ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ШЕРОХОВАТОСТИ ПОВЕРХНОСТИ ПРИ ШЛИФОВАНИИ И ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННОЙ ОБРАБОТКЕ Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

КАЧЕСТВО

поверхностей. Однако при термической обработке изделий с винтовыми канавками возникают деформации, которые впоследствии необходимо устранить на чистовых операциях технологического процесса или вводить дополнительные операции. Все это увеличивает трудоемкость и себестоимость изготовления деталей. Применяя электромеханическую обработку, можно придать требуемым участкам винтовой поверхности необходимые физико-механические и геометрические свойства [7], исключить дополнительные чистовые операции и термическую обработку.

Высокий эффект с точки зрения повышения прочности неразъемных резьбовых соединений дает применение гладкорезьбовых соединений в корпусных деталях их легких сплавов, т.е. соединений, полученных ввертыванием шпильки в гладкое цилиндрическое отверстие. Данный метод изготовления резьбовых соединений позволяет, наряду с простой технологией изготовления, добиться существенных преимуществ по сравнению с традиционными способами посадок шпилек в корпусные детали, а именно - надежными стопорящими свойствами, как в статике, так и их стабильностью после воздействия циклических нагрузок. Это определяется технологией их изготовления посредством пластического деформирования и переносом пластических деформаций из эксплуатации в технологию.

Экспериментальные исследования прочности гладкорезьбовых соединений и традиционных шпилечных резьбовых соединений убедительно подтвердили снижение стопорящих свойств резьб, полученных резанием в начальный период работы соединения (до 1000 циклов нагруже-ния) по гиперболическому закону. Что касается гладкорезь-

бовых соединений, то момент отвинчивания у них после воздействия циклических нагрузок практически не изменяется. Кроме этого, применение данных резьбовых соединений позволяет проводить автоматизацию и механизацию процесса сборки.

Литература.

1. Биргер И.А., Иосилевич Г.Б. Резьбовые и фланцевые соединения. - М.: Машиностроение, 1990.- 368 с.

2. Крагельский И.В., Михин Н.М. Узлы трения машин: Справочник. - М.: Машиностроение, 1984. - 280 с.

3. Прокофьев А.Н., Стешков А.Е. Научные основы обработки высокоточных внутренних резьб. /Машиностроение и техносфера на рубеже XXI века.-Донецк, ДонГТУ, 1999.-С.299-301.

4. Суслов А.Г., Прокофьев А.Н., Лексиков В.П. Повышение надежности и долговечности резьбовых соединений. /Надежность механических систем. - Самара, 1996.- С. 240-241.

5. Стешков А.Е., Прокофьев А.Н. Перспективные технологии создания резьбовых соединений. /Перспективные технологии, машины и аппараты в машиностроении и приборостроении. - Орел, 1995.- С. 37-38.

6. Прокофьев А.Н. Технологическое обеспечение точности внутренних резьб. /Проблемы повышения качества машиностроительной продукции. - Брянск, 1998.- С. 135-136.

7. Дарковский Ю.В., Прокофьев А.Н., Хандожко A.B. Повышение качества винтовых канавок путем профилирования инструмента и электромеханической обработкой. /Материалы, технологии, инструменты.-Гомель, 1999.-№3.-С. 101-104.

Теоретическое определение параметров шероховатости поверхности при шлифовании и электроэрозиониой обработке

С. Г. БИШУТИН, доцент, канд. техн. наук, С. Ю. СЪЯНОВ, аспирант, БГТУ, г. Брянск

На формирование параметров шероховатости поверхности при шлифовании оказывают значительное влияние несколько десятков факторов процесса абразивной обработки. В силу этого обстоятельства на данный момент времени в области исследования процесса формирования параметров качества поверхности при шлифовании имеется довольно много различных теоретических концепций, число которых из года в год увеличивается. Однако проблема получения адекватных теоретических решений до сих пор актуальна. Строгие доказательства адекватности математических моделей процессам, происходящих при механической обработке материалов, встречаются крайне редко, их приемы не отработаны, и единственным универсальным способом обеспечения требуемых соответствий исследуемого процесса и его математической модели становится тщательный выбор некоторых аналитических параметров, которые придадут составляемым математическим зависимостям способность адекватно реагировать на изменение

условий обработки.

Как известно, доминирующим процессом в формировании шероховатости металлической поверхности является копирование формы режущей части инструмента. Поэтому для прогнозирования высотных и шаговых параметров шероховатости в качестве такого аналитического параметра можно использовать величину, характеризующую число и геометрическую форму вершин зерен, формирующих профиль неровностей поверхности. С помощью этого параметра можно объяснить влияние всех основных факторов процесса абразивной обработки на формирование шероховатости поверхности. Например, чем выше скорость вращения круга и чем меньше продольная подача стола станка, тем влияние большего числа вершин зерен сказывается на геометрии неровностей поверхности, что, в конечном счете, приводит к уменьшению высоты этих неровностей. Подобным образом можно объяснить влияние и остальных параметров процесса шлифования (рис. 1).

16 № 1 (12) 2001

КАЧЕСТВО

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

правка характеристики

шлифовального шлифовального

круга круга

жесткость и вибрации системы СПИД

циклические перемещения круга относительно заготовки

геометрические размеры круга и заготовки, вид шлифования

структура технологической операции шлифования, включая выхаживающие ходы инструмента

линеиныи износ шлифовального круга

число вершин активных (формирующих профиль поверхности) зерен

геометрия вершин активных зерен

среднее значение глубины внедрения зерна в металл при формировании профиля поверхности

режимы обработки

параметры шероховатости поверхности:

1) без учета пластического оттеснения металла зернами;

2) с учетом пластического оттеснения металла зернами.

свойства

сотс

высота металлических навалов по краям шлифовочных царапин

фгоико-механические характеристики стали

Рис.1. Система и взаимосвязи различных факторов технологической операции шлифования, учитываемые при моделировании процесса формирования параметров

шероховатости поверхности

Вышеизложенный подход был реализован в исследованиях [1], на основе которых было получено следующее уравнение для расчета наибольшей высоты неровностей профиля при круглом наружном, плоском и внутреннем шлифовании периферией круга:

И гаах =

тФ у,

т0 V,

А°-5НЯ

0,62 — V

-2

0.5

р,<4>

+ 5, (1)

где р - среднее значение радиуса округления вершин зерен рабочей поверхности шлифовального круга (обуславливается материалом абразивных зерен, зернистостью и величиной линейного износа шлифовального круга);

1ф - фактическая глубина шлифования (меньше глубины шлифования, установленной по лимбу станка, на величину упругих отжатий круга от заготовки);

кв - расчетный коэффициент, учитывающий размах колебаний рабочей поверхности круга относительно обрабатываемой поверхности заготовки;

Шф/тпо - отношение фактического числа к максимально возможному числу абразивных зерен на рассматриваемой площади поверхности шлифовального круга [2,3];

Ук, Уз - соответственно скорости перемещений рабочей поверхности шлифовального круга и обрабатываемой поверхности заготовки в процессе обработки;

А=Ок - для плоского шлифования периферией круга; А=ОчОкУ(От±Ок) - для круглого наружного (+) и внутреннего (-) шлифования периферией круга;

Г)к,0, - соответственно диаметр шлифовального круга и заготовки;

Н - величина, учитывающая многократное взаимодействие рассматриваемого участка поверхности заготовки с шлифовальным кругом (обуславливается кинематикой перемещений заготовки и инструмента, износом шлифовального круга, упругими перемещениями в системе СПИЗ);

Я - параметр, учитывающий многовершинность единичного абразивного зерна;

N - зернистость шлифовального круга;

У - объемное содержание зерен в круге;

Рс(1ф) - доля вершин зерен, находящихся на глубине от 0 до и рабочей поверхности круга (за начало отсчета принята точка, принадлежащая поверхности, проведенной через вершины наиболее выступающих зерен шлифовального круга) [2,3];

5 - высота металлических навалов, образующихся по краям шлифовочных царапин (факторы, влияющие на эту величину представлены на рис.1).

Расхождение теоретических значений параметра Яшах, определенных по формуле (1), с результатами многочисленных экспериментов находятся в пределах от 0 до 27 %, что можно, на наш взгляд, считать приемлемым.

Остальные параметры шероховатости определяются на основе разработанной математической модели профиля шероховатой поверхности, учитывающей индивидуальные особенности процессов шлифования (форму зоны контакта шлифовального круга с заготовкой, кинематику перемещений инструмента относительно заготовки, распределения по высоте и длине профиля его впадин - шлифовочных царапин от вершин абразивных зерен, радиус округления вершин абразивных зерен). В соответствии с этой математической моделью между параметрами шероховатости существуют следующие соотношения:

Яшах = 6,7Яа; Кг = 6,7 Ыа (1-0,094р1/3Яа1/3); Яр = 2,68 Яа; Яу = 4,0211а; 8 = 3,4 • 10 "3 (рЯа )0,5; 8ш = 1,24 • 10"г(рЯа)°'5

\4 Ир Г Я шах

1р = 50

Я тах

0,01р

0 < р < 50%,

(2)

где Яа, Яг, Б, Бт, 1р - параметры шероховатости поверхности, предусмотренные ГОСТ 2789-73;

Яр, Яу - высота выступов и глубина впадин профиля (расстояния от средней линии, соответственно, до линии выступов и линии впадин профиля).

№ 1 (12)2001 17

шШ

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

КАЧЕСТВО

Проведенные экспериментальные исследования убедительно подтверждают правомерность предложенной математической модели шероховатой шлифованной поверхности.

Не менее сложным является теоретическое определение параметров шероховатости поверхности и при электроэрозионной обработке.

Разрушение электродов при электроэрозионной обработке (ЭЭО) носит электротермический характер (при разряде происходит нагрев, плавление и частичное испарение материала электродов), а микрорельеф получаемой поверхности образован большим количеством взаимно перекрывающихся лунок. Размер лунок, характер их перекрытия зависит от следующих факторов:

- свойств материала изделия;

- свойства материала электрода инструмента;

- режимов обработки (ток, напряжение, длительность импульсов);

- свойств применяемой диэлектрической жидкости;

- коэффициента перекрытия лунок (3 (определяется как отношение диаметра лунки к расстоянию между центрами соседних лунок, изменяется в диапазоне от 1 до 2) и закона его изменения в указанном диапазоне.

Для того, чтобы рассчитать параметры шероховатости поверхности при ЭЭО необходимо связать воедино физику протекающих процессов, факторы влияющие на параметры лунок, а так же получить закон распределения коэффициента перекрытия лунок (3, так как данный коэффициент в течение обработки может принять любое значение из указанного диапазона.

В ходе анализа физики процесса, рассмотрения всех факторов, влияющих на формирование микрорельефа поверхности, и используя современный математический аппарат, нами были получены теоретические зависимости для расчета параметров шероховатости поверхности (Яг, Яа, Яр, Ятах, Хр) при ЭЭО [4]. Для получения зависимостей были сделаны следующие допущения:

- все лунки одинаковы;

- коэффициент перекрытия лунок (3 при обработки постоянен и равен своему среднему значению.

Так как в течение одной обработки коэффициент перекрытия лунок р может принять любое значение из интервала от 1 до 2, то необходимо установить закон распределения данного коэффициента для того, чтобы уточнить зависимости полученные с допущениями. Для этого нами были определены законы распределения средних шагов неровностей для различных сочетаний материала инструмента и изделия, а по полученным законам был сделан вывод, что коэффициент Р, который имеет такой же закон распределения как и средний шаг неровностей, распределен по нормальному закону с параметрами: рср=1,5; а = 0,167; максимум функции Утах=2,39 [5]. Знание закона позволило скорректировать полученные зависимости, в результате чего они приняли вид представленный в табл.

Таблица

Теоретические зависимости для расчета параметров шероховатости при ЭЭО

Параметр шероховатости Обозначение Расчетная зависимость

Высота неровностей профиля по 10 точкам Rz (2-ß-l)-I.U-vtlB i (4-ß + l)-cg -Pg Tg

Максимальная высота профиля Rmax Rmax = 1,73-Rz

Среднее арифметическое отклонение Ra Ra = 0,398-Rz

Высота сглаживания профиля шероховатости Rp Rp = 0,671-Rz

Средний шаг неровностей Sm V 2-ß-l

Относительная опорная длина профиля tp tp = 100-10^100- p

Р - коэффициент перекрытия лунок; I - ток; и - напряжение; ти - длительность импульса; Т|п - коэффициент полезного использования энергии импульса; рё - плотность материала изделия; сё - удельная теплоемкость материала изделия; Тй - температура плавления материала изделия; р - уровень сечения в %.

В направлении электроэрозионной обработки работа выполняется при финансировании в рамках гранта Министерства образования Российской Федерации «Моделирование качества поверхностного слоя при электроэрозионной обработке». ТОО - 6.5 -153.

Литература.

1. Бишутин С.Г. Прогнозирование и обеспечение параметров шероховатости шлифованной поверхности на основе моделирования процессов правки круга и обработки: Дис.... канд. техн. наук. - Брянск, 1998. - 172 с.

2. Горленко O.A., Бишутин С.Г. Взаимосвязь числа активных зерен с характеристиками и режимами правки абразивного инструмента// Проблемы машиностроения и надежности машин. - 1999. - №1. - С. 62-66.

3. Горленко O.A., Бишутин С.Г. Модель рабочей поверхности абразивного инструмента// СТИН, 1999. -№2. - С.25-28.

4. Суслов А.Г., Съянов С.Ю. Формирование и расчет шероховатости поверхности деталей при электроэрозионной обработке. Прогрессивные технологии и системы машиностроения: Международный сб. научных трудов. - Дон-ГТУ, 2000. Вып. 10.-318 с.

5. Инютин В.П., Съянов С.Ю. Микрогеометрические показатели качества поверхности при электроэрозионной обработке. Качество машин: Сб. тр. 4-й междунар, науч.-техн. конф., 10-11 мая 2001 г.: В 2-т. / Под общ. ред. А.Г. Суслова. - Брянск: БГТУ, 2001. - Т.2. - 264 с.

18 № 1 (12)2001