круга 1 600 Ч 40 Ч 305 24А F60 N 7 V
Скорость радиальной подачи Ур м/мин Параметр процесса шлифования
Составляющая силы резания, Н/мм Шероховатость шлифов. поверхности заготовки, мкм Объем, мм3/мм Период стойкости шлифовального круга Т, мин Коэффициент шлифования Кш
радиальная Р' Р у тангенциальная Р'г Постоянный режим Ra, Выхаживание объем части шлифовального круга Wa снятого с образца металла W'м
0,2 4,0 1,2 0,50 0,35 82,0 1560 32,0 14,0
0,4 5,6 2,0 0,75 0,60 70,0 1480 21,5 12,0
0,6 6,9 2,7 1,00 0,75 62,0 1250 15,2 11,0
0,8 7,9 3,0 1,20 0,85 54,0 1100 9,6 11,5
1,0 8,8 3,5 1,30 1,00 50,0 1000 5,6 10,0
1,2 9,7 3,9 1,40 1,10 46,0 900 3,3 9,0
1,4 10,8 4,0 1,50 1,15 42,0 800 2,5 8,2
шлифования при постоянных режимах резания (с выхаживанием и без него). Испытания проводились в лаборатории эксплуатации абразивных инструментов АО «Уральский научно-исследовательский институт абразивов и шлифования» (УралНИИАШ).
При испытаниях скорость вращения шлифовального круга Vк соответствует скорости указанной на его маркировке. Частоту вращения образца пд назначают по нормативам [3, с. 24] в зависимости от материала образца, его твердости и диаметра обрабатываемой поверхности. Образцы шлифуют на различных скоростях радиальной подачи йр, выбранных в диапазоне скоростей применяемых на практике.
Перед началом испытаний измеряют диаметр образца dд.н и диаметр шлифовального круга Dк.н сразу же после его правки. В процессе
шлифования измеряют и регистрируют величины радиальной Ру и тангенциальной Рг составляющих силы резания. Время шлифования образца принимают равным периоду стойкости шлифовального круга Т. Стойкость круга устанавливают по одному из двух критериев: либо по предельно допустимой величине радиальной составляющей силы резания, либо по моменту появления прижогов на шлифуемой поверхности. Предельно-допустимая величина силы Ру на 30-40 % больше, чем значение этой силы при относительно стабильном процессе шлифования. Обычно износ круга сопровождается увеличением колебаний силы Ру. Предельно-допустимая величина Ру устанавливается по максимальным значениям амплитуды колебаний заднего центра станка. При шлифовании образцов из сталей, склонных
Шлифовальный круг
Заготовка (образец)
Режим шлифования Правящий инструмент
Режим правки
Смазочно-охлаждающие технологические средства
1 600 Ч 40 Ч 30 5 25 А F60 N 7 V - 100 мм; сталь 45; HRC 42-45,
гр. обр-ти - 1
Ук - 40 м/с; пд - 100 мин 1
Карандаш С-1; ГОСТ 607-80
®ос - 0,25 м/мин; -0,025 мм/дв. ход, Ь - 2
0,2%-й раствор кальцинированной соды
Ra, Ra& мкм
W'a, WM, ммт/мм
2,252,001,751,501,25 1,00 0,750,500,250 12,0 11,0 10,09,08,07,06,05,04,03,02,0 1,0 0
Ra
Rad
рУ Н/м м
Р, Н/м м
P У
1
W /Ж
2
ч
W a
P'z
3
> г
200 200 200 200
200 >
200
200
200
200
200
200
200
-2200
-2200
-2200
-2200
-2200
-2200
-2200
2200
-2200
-2200
-2200
2200
Испытания в условиях одного и того же режима резания проводят дважды: один раз без выхаживания, второй раз с выхаживанием. После обработки каждый раз измеряют шероховатость поверхности. Весь цикл испытаний при разных скоростях радиальной подачи проводят три раза. По полученным данным рассчитывают величины технологических параметров:
P'y = Py/B;
PZ = Pz/B или PZ = NI4/(VICB); W'M = - d\j/(4B);
W'а = гсДИСОк.н - AR)/(4B);
1 6
Ra = - X Ra.A, 6 i=1
16
Ra.A = ~ X Ra^i, 6i=1
2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 12,0 14,0
tф, мкм
Рис. 2. Карта испытаний шлифовального круга: 1—3 — см. пример в тексте
к прижогам, и при условии, что прижоги появляются раньше, чем Ру достигает предельно допустимого значения, за период стойкости принимают время шлифования до момента появления прижогов.
После окончания испытаний измеряют диаметр образца dд.к, радиальный износ шлифовального круга АЯ и шероховатость шлифованной поверхности образца Яа. Шероховатость поверхности и величину радиального износа круга измеряют в шести разных местах.
где dд.к — диаметр образца после испытаний; -Ок.н — начальный диаметр шлифовального круга; Яа.ь — шероховатость поверхность Ь-го участка; Rа.д.¿ — шероховатость поверхности, достигаемая на этапе выхаживания г-го участка. Технологические параметры со штрихом (Р'у, PZ, W м, Wа) отнесены к 1 мм рабочей высоты шлифовального круга. Результаты измерений и расчетов обрабатывают и заносят в протокол испытаний шлифовального круга (табл. 1, 2).
Для удобства применения результатов испытаний при решении практических задач оформляют карты испытаний шлифовального круга (см. рисунок).
Карты испытаний представляют собой совокупность графиков изменения величин технологических параметров в зависимости от фактической глубины резания tф. При шлифовании образца под фактической глубиной резания понимают величину перемещения шлифовального круга в радиальном направлении за время одного оборота образца с учетом износа круга. Фактическая глубина резания рассчитывается по формуле
=
(2)
Графики строятся путем аппроксимации величин технологических параметров, полученных при испытаниях, степенными функциями
2и'Г
Р' - Р* +а • Р' - Р* /Р ; — - — /У •
г у ~ г уи ф' г г _ г гь ф' ±1а ~ 11 аи ф'
г1 ф'
аф
-а.д - -*а.д^ф; Яа - ^ - ^м^
где Рпу, Рпг, ^м, -*а, -*а.д — величи-
ны соответствующих технологических параметров процесса шлифования, полученных при /ф - 0,001 мм; а, Р, у, в, х, V — показатели степеней (а - 0,45 * 0,50, р - 0,45 * 0,50, у - 0,40 * 0,45, в - 0,40 * 0,45; х - -0,25 * -0,30; V - -0,25 * -0,30).
График зависимости стойкости шлифовального круга от фактической глубины резания на карте не показан. Период стойкости круга рассчитывают по величинам других параметров, содержащихся в карте испытаний:
Т = W'м/(пíфdдnд).
(3)
Построенные по результатам шлифования образцов из материалов, принадлежащих к различным группам обрабатываемости, карты шлифования охватывают большую часть ассортимента шлифуемых материалов и широкий диапазон величин подач. Однако возможности применения таких карт для проектирования шлифовальных операций ограничены технологическими условиями, в которых проводились испытания шлифовальных кругов.
Гипотеза об адекватности работы абразивных зерен в процессе шлифования
Для расширения области применения результатов испытаний шлифовальных кругов разработан способ, позволяющий получать данные, необходимые для проектирования шлифовальных операций различных видов, по картам испытаний. В его основу положена гипотеза о том, что при выполнении различных видов шлифовальных операций с помощью кругов с одинаковой характеристикой можно создавать одинаковые (адекватные) условия работы абразивных зерен. Предполагается, что при работе абразивных зерен в адекватных условиях результаты их взаимодействия с металлом обрабатываемой поверхности заготовки (силы резания от действия единичных зерен, шероховатость шлифуемой поверхности, характер и интенсивность износа зерен) будут одинаковыми. Такое предположение основано на результатах анализа работ [6, 8 и др.], посвященных теоретическим и экспериментальным исследованиям процесса шлифования.
Обычно для исследования процесса шлифования разрабатывают модель абразивного зерна, которое рассматривают как однолезвийный режущий инструмент. Геометрические параметры такого зерна, в том числе и его режущей части, определяют экспериментальным путем. По данным многочисленных измерений элементов абразивных зерен устанавливают усредненные величины геометрических параметров этих элементов. В результате исследования процесса микрорезания модельным зерном получают формулы для расчета величин основных параметров данного процесса: координатных составляющих силы резания, формы и размеров среза, интенсивности износа зерна и др. Такие формулы отражают зависимость величин этих параметров от различных факторов. К числу наиболее значимых факторов, которые учитываются в большинстве известных моделей, относятся: физико-механические свойства обрабатываемого материала, скорость резания, геометрические параметры режущей части зерна, форма и площадь среза металла. При полном соответствии этих факторов обеспечивается адекватность условий работы абразивных зерен, то есть таких условий, в которых сила резания и интенсивность износа абразивного зерна будут одинаковыми. В дальнейшем математические зависимости, установленные для расчета величин параметров микрорезания, используют для получения формул, по которым рассчитывают величины технологических параметров процесса шлифования.
При этом всегда устанавливают допущение: закономерности, установленные для процесса микрорезания, действуют и при шлифовании кругом, то есть они влияют на силы резания, действующие на отдельные зерна и на интенсивность износа абразивных зерен, те же самые факторы сохраняют свое значение в той же степени, что и при микрорезании. Следствием одинаковой интенсивности износа абразивных зерен при их работе в адекватных условиях является то, что в процессе шлифования формируется одинаковый рельеф рабочей поверхности шлифовального круга. Форма вершин режущих зерен, их концентрация и распределение в поверхностном слое сохранят свои характеристики. Сделанные допущения позволяют сформулировать требования к обеспечению адекватности условий работы абразивных зерен при испытаниях шлифовального круга и при выполнении с помощью этого круга шлифовальных операций различных видов.
Для обеспечения адекватных условий при испытаниях шлифовального круга и на проектируемой шлифовальной операции необходимо,
чтобы материал шлифуемого образца и материал заготовки имели одинаковые свойства (входили в одну и ту же группу обрабатываемости); скорость резания должна иметь одно и то же значение при испытании шлифовального круга и на проектируемой операции; средняя величина площади среза, приходящаяся на одно зерно, также сохраняет свою величину одной и той же. Средняя площадь среза определяется по формуле
/е - Я 'м/(^р1к),
(4)
Я' м.и/1к .и Я5 м.п /1к .п
(6)
Я м - пdдnдtф;
(7)
• для круглого наружного шлифования с осевой подачей
Я'м - ^дПд£р; (8)
• для плоского шлифования периферией круга на станках с прямоугольным столом
Я 'м - VдSр,
(9)
где Уд — скорость движения заготовки; Sр — радиальная подача.
Величина радиальной подачи рассчитывается по формуле
где /е — средняя площадь среза, приходящаяся на одно режущее зерно; Я м — скорость съема металла, приведенная к 1 мм высоты шлифовального круга; Zр — концентрация режущих зерен на 1 мм2 на рабочей поверхности шлифовального круга (концентрация режущих зерен); 1к — длина дуги контакта шлифовального круга с заготовкой.
В математической форме равенство средних площадей срезов при испытаниях и на проектируемой операции записывается так:
/е.и - /е.п
или
Q 'м.и/(Ук.и^р.и1к.и) - Q 'м.n/(Vк.nZр.nlк.n). (5)
Здесь и далее по тексту параметры с индексом п относятся к проектируемой операции, а параметры с индексом «и» — к испытаниям шлифовальных кругов.
При работе абразивных зерен в адекватных условиях скорость резания Ук и концентрация абразивных зерен на рабочей поверхности круга Zр, как при его испытаниях, так и на проектируемой операции будут одинаковыми, поэтому можно записать
(10)
где Вш — ширина шлифования; Sос — осевая подача.
Длина дуги контакта для каждого вида шлифования определяется по формулам, например:
• для круглого наружного шлифования
1к -^ВД^) / (В + dд);
(11)
• для плоского шлифования периферией круга
1к - .
(12)
Уравнение (6) (с учетом формул (7-12)) позволяет осуществить переход от условий испытаний шлифовальных кругов к адекватным условиям работы абразивных зерен при выполнении этим кругом различных видов шлифовальных операций. При таком переходе необходимо производить перерасчет величин технологических параметров для проектируемой операции.
Удельные величины радиальной и тангенциальной составляющих силы резания при шлифовании определяют сложением величин составляющих силы резания от всех работающих зерен, расположенных в зоне контакта шлифовального круга с заготовкой.
Для наиболее распространенных операций шлифования удельная скорость съема металла Я м рассчитывается по следующим формулам: • для круглого наружного шлифования с радиальной подачей
пр пр Р' - У Р ; Р' - У Р ;
Ь-1 Ь-1
(13)
где и Руг, Pzi — радиальная и тангенциальная составляющие силы резания от действия г-го единичного зерна; Пр — число режущих зерен, находящихся на 1 мм ширины зоны контакта, Пр - Zplк.
При переходе к модельному зерну формулы (13) имеют вид
Р' — Р 7 1• г у ~ г ух^рЫ'
Р z - Pz.сZplк,
(14)
где Ру.с и Ргс — средние величины радиальной и тангенциальной составляющих силы резания на единичном режущем зерне. Независимо от вида шлифовальной операции в адекватных условиях работы зерен величины Ру.с, Pz.с и Zp будут одинаковыми. Поэтому если по результатам испытаний известны силы Р'у.и и Р'г.и, то для проектируемой операции, выполняемой в таких же условиях работы зерен, величины составляющих силы резания Р'у,п и Р'гп можно определить по формулам
Р' - Р'
у.п у .и
1к.п ^к.1
Р' - Р'
г.п ^г.и
^ (15)
4с.и
Параметры микропрофиля сечения заготовки, сформированного в результате его взаимодействия с абразивными зернами при прохождении этого сечения через зону контакта, устанавливают по параметрам срезов металла модельными зернами. При этом учитывают геометрические параметры заготовки и шлифовального круга, кинематические особенности шлифовальных операций и случайный характер расположения абразивных зерен в поверхностном слое шлифовального круга. В рамках такого подхода к исследованию процесса формирования шероховатости шлифуемых поверхностей А. В. Королев установил, что средняя толщина среза целиком и полностью определяется шероховатостью шлифуемой поверхности и близка к средней высоте микронеровностей [6, с. 123]. Поскольку при работе абразивных зерен в адекватных условиях средняя площадь среза, определяемая по формуле (4), и средняя толщина среза будут одинаковыми независимо от вида шлифовальной операции, то средняя высота микронеровностей шлифованной поверхности будет одинаковой. Учитывая, что между средней высотой микронеровностей и средним арифметическим отклонением микропрофиля существует определенное соотношение, можно записать
—а.и —а.п.
Шероховатость шлифованной поверхности, достигаемая на этапе выхаживания, зависит в основном от параметров шероховатости, полученной на этапе, предшествующем выхаживанию, и от микрорельфа рабочей поверхности шлифовального круга, сформировавшемся на этапе, предшествующем выхаживанию [6, с. 170]. Независимо от вида шлифовальной операции при работе абразивных зерен в адекватных условиях шероховатость
и микрорельеф рабочей поверхности круга, сформированный перед выхаживанием, будут одинаковыми, поэтому можно записать
—а.д.и - —а.д.п.
Равенство параметров шероховатости позволяет определять по картам испытаний фактическую глубину резания для проектируемой операции, при которой обеспечивается требуемая шероховатость.
Объем изношенной части шлифовального круга всегда устанавливают экспериментальным путем — по величине радиального износа круга или по величине радиального износа вершин наиболее выступающих абразивных зерен. При выполнении большинства операций продукционного шлифования шлифовальные круги работают в режиме затупления. Затупление зерен на таких режимах происходит в основном за счет износа трением. Поэтому некоторые исследователи предлагают величину радиального износа круга рассчитывать по формуле, взятой из теории износа трением [7]:
А— - ^Шк,
(16)
где Ih — безразмерная величина, характеризующая интенсивность износа круга; N — число циклов (число оборотов шлифовального круга) за время шлифования.
За период стойкости шлифовального круга число циклов (оборотов круга) составит
N - ^Т/(^к).
(17)
Подставляя в формулу (16) правую часть выражения (17), получим
А— - 1^к(^Т/(тШк)).
(18)
Произведение числа оборотов круга за период его стойкости на длину дуги контакта определяет путь, пройденный абразивными зернами в контакте с металлом. Так как в адекватных условиях работы зерен интенсивность их износа будет одинаковой, то величина радиального износа и состояние вершин зерен (их форма и размеры) будут зависеть только от пути, пройденного зернами в контакте с металлом. При прохождении одного и того же пути состояние вершин зерен будет одинаковым.
Необходимость правки круга устанавливают по состоянию вершин зерен (по степени их затупления) после прохождения ими определенного пути в контакте с металлом. После прохождения этого пути средняя величина
объемов металла, срезаемых отдельными зернами на различных операциях шлифования, будет одинаковой. Величина радиального износа зерен, а следовательно, и объем изношенной части шлифовального круга, так же будут одинаковыми:
W' = W'
а.и а. п
По результатам экспериментальных исследований стойкости шлифовальных кругов, Л. Н. Филимонов [8, с. 79] пришел к выводу о том, что стойкость шлифовального круга зависит от нагрузки на каждое зерно, от скорости резания и от объема металла, выносимого из зоны контакта при обработке с этой скоростью. Так как за период стойкости шлифовального круга абразивные зерна, работая в адекватных условиях, проходят в контакте с металлом один и тот же путь, то при одинаковой средней величине площади среза объем металла, выносимый из зоны контакта режущими зернами за тот же период, будет одинаковым независимо от вида шлифовальной операции. Из этого следует, что за период стойкости круга удельный объем металла, снимаемый с образца при его испытаниях, и удельный объем металла, снимаемый за период стойкости шлифовального круга при шлифовании заготовок в адекватных условиях работы абразивных зерен, будут одинаковыми.
W' - W'
м.и м.п
Удельный объем металла, снимаемый с образца при испытании шлифовального круга, определяют по формуле
W' - Z I /УТ
м.и р к.и е к и
(19)
Удельный объем металла, снимаемый с заготовки за период стойкости шлифовального круга при проектировании шлифовальной операции, рассчитывается по аналогичной формуле
W' - Z I /УТ
м. п р к. п е к п
(19)
Приравнивая правые части уравнений (19) и (20), получаем формулу для расчета величины периода стойкости круга на проектируемой операции Тп по стойкости, установленной при испытании шлифовального круга
Т - т 1к.и
ТП ~ Ти . .
1к.п
(21)
Установленные соотношения между величинами технологических параметров, получаемых при испытании шлифовального круга и на проектируемой шлифовальной операции, позволяют по картам испытаний получать данные, необходимые для проектирования шлифовальных операций. Процедура сбора этих данных производится в определенной последовательности.
1. По исходным данным на проектируемую операцию (по материалу заготовки) выбирают карту шлифования, построенную при шлифовании образца из материала той же группы обрабатываемости, что и материал заготовки.
2. На карте испытаний находят фактическую глубину резания, при которой обеспечивается требуемая шероховатость поверхности и по формуле (6) с учетом формул (7)-(12) рассчитывают скорость движения заготовки. Если скорость движения заготовки задана, по этой формуле рассчитывают фактическую глубину резания.
3. Для найденного значения £ф.П по графикам составляющих силы резания находят величины Р ' и Р'г.и, а силы Р'у.п и PZ.n на проектируемой операции рассчитывают по формулам (15).
4. Удельную величину объема металла, снимаемого с заготовки за период стойкости шлифовального круга Wм.и - W'м.n, и удельную величину объема части круга, изношенной за то же время Wа.и - W'а.n, находят по соответствующим графикам.
5. Рассчитывают период стойкости шлифовального круга. Вначале находят период стойкости при испытаниях Ти по формуле (3), а затем по формуле (21) определяют период стойкости круга в проектируемой операции Тп.
В дальнейшем эти данные используют для проектирования шлифовальных операций. Комплекс карт испытаний шлифовального круга одной характеристики для материалов, входящих во все группы обрабатываемости шлифованием, и алгоритм расчета по этим картам технологических параметров в УралНИИАШе назван технологическим паспортом шлифовального круга. Комплект технологических паспортов может быть оформлен в виде каталогов шлифовальных кругов, аналогичных существующим каталогам лезвийных инструментов. Предполагается предоставлять такие каталоги существующим и потенциальным потребителям шлифовальных кругов.
Приведем пример расчета режимов резания и основного времени для выполнения операции плоского шлифования по технологическому паспорту шлифовального круга.
Расчет режимов резания и основного времени для выполнения операции плоского шлифования
Имеется плоскошлифовальный станок модели 3Д711ВФ11, мощность привода главного движения 11 кВт, скорость вращения шлифовального круга 40 м/с, пределы рабочих подач: стола — 1-30 м/мин, суппорта — 0,3-40,0 мм/ход, жесткость станка j — 30 000 Н/мм, способ подачи — автоматический.
Заготовка. Марка материала — сталь 40Х (1 гр. обрабатываемости), HRC 48-52, высота заготовки — 30-35 мм, длина и ширина обрабатываемой поверхности ¿ш х Ьш (вместе с перебегом шлифовального круга) — 200 х 200 мм, высота детали — 30-0,052 мм, припуск П — 0,35 мм, требуемая шероховатость поверхности Яа — 1,0.
Шлифовальный круг: 1 300 х 40 х 76 25А F60 N 7 V.
1. Из технологического паспорта шлифовального круга выбирают карту испытаний, полученную при шлифовании образца из материала, относящегося к первой группе обрабатываемости (рис. 2).
2. По карте испытаний находят фактическую глубину резания £ф.и (величину радиальной подачи на один оборот заготовки), при которой обеспечивается шероховатость поверхности Яа — 1,0 (стрелка 1). Такая шероховатость обеспечивается при £ф.и = 0,006 мм.
3. По формулам (11) и (12) рассчитывают величины 1ки и 1кп.
1к.и =
-^к.и^д.н^ф.и
600 х 100 х 0,006
-^к.и + ^д.н
у (600 +100)
— V 0,51 = 0,72 мм;
= Кпвш п — 0,4 х 40 = 16 мм,
где Кп — коэффициент, который выбирается в зависимости от требуемой шероховатости поверхности (для Яа 0,63 — Кп — 0,25; для Яа 1,25 — Кп — 0,40; для Яа 2,5 — Кп — 0,6; высота неровностей профиля по десяти точкам Я2 20 — Кп — 0,8) [3, с. 101]. Для расчета принимают Яа = 0,4.
Определяют величину радиальной подачи
—
Вшп — 0,006— — 0,015 мм (23)
+ о 1ф.п^ ос.п
16
На основе равенства (22) определяют скорость движения заготовки, после преобразований соответствующая формула имеет вид:
V —
д.п
П^д.ипд.и^ф.и1к.п°ос. 10001к.и%.пвш.п
3,14 х 100 х 100 1,34
1000 х 0,72 х 40 х 2, 5
— 23,37 м / мин.
5. Рассчитывают величины радиальной и тангенциальной составляющих силы резания на проектируемой операции. Вначале по карте испытаний определяют величины радиальной Р'г.и и тангенциальной Р'г.и составляющих силы резания, соответствующие ^ф.и = 0,006 мм (стрелки 2 и 3, соответственно), а затем по формулам (16) определяют величины Р'у п и Р'г.п
РУ п — Ру'.и т^ — 6,7134 — 12,5 Н;
У.п
к
0,72
¿к.п —рк.п*ф.п — л/300 х 0,006 — 71в — 1,34
мм.
Р'п — Р' и — — 2,6134 — 4,8 Н; гп 'и 1к.и 0,72
4. Из условия равенства площадей срезов усредненным зерном (формула (6)) с учетом формул (7), (9) и (10) определяют скорость движения заготовки (стола станка) на проектируемой операции. Записывают условие равенства площадей срезов:
п^д.ипд.и^ф.и ^д.п^ф.пВш.п
1к.и
1к.п°ос.л
(22)
где Вшп — ширина шлифования на проектируемой операции
Осевую подачу рассчитывают по формуле
Затем рассчитывают величины составляющих силы резания на проектируемой операции, действующие по всей ширине шлифования:
Ру.п — Р 'У-пВш — 12,5 х 40,0 — 500,0 Н;
Ргп — Р'г.пВш — 4,8 х 40,0 — 192,0 Н.
6. Проводят проверку по мощности шлифования:
— Рг.^к.п — 192 х 40 — 7680 Вт < 11 000 Вт
п
Цо
№ 3 (57)/20Ю
Сравнивая полученное значение с мощностью электродвигателя привода шлифовального круга, устанавливают, что мощность электродвигателя достаточна для обработки.
7. Рассчитывают максимальную величину деформации технологической системы 5д под действием радиальной составляющей силы резания РуП
5д - Ру ^ = 500/30 000 = 0,016 < 0,052.
Максимальная величина деформации технологической системы находится в пределах допуска на размер.
8. Рассчитывают основное время Т0 операции:
т0 -
ПЩЪш V я Я
д р ос
0,35 х 200 х 200 23370 х 0,015 х 16
- 2,5 мин.
Выводы
В результате анализа оптимизационной модели шлифовальной операции сформирован комплекс технологических параметров, необходимых для проектирования экономически эффективных шлифовальных операций.
Разработана методика испытаний шлифовальных кругов, проводимых с целью определения величин этих параметров.
Предложен способ представления результатов испытаний в виде совокупности графиков
зависимостей технологических параметров от фактической глубины резания.
Разработан способ применения карт испытаний для проектирования шлифовальных операций.
Литература
1. Общемашиностроительные нормативы режимов резания и норм времени для работы на шлифовальных станках. М.: ЦБНТ, 1978. 358 с.
2. Общемашиностроительные нормативы времени на операции, выполняемые на шлифовальных и доводочных станках, с применением автоматизированной системы технического нормирования. Крупносерийное и среднесерийное производство: В 3 ч. М.: НИИ труда, 1985. Ч. 1: Указания по эксплуатации. 207 с.
3. Режимы резания на работы, выполняемые на шлифовальных и доводочных станках с ручным управлением и полуавтоматах: Справочник / Под ред. С. Н. Корчака. Челябинск: АТОКСО, 2007. 384 с.
4. Островский В. И. Теоретические основы процесса шлифования. Л.: ЛГУ, 1981. 143 с.
5. Исаков Д. В. Методика построения информационной базы для проектирования шлифовальных операций // Металлообработка. 2009. № 2. С. 9-15.
6. Королев А. В. Исследование процессов образования поверхностей инструмента и детали при абразивной обработке. Саратов: Изд-во Сара-товск. ун-та, 1975. 189 с.
7. Сальников А. Н. Трение шероховатых поверхностей в экстремальных условиях. Саратов: Изд-во Саратовск. ун-та, 1987. 134 с.
8. Филимонов Л. Н. Стойкость шлифовальных кругов. Л.: Машиностроение, 1973. 157 с.
