CC BY
32
ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ РЕЗАНИЕМ
УДК 621.91.01.+621.793.6
Совершенствование способов подачи, раздачи и очистки СОТС при шлифовании деталей
В. И. Бутенко, д-р техн. наук, профессор, Д. С. Дуров, канд. техн. наук, доцент, Л. В. Гусакова, аспирант, Таганрогский технологический институт Южного федерального университета
Ключевые слова: шлифовальный круг, станок, среда, угол подачи, стойкость, микротвердость, поверхностный слой, остаточные напряжения, квадрант, зона обработки, система.
Рассмотрена проблема выбора эффективных способов подачи, раздачи и очистки сма-зочно-охлаждающих технологических средств (СОТС). Разработана централизованная комбинированная схема раздачи и очистки СОТС, сочетающая особенности централизованного и индивидуального обеспечения СОТС станков. Дана оценка предлагаемым способам подачи, раздачи и очистки СОТС по их влиянию на эксплуатационные параметры качества поверхностного слоя деталей.
Введение
Широкая номенклатура отечественных и зарубежных СОТС, обеспечивающих высокое качество поверхности обрабатываемых деталей, поставила перед машиностроительной отраслью проблему выбора эффективных способов подачи, раздачи и очистки СОТС, что особенно актуально в условиях функционирования гибких производственных систем (ГПС). Постоянно возрастающие мощности и технологические возможности ГПС требуют от способов подачи, раздачи и очистки СОТС гибкости в организации производства и обеспечения стабильности качественных показателей поверхностного слоя обрабатываемых деталей.
Методика проведения исследования
Разработка и исследование способов подачи, раздачи и очистки СОТС при обработке металлов резанием осуществлялись как в лабораторных условиях, так и на производственных участках ОАО «Ейский станкостроительный завод», имеющих круглошлифоваль-ные и плоскошлифовальные станки. Обработке подвергались детали типа валов, втулок и планок, изготовляемые из сталей марок 12Х2Н4А, 30ХГСА, 20ХН2МА и 45. Для определения качественных показателей обработанных поверхностей деталей использовали металлографический микроскоп МИМ-8М, микротвердомер ПМТ-3 и профилограф-профилометр модели 201.
Возникающие в материале поверхностного слоя детали средние технологические остаточные напряжения сост определяли по методике Н. Н. Давиденкова с последующей математической обработкой полученных результатов по программе «8ТАТ18Т1КА» [1]. Состояние дислокационной структуры материала поверхностного слоя детали оценивали по показателю дислокационной насыщенности Кр [2], определяемому с помощью рентгеновского дифрактометра «ДРОН-1,5». Оценка эффективности процесса шлифования осуществлялась путем подсчета числа прижогов Ып на обработанных поверхностях у 100 исследуемых образцов, изготовленных из одного и того же материала и подвергнутых шлифованию при одинаковых условиях и режимах. Для определения толщины упрочненного после шлифования поверхностного слоя материала с измененными физико-механическими свойствами АН использовали четырехзондовый метод [2], позволяющий определять значения толщины слоя с измененными свойствами с достоверностью 0,8.
Результаты исследования и их анализ
Анализ работы ряда машиностроительных предприятий дает основание считать, что среди основных принципов функционирования, элементного и организационного построения ГПС важное значение имеют доставка, подача и очистка СОТС. При этом возможны четыре системы подачи СОТС к металлорежущим станкам:
ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ РЕЗАНИЕМ
МЕТ^^БРД^К)!
1) централизованная циркуляционная — СОТС подаются непосредственно к станкам и возвращаются для их регенерации по трубам или стокам;
2) централизованная групповая — СОТС подаются по трубам к группам станков с раздачей их через групповые краны без возврата по трубам;
3) централизованная — СОТС развозятся по станкам на специально приспособленном транспорте (например, на электрокаре с раздаточными бочками);
4) децентрализованная — раздача и возврат СОТС от станков производится вручную.
Централизованный способ снабжения металлорежущих станков, входящих в ГПС, является наиболее совершенным, так как при его использовании обеспечивается возможность поддержания требуемой температуры охлаждения и создаются условия для повышения эффективности металлообработки. Дополнительными преимуществами обладают централизованные циркуляционные системы подачи СОТС — они обеспечивают не только стабильную температуру СОТС и ее качественную очистку, но и улучшают условия обслуживания и гигиены производства, создают предпосылки для механизации приготовления СОТС и удаления из них примесей, улучшают экологию за счет замкнутости системы.
В общем виде система централизованной подачи СОТС (рис. 1) состоит из бака-отстойника 1, откуда жидкость насосом 2 подается по напорному трубопроводу 3 к станкам 4. Отработанная жидкость самотеком сливается в колодцы-отстойники 5 и по сливному трубопроводу 6 подается в бак-отстойник 1. Утечку и испарение СОТС в системе компенсируют перед началом рабочей смены из дополнительного бака 7, в котором обычно приготавливается СОТС.
Предварительные исследования показали, что при шлифовании поверхностей деталей особую значимость имеет угол подачи струи
ПИ II
45°
2 3
Рис. 1. Система централизованной подачи СОТС
Рис. 2. Схема подачи СОТС в зону контакта шлифовального круга с обрабатываемой деталью
СОТС ю в зону контакта шлифовального круга с обрабатываемой поверхностью (или угол установки подающего СОТС сопла). Исследовались четыре схемы подачи СОТС в зону контакта шлифовального круга с обрабатываемой поверхностью детали (рис. 2). Образцы из стали 20ХН2МА диаметром 30 мм обрабатывались на круглошлифовальном станке 3М151ВФ1 шлифовальным кругом ПП 600х305х8024А СМ 27 К1А ГОСТ 2424-83 с применением промышленно впускаемой СОТС Укринол-1 (ТУ 38-101197-76). В качестве показателя эффективности угла подачи СОТС ю было принято время от начала обработки до момента критического засаливания шлифовального круга Ткр, при котором дисперсия микротвердости обработанной поверхности достигала Дну = 150. За угол подачи струи СОТС при обработке цилиндрических деталей принимался угол между касательной в точке контакта шлифовального круга с поверхностью детали и условной осью сопла.
На рис. 3 в виде гистограмм приведены результаты выполненных исследований, анализ которых позволяет сделать вывод о том, что наилучшие результаты по стойкости кругов достигаются при подаче струи СОТС в зону обработки под углом ю = 30°.
1
2
3
Тп х 10, с
25
20
12 3 4
Номер схемы на рис. 2
Рис. 3. Гистограммы стойкости Тп шлифовальных кругов при различных схемах подачи СОТС
Значение угла ю, обеспечивающее стойкость шлифовального круга, изменяется в зависимости от диаметра обрабатываемой детали, что хорошо видно из рис. 4, где кривая 1 соответствует диаметру детали 30 мм, кривая 2 — 40 мм, кривая 3 — 48 мм. Из схемы на рис. 5 видно, что
ю < arccos
D
D + d
где Д — диаметр шлифовального круга; й диаметр обрабатываемой детали.
Тп X 10, с
30
25
20
15
10
« »
X 3
2 \ч Ь N \
1 \
15
30
45
60
Рис. 4. Графики изменения стойкости шлифовальных кругов в зависимости от диаметра обрабатываемой детали й и угла подачи СОТС
Рис. 5. Схема определения оптимального угла подачи СОТС юопт
С уменьшением диаметра обрабатываемой детали d (при D = const) значение угла ю также уменьшается, а с уменьшением диаметра шлифовального круга D (при d = const) значение ю увеличивается.
На значение угла ю большое влияние оказывают физико-механические свойства обрабатываемого материала, прежде всего предел прочности свр и твердость HRC (HB). На плоскошлифовальном станке мод. 3Б722 обрабатывались образцы в виде планок из сталей марок 12Х2Н4А, 45 и 30ХГСА, подвергнутые различным видам термической обработки.
Приведенные в табл. 1 результаты исследований показывают, что увеличение предела прочности свр и твердости HRC (HB) обрабатываемого материала приводит к увеличению числа прижогов Мп из-за повышения в материале поверхностного слоя как значения показателя дислокационной насыщенности Кр, так и значения средних технологических остаточных напряжений Сост. При этом подтверждается корреляционная связь между Кр,
ост и Мп [2].
В соответствии с рекомендациями, изложенными в работах [3, 4], были составлены номограммы определения оптимального угла подачи СОТС юопт при круглом шлифовании деталей из сталей с преимущественной объ-емноцентрированной кубической (ОЦК) крис-
О
0
,
^ЛЛООБРАБОШ
ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ РЕЗАНИЕМ □
Таблица 1
Результаты сравнительных исследований показателей качества поверхностного слоя образцов в зависимости от предела прочности авр и твердости ИКС (НВ) обрабатываемого материала при ш = 30°
Марка стали ствр, МПа ИКС (НВ) Оост, МПа Яа, мкм АН ■ 10-4, м Кр шт.
12Х2Н4А 600 720 800 30-32 32-34 34-36 320 360 380 0,85 0,83 0,75 3,6 3,4 3,3 100 105 110 42 50 53
45 650 850 1100 (200-260) 36-42 44-48 350 380 420 0,88 0,79 0,70 3,7 3,5 3,2 105 110 120 33 40 48
30ХГСА 750 1200 (240-280) 38-44 400 450 0,72 0,65 3,2 2,7 110 130 36 44
таллической решеткой (рис. 6), преимущественной гранецентрированной кубической (ГЦК) кристаллической решеткой (рис. 7) и при плоском шлифовании поверхностей деталей (рис. 8).
Для определения оптимального угла подачи СОТС шопт при круглом шлифовании деталей по номограммам (см. рис. 6, 7) необходимо иметь следующие данные: диаметр обрабатываемой детали d, диаметр шлифовального круга D, предел прочности материала детали свр (МПа), требуемые основные эксплуатационные показатели качества поверхностного слоя (Кр, АН, Ra). Зная предел прочности обрабатываемого материала свр, проводят горизонтальную линию до пересечения с требуемым значением Кр из семейства линий, соответствующих воз
можным значениям показателя дислокационной насыщенности материала поверхностного слоя обработанной детали (см. рис. 6, 7). Через полученную точку 1 проводят вертикальную линию до пересечения с семейством прямых, соответствующих значениям толщин поверхностного слоя материала с измененными физико-механическими свойствами АН, и получают точку 2. Далее проводят горизонтальную линию до пересечения с линией, определяющей требуемое значение шероховатости поверхности Ra, и получают точку 3. От нее проводят вертикальную линию до значения, соответствующего отношению D/d в семействе лучей чет-
Рис. 6. Номограмма определения оптимального угла подачи СОТС шопт при круглом шлифовании деталей из сталей с преимущественной ОЦК кристаллической решеткой
Рис. 7. Номограмма определения оптимального угла подачи СОТС шопт при круглом шлифовании деталей из сталей с преимущественной ГЦК кристаллической решеткой
' N 1
9 ^^ 1 ^
н— _ — —
4 м ША уЩ-
'г* 1
Рис. 8. Номограмма определения оптимального угла подачи СОТС юопт при плоском шлифовании деталей
вертого квадранта (точка 4). Из точки 4 вправо проводят горизонтальную прямую до пересечения со шкалой значений оптимального угла подачи СОТС юопт.
При определении его величины в случае плоского шлифования деталей (см. рис. 8) также должны быть заданы предел прочности обрабатываемого материала свр (МПа) и требуемые эксплуатационные показатели качества материала поверхностного слоя (Кр, АН, Яа). Через точку, соответствующую пределу прочности обрабатываемого материала на шкале свр, в первом и четвертом квадрантах проводится горизонтальная линия до пересечения с требуемым значением показателя дислокационной насыщенности из семейства прямых Кр (точка 1). Из точки 1 проводится вертикальная линия требуемого значения АН во втором квадранте (точка 2). Далее проводится горизонтальная линия из второго квадранта в третий до требуемого значения Яа (точка 3), и из нее проводится вертикальная — в четвертый квадрант до пересечения с начальной горизонтальной линией (точка 4), которая и определит величину оптимального угла подачи СОТС юопт при плоском шлифовании поверхностей деталей.
Качество поверхностного слоя деталей, подвергнутых шлифованию, во многом зависит
Рис. 9. Принципиальная схема централизованной комбинированной системы очистки и раздачи СОТС
от степени очистки СОТС и эффективности ее раздачи для конкретных производственных условий. Была разработана централизованная комбинированная схема раздачи и очистки СОТС, сочетающая особенности централизованного и индивидуального обеспечения СОТС станков. Использование этой схемы целесообразно в условиях гибкого автоматизированного участка (ГАУ) (рис. 9). Согласно этой схеме, жидкость подается в индивидуальную систему обеспечения СОТС станка по трубам напорного трубопровода 1 при помощи насоса 2 и частично возвращается по сливному трубопроводу 3 для очистки и отстоя в бак-отстойник 4 с фильтром. Непосредственно на станках 5, оснащенных промышленными роботами 6, подача СОТС регулируется индивидуальными системами обеспечения СОТС 7 станков. Причем уровень жидкости в индивидуальных системах за счет равномерной подачи и отбора СОТС через централизованную систему не изменяется. Другой особенностью разработанной схемы является установка на каждом станке устройства 8 для активации СОТС непосредственно перед подачей их в зону обработки. В результате становится возможным осуществление бездефектного шлифования поверхностей деталей машин [5]. Важнейшая особенность представленной системы очистки и подачи СОТС — это наличие
3
К станкам ^
Рис. 10. Гидравлическая схема централизованной комбинированной системы очистки и раздачи СОТС
в ней бака 9 со свежеприготовленной СОТС, периодически доставляемой на участок (например, из общезаводского отделения приготовления СОТС). Это позволяет существенно улучшить санитарно-гигиенические условия труда на участке шлифовальных станков.
При различных организационных формах металлообработки (предметной, поточной, предметно-поточной), а также в условиях крупносерийного и массового производства может найти применение гидравлическая схема централизованной комбинированной системы очистки и подачи СОТС к рабочим местам (рис. 10). В общем виде такая система состоит из гравитационного бака-отстойника 1; бака со свежеприготовленной СОТС 2; насоса 3, при помощи которого СОТС подается по трубопроводам 4 в индивидуальную систему снабжения СОТС станка; обратного клапана 5, который срабатывает при использовании СОТС на части оборудования, обеспечивая тем самым стекание излишка жидкости обратно в бак-отстойник 1; крана 6; фильтра 7; сливного трубопровода 8, по которому СОТС возвращается из бака индивидуальной системы снабжения станка в бак-отстойник 1 для очистки и отстоя; датчика температуры 9. Непосредственно на станках подача СОТС регулируется индивидуальной системой обеспечения. Насос 10 через фильтр 11 подает
СОТС по напорному трубопроводу 12, соединенному шарнирами 13 через краны 14 и сопло 15 в зону обработки. В схеме предусмотрено активирующее устройство 16, в котором с помощью различных способов механической или физико-механической активации повышают эффективность СОТС. Это устройство может быть расположено и в сопле 15. Отработанная СОТС из корыта 17 стекает по сливному трубопроводу 18 станка в его бак 19. Управление системой подачи СОТС станка осуществляется с помощью обратного клапана 20 и насоса 10. При этом лишняя жидкость с помощью обратного клапана 20 по отрезку 21 напорного трубопровода сбрасывается в бак 19. Для лучшей очистки СОТС и повышения ее качества в централизованной комбинированной системе дополнительно устанавливается гидроциклон 22, в который СОТС подается при помощи насоса 23 через кран 24 в резервуар для сбора шлама 25.
Предварительные исследования показали, что разработанная централизованная система очистки и раздачи СОТС при ее установке обеспечивает:
• увеличение объема СОТС, циркулирующей в системах индивидуального обеспечения станков за счет запасов в баке-отстойнике, что позволяет регулировать температуру и повышать качество СОТС;
• включение в циркуляционную систему емкостей временно неработающего оборудования, что также стабилизирует качество и температуру СОТС;
• автоматическую компенсацию безвозвратных потерь СОТС, что дает, помимо облегчения обслуживания, возможность постоянно обновлять состав СОТС, повышая ее эффективность;
• условия для эффективной борьбы против заражения СОТС грибками и микроорганизмами, что существенно улучшает условия труда;
• возможность одновременной полной очистки баков индивидуальных систем станков и промывки их при плановой профилактике;
• возможность безостановочной работы металлообрабатывающего оборудования при выходе из строя или во время остановки системы при переходе на автономную подачу СОТС.
В табл. 2 приведены результаты исследования процессов круглого и плоского шлифования поверхностей деталей, изготовленных из различных марок стали. Анализ этих данных дает основания считать, что применение на участках шлифовальных станков разработанной централизованной комбинированной системы очистки и раздачи СОТС позволяет на 30-40 % улучшить качество обработанных поверхностей по параметрам Ra, АН, сост, поч-
ME
[АПШ
Таблица 2
Результаты исследования процессов шлифования деталей с использованием централизованной комбинированной системы очистки и раздачи СОТС
Вид шлифования Марка стали Ra, мкм АН • 10-4, м Оост, МПа Nn, шт. Время между правками, ч
Круглое с продольной подачей 12Х2Н4А 0,63 (1,2) 2,8 (1,3) 305 (1,2) 26 (1,6) 48 (2,2)
30ХГСА 0,59 (1,3) 2,9 (1,2) 310 (1,2) 22 (1,7) 55 (2,2)
20ХН2МА 0,60 (1,2) 2,8 (1,3) 300 (1,3) 24 (1,5) 45 (1,8)
45 0,55 (1,2) 2,9 (1,2) 290 (1,3) 25 (1,8) 60 (1,9)
Плоское перифериен круга 12Х2Н4А 0,65 (1,3) 2,9 (1,2) 315 (1,3) 30 (1,5) 50 (1,8)
30ХГСА 0,62 (1,3) 3,0 (1,3) 330 (1,4) 28 (1,4) 55 (2,4)
20ХН2МА 0,60 (1,2) 2,8 (1,2) 310 (1,3) 30 (1,5) 50 (2,4)
45 0,55 (1,3) 2,8 (1,2) 300 (1,3) 23 (1,8) 60 (1,9)
П р и м е ч а н и е. В скобках указано изменение показателя: уменьшение Яа, АН, оост, увеличение времени между правками.
ти в два раза уменьшить количество зон при-жогов на поверхностях шлифованных деталей и более чем в два раза увеличить время между правками шлифовального круга.
Литература
1. Бутенко В. И. Структура и свойства материалов в экстремальных условиях эксплуатации. Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2007. 264 с.
2. Бутенко В. И. Формирование и изнашивание поверхностного слоя детали. Таганрог: Изд-во ТРТУ, 1999. 193 с.
3. Хованский Г. С. Основы номографии. М.: Наука, 1976. 352 с.
4. Хованский Г. С. Номография и ее возможности. М.: Наука, 1977. 128 с.
5. Бутенко В. И., Фоменко Е. С., Кулинский А. Д. Технологические средства, устройства и конструкции инструментов для бездефектного шлифования деталей машин//Металлообработка, 2008, № 3 (45). С. 2-8.
МЕТАЛЛООБРАБОТКА НА ОБРАБАТЫВАЮЩИХ ЦЕНТРАХ С ЧПУ
Изготовление деталей по чертежам заказчика. -Токарная, фрезерная обработка на станках с ЧПУ - и универсальных станках высокой точности.
. Доставка по России.
Ши Мк ,
• t : . .< -
ГЕБСШГСЕ
ООО «РеСоурс»
Санкт-Петербург, ул.Курчатова, д.10 Тел.: +7 (812) 633 0882, 633 0052 Факс: +7 (812) 633 0809, 633 0053 E-mail: office@resource.com.ru www.resource.com.ru
