CC BY
10
DOI 10.36622/УБТи.2021.17.2.020 УДК 621.923
СТАБИЛИЗАЦИЯ КАЧЕСТВА И ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ШЛИФОВАНИЯ ПРОТЯЖЕННЫХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ВАЛОВ ЛЕПЕСТКОВЫМИ
КРУГАМИ
С.Г. Бишутин, И.Л. Шупиков
Брянский государственный технический университет, г. Брянск, Россия
Аннотация: статья посвящена проблеме стабилизации показателей лепесткового шлифования протяженных цилиндрических заготовок для исключения влияния изнашивания инструмента на качество и производительность данной обработки. Представлены результаты исследований влияния изнашивания абразивного инструмента на процессы съема металла и формирования шероховатости обрабатываемой поверхности при лепестковом шлифовании. Более интенсивно изнашиваются круги большей зернистости, причем стойкость инструментов зернистостью 12...20 (ГОСТ 3647- 80 (в ред. 1995 г.)) в 2.3 раза выше кругов зернистостью 40.50 и составляет 5...10 минут. Приведены данные по стойкости лепестковых шлифовальных кругов с учетом основных факторов процесса обработки. Установлено, что скорость съема металла при шлифовании неизношенными лепестковыми кругами зернистостью от 12 до 40 составляет 130...270 мм3/мин, параметр шероховатости Ra находится в пределах от 0,4 до 3,0 мкм, Бт - от 0,08 до 0,20 мм. Значения параметров шероховатости обрабатываемой поверхности вследствие изнашивания инструмента возрастают до 2-3 раз, а скорость съема материала с течением времени непрерывно уменьшается и может стать равной нулю. Предлагается стабилизировать показатели лепесткового шлифования путем непрерывного или периодического увеличения деформации (натяга) инструмента в процессе абразивной обработки, что позволит поддерживать на необходимом уровне требуемое число режущих зерен
Ключевые слова: шлифование лепестковыми кругами, качество и производительность обработки, изнашивание инструмента
Введение
Шлифование лепестковыми кругами благодаря жесткому креплению абразива и высокой эластичности применяемых инструментов позволяет производить обработку без прижо-гов, обеспечить требуемую шероховатость поверхности и сформировать в поверхностном слое заготовки остаточные напряжения сжатия [1, 2]. Однако широкое применение лепесткового шлифования для обработки наружных протяженных поверхностей валов (грузонесу-щих штанг фрикционных подъемников, торсионных валов транспортных средств, штоков шахтных стоек, деталей штанговых насосов и др.) ограничивается низкой стабильностью данного процесса вследствие интенсивного изнашивания абразивного инструмента [2]. В этой связи данные исследования, направленные на разрешение указанной проблемы, являются актуальными.
Постановка задачи
Исследование процессов изнашивания лепестковых шлифовальных кругов, формирования высотных и шаговых параметров шероховатости обрабатываемой поверхности и съема
© Бишутин С.Г., Шупиков И.Л., 2021
материала в ходе обработки для научно обоснованных решений по стабилизации показателей лепесткового шлифования.
Изнашивание лепестковых шлифовальных кругов
Процесс изнашивания лепестковых шлифовальных кругов имеет свои особенности и существенно влияет на производительность обработки и качество поверхностей деталей машин [3, 4]. Лепестки круга содержат рабочий слой с абразивным материалом и связкой, а также тканевое основание инструмента. Изнашивание абразивных зерен и других компонентов лепестков приводит к нестационарности состояния рабочей поверхности инструмента и показателей процесса обработки.
В зависимости от условий шлифования изнашивание инструмента может происходить путем истирания, поверхностного или объемного разрушения или вырывания зерен из связки [3]. Могут наблюдаться сразу несколько указанных видов изнашивания при работе абразивного инструмента. Однако, как показали наши исследования, для лепестковых абразивных кругов наиболее характерным является процесс вырывания отдельных зерен или групп зерен из связки (рис. 1).
Работа лепестковых кругов сопровождается образованием микротрещин в рабочем слое в результате усталостных явлений из-за многократного изгиба лепестков при контактировании с заготовкой, что, в конечном итоге, приводит к отслаиванию от тканевого основания большого числа зерен и их удалению с рабочей поверхности инструмента. При длительной обработке могут наблюдаться надрывы лепестка и расслоение его тканевой основы (рис. 1).
в)
Рис. 1. Износ лепестков абразивного инструмента: а - неизношенный инструмент; б - лепестки инструмента после 3 мин работы; в - абразивный инструмент после 6 мин работы
Следовательно, в ходе обработки на рабочей поверхности лепестков круга постоянно уменьшается количество зерен. Такая нестационарность состояния абразивного инструмента приводит к непрерывному изменению показателей процесса обработки, что требует дополнительных исследований.
Исследование влияния изнашивания абразивного инструмента на параметры шероховатости поверхности и скорость съема металла при лепестковом шлифовании
Исследования включали эксперименты, которые проводились на заготовках из стали 30. Использовались лепестковые круги 0200x32x50 мм зернистостью Z = 20 (ГОСТ 3647- 80 (в ред. 1995 г.)) с простой ступицей. Деформация инструмента при обработке составляла 1,25 мм, скорость резания была равна 30 м/с, а частота вращения заготовки - 315 мин-1. Время шлифования цилиндрической поверхности заготовки изменялось от 20 секунд до 5 минут. Эксперименты проводились на модернизированном токарно-винторезном станке, на суппорте которого была закреплена шлифовальная головка с возможностью изменения частоты вращения абразивного инструмента [5]. Скорость съема металла рассчитывалась на основе измерения микрометром диаметра заготовки до и после её обработки. Параметры шероховатости поверхности определялись с помощью профилографа-профилометра «Ма^и^ Р$1». Исходная шероховатость обрабатываемой поверхности составляла Ra=1,6 мкм. Результаты экспериментов представлены на рис. 2.
Рис. 2. Изменение высотного Яа и шагового Sm параметров шероховатости обрабатываемой поверхности и скорости Q съема металла в зависимости от времени t работы лепесткового шлифовального круга
Полученные данные показывают, что с увеличением времени обработки заготовки (до 5 мин) среднее арифметическое отклонение микронеровностей профиля Ra увеличивается в 2 раза, средний шаг микронеровностей профиля по средней линии Sm - в 1,7 раза, а скорость съема металла уменьшается в 2 раза (с 210 мм3/мин до 105 мм3/мин). Аналогичные исследования были проведены при зернистости лепесткового круга Ъ = 40, в ходе которых было установлено, что с увеличением времени обработки параметры шероховатости также увеличиваются в 2-3 раза, а скорость съема металла непрерывно уменьшается и стремится к нулю.
Такие изменения показателей процесса шлифования негативно сказываются на его эффективности, что вызывает необходимость принятия решений по нейтрализации влияния изнашивания инструмента на качество и производительность данной абразивной обработки.
Стабилизация показателей лепесткового шлифования путем увеличения натяга абразивного инструмента в процессе обработки
Стабилизировать рассмотренные показатели обработки можно корректировкой деформации (натяга) абразивного инструмента в ходе шлифования, что позволит поддерживать на необходимом уровне требуемое число режущих зерен.
Величину А изменения деформации (натяга) лепесткового шлифовального круга в
процессе обработки протяженных поверхностей валов можно определить по формулам:
- при непрерывном увеличении деформации (натяга)
А = 8^)/Т(Ъ,У); (1)
- при периодическом увеличении деформации (натяга)
А = 5(И)/пт. (2)
В этих формулах: 5(И) - деформация (натяг) лепесткового шлифовального круга в зависимости от требуемого значения R параметра шероховатости (например, Иа или Sm); Т(Ъ,У) - период стойкости лепесткового шлифовального круга как функция зернистости Ъ абразивного материала и скорости V резания (время, в течение которого происходило двукратное изменение показателя обработки); пт -число подналадок технологической системы за период стойкости инструмента (пт=5...10).
Для применения на практике формул (1) и (2) можно воспользоваться экспериментальными данными (таблица), полученными при лепестковом шлифовании стальных заготовок валов.
Для подтверждения состоятельности проведенных исследований были проделаны эксперименты с регулированием деформации лепесткового круга в процессе обработки, результаты которых представлены на рис. 3. Исследования проходили с использованием заготовок из стали 30 и лепестковых кругов 0200*32*50 мм зернистостью Ъ = 40 с простой ступицей при скорости резания V = 15 м/с.
Влияние технологических режимов на показатели лепесткового шлифования стальных заготовок
Зернистость круга по ГОСТ 3647- 80 V, м/с 5, мм Иа, мкм Sm, мм а мм3/мин Т, мин
12 10 ...15 0,6 0,35.0,40 0,10.0,11 130.135 8,0.10,0
1,7 0,45.0,50 0,11.0,12 140.150 7,5.9,0
25 .30 0,6 0,25.0,30 0,08.0,09 150.160 7,0.8,5
1,7 0,30.0,35 0,10.0,11 160.170 6,5.8,0
20 10 .15 0,6 0,80.1,10 0,10.0,11 175.180 5,5.6,5
1,7 1,20.1,50 0,11.0,12 180.185 5,0.6,0
25 .30 0,6 0,60.0,80 0,09.0,10 190.200 5,0.5,5
1,7 0,75.0,90 0,10.0,11 195.205 4,5.5,5
40 10 .15 0,6 2,20.2,45 0,13.0,15 210.220 3,0.3,5
1,7 2,60.3,0 0,15.0,20 220.230 3,0.3,5
25 .30 0,6 1,95.2,10 0,12.0,13 240.250 2,5.3,0
1,7 2,15.2,30 0,14.0,15 250.270 2,0.2,5
Рис. 3. Зависимости параметра шероховатости Яа (кривая 1) и скорости Q съема металла (кривая 2) от времени t обработки с коррекцией деформации лепесткового круга в процессе шлифования
Деформация лепесткового круга в процессе обработки составляла 1,25 мм, а частота вращения заготовки - 315 мин-1. Каждый участок обрабатываемой поверхности подвергался шлифованию в течение 20 сек. Корректировка деформации (натяга) лепесткового круга осуществлялась на каждом участке на величину 0,05 мм.
Как видно из рис. 3, за счет регулирования деформации лепесткового круга в процессе шлифования удается стабилизировать параметры шероховатости поверхности и скорость съема металла в пределах ±10%, что позволит применять лепестковое шлифование для обработки протяженных поверхностей заготовок.
Следует отметить, обработка поверхности с непрерывной корректировкой деформации лепесткового круга является более производительной, поскольку не требуется остановка технологического оборудования для подналад-ки [5]. Такую абразивную обработку целесообразно применять в условиях серийного производства валов.
Выводы и результаты
Анализируя проведенные исследования, можно констатировать следующее:
1. Изнашивание лепестков шлифовального круга путем вырывания зерен из связки приводит к непрерывному уменьшению скорости съема металла с заготовки и увеличению высоты шероховатости поверхности до 2...3 раз. Наиболее интенсивно процесс изнашивания протекает у кругов с большей зернистостью.
Например, при обработке стальных заготовок стойкость абразивных инструментов зернистостью 40 в 2.3 раза ниже лепестковых кругов зернистостью 12.20 и составляет 2...3 минуты.
2. Шлифование лепестковыми кругами зернистостью от 12 до 40 протяженных поверхностей валов характеризуется производительностью 130...270 мм3/мин и возможностью обеспечения параметров шероховатости Яа и Sm в пределах от 0,4 до 3,0 мкм и от 0,08 до 0,20 мм соответственно.
3. Стабилизировать параметры шероховатости поверхности и скорость съема металла можно путем периодического или непрерывного увеличения деформации лепесткового круга в процессе обработки. При этом изменение показателей процесса шлифования не превышает ±10%.
Литература
1. Гдалевич А.И. Финишная обработка лепестковыми кругами. М.: Машиностроение, 1990. 112 с.
2. Бишутин С.Г. Совершенствование процессов финишной абразивной обработки заготовок деталей машин // Наукоемкие технологии в машиностроении. 2020. №1 (103). С. 34-40.
3. Мишнаевский Л.Л. Износ шлифовальных кругов; под ред. И.П. Захаренко. Киев: Наук. думка, 1982. 189 с.
4. Коротков А.Н., Шатько Д.Б. Повышение работоспособности лепестковых шлифовальных кругов: монография. Кемерово: КузГТУ, 2005. 184 с.
5. Бишутин С.Г., Шупиков И.Л. Оборудование для обработки и качество протяженных цилиндрических поверхностей после лепесткового шлифования // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. 2010. № 5 (283). С. 35-40.
Поступила 09.03.2021; принята к публикации 15.04.2021
Информация об авторах
Бишутин Сергей Геннадьевич - д-р техн. наук, профессор, профессор кафедры «Автомобильный транспорт», Брянский государственный технический университет (241035, Россия, г. Брянск, бульвар 50 лет Октября, 7), тел. 8-483-256-09-95, е-таП: nad-bisch@yandex.ru, ОЯСГО: https://orcid.org/ 0000-0002-9430-2936
Шупиков Игорь Леонидович - канд. техн. наук, доцент кафедры «Автомобильный транспорт», Брянский государственный технический университет (241035, Россия, г. Брянск, бульвар 50 лет Октября, 7), тел. 8-483-256-09-95, е-таД: shupikovi@yandex.ru
STABILIZATION OF QUALITY AND PRODUCTIVITY OF GRINDING OF EXTENDED CYLINDRICAL SURFACES OF SHAFTS WITH PETAL CIRCLES
S.G. Bishutin, I.L. Shupikov
Bryansk State Technical University, Bryansk, Russia
Abstract: the article is devoted to the problem of stabilization of indices of petal grinding of extended cylindrical billets in order to exclude the effect of tool wear on the quality and productivity of this treatment. We present the results of studies of influence of abrasive tool wear on processes of metal removal and formation of roughness of treated surface during petal grinding. Circles of greater grain wear more intensively, and the resistance of instruments with grain 12... 20 (GOST 3647- 80 (ed. 1995)) is 2...3 times higher than circles with grain 40...50 and is 5...10 minutes. We give the data on resistance of blade grinding wheels taking into account the main factors of the processing process. We found that the rate of metal removal when grinding with unworn petal circles with grain size from 12 to 40 is 130...270 mm3/min, the roughness parameter Ra can vary in the range from 0.4 to 3.0 ^m, Sm - from 0.08 to 0.20 mm. The values of the roughness parameters of the treated surface due to wear of the tool increase by 2-3 times, and the rate of material removal over time continuously decreases and can become zero. We proposed to stabilize the indicators of petal grinding by continuous or periodic increase of deformation of the tool during abrasive processing, which will allow one to maintain the required number of cutting grains at the required level
Key words: grinding with petal circles, quality and efficiency of processing, tool wear
References
1. Gdalevich A.I. "Finishing in petal circles" ("Finishnaya obrabotka lepestkovymi krugami"), Moscow, Mashinostroenie, 1990, 112 p.
2. Bishutin S.G. "Improving the processes of finishing abrasive processing of machine parts", Science-Intensive Technologies in Mechanical Engineering (Naukoyemkie tekhnologii v mashinostroyenii), 2020, no. 1 (103), pp. 34-40.
3. Mishnaevskiy L.L., ed. Zakharenko I.P. "Wear of grinding wheels" ("Iznos shlifoval'nykh krugov"), Kiev, Naukova Dumka, 1982, 189 p.
4. Korotkov A.N., Shatko D.B. "Improving the efficiency of petal grinding wheels" ("Povyshenie raboto-sposobnosti lep-estkovykh shlifoval'nykh krugov"), monograph, Kemerovo, KuzSTU, 2005, 184 p.
5. Bishutin S.G., Shupikov I.L. "Equipment for processing and quality of extended cylindrical surfaces after petal grinding", Fundamental and Applied Problems of Engineering and Technology (Fundamental'nye i prikladnye problemy tekhniki i tekhnologii), 2010, no. 5 (283), pp. 35-40.
Submitted 09.03.2021; revised 15.04.2021 Information about the authors
Sergey G. Bishutin, Dr. Sc. (Technical), Professor, Bryansk State Technical University (7 Boulevard of 50 let Oktyabrya, Bryansk 241035, Russia), tel.: +7-483-256-09-95, e-mail: nad-bisch@yandex.ru, ORCID iD 0000-0002-9430-2936
Igor' L. Shupikov, Cand. Sc. (Technical), Associate Professor, Bryansk State Technical University (7 Boulevard of 50 let Oktyabrya, Bryansk 241035, Russia), tel. +7-483-256-09-95, e-mail: shupikovi@yandex.ru
