CC BY
6ИНСТРУМЕНТ
ORPABOTKA МЕТАЛЛОВ
Влияние формы абразивного зерна на эксплуатационные характеристики лепестковых кругов
В настоящее время вопросы влияния формы и геометрии зерна на эксплуатационные характеристики шлифовального инструмента еще недостаточно полно и точно изучены. Тем не менее, существующие на сегодняшний день работы по данной теме, сзидетельствуют о значительной степени влияния на показатели процесса шлифования отдельных групп инструментов такого фактора, как форма абразивного зерна [1,2].
Как известно, при изготовлении шлифовальных зерен по технологии, предусматривающей дробление слитков абразивного материала на различном оборудовании с последующим рассевом на ситах, абразивные зерна приобретаю- произвольную форму. Форма может варьироваться в достаточно широком диапазоне - от пластинчатых (иглообразных) до изометрических разновидностей (сферооб-разных). Применительно к абразивным материалам установлено, что форма зерна, приобретаемая им в процессе изготовления, во многом зависит от химсостава выплазляемого слитка, его размеров, режима охлаждения, способа дробления и.т.д. Влияние этих параметров предопределяет форму и геог/етрию зерна в ходе измельчения абразивного слитка.
Для всестороннего изучения влияния формы и геометрии зеона на эксплуатационные характеристики лепестковых кругов на кафедре "Металлорежущие станки и инструменты" КузГТУ была проведена работа по проектированию и изготовлению партии опытных образцов данных кругов, содержащих в своей структуре зерна с конфилируемий формий, и исследующему исследованию их характеристик. Данная рабста предусматривала поэтапное решение следующих задач:
• На первой стадии произведен рассев абразивного материала по признаку формы. Сортировка зерна по форме выполнялась на модернизированном вибрационном сепараторе [3]; в качестве абразивного материала были взяты зерна нормального электрокорунда 13А40 производства Юргинзкого абразивного завода; для облегчения операции оценку формы зерен был разработан новый метод, который основан на использовании сканера с переносом изображения зерен на экран монитора и обработкой полученных изображений зёрен с помощью компьютера и специальных программ. В частности, для этой цели была разработана программа "гегпо" [4].
• Разработана новая конструкция лепесткового круга, содержащего в своей структуэе абразивные зерна определенной формы, расположенные упорядоченно относительно поверхности основы лепестка [5];
. Изготовлены образцы опытной шлифовальной шкурки, из которой впоследствии вырубались лепестки круга; нанесение абразива на поверхность основы шкурки и ее сушка производились на специально спроектированных и изготовленных в КузГТУ соответственно компактной электростатической линии для изготовления шлифовальной шкурки и термокамере для ее сушки [6,7];
• Согласно ГОСТ 22775-77 (Круги шлифовальные лепестковые. Типы и основные размеры) изготовлены три типа кэугов: круги, содержащие в своей структуре зер-
А.Н. КОРОТКОЕ}, профессор, доктор техн.наук,
Д.Б. ШАТЬКО, аспирант, КузГТУ, г. Кемерово
на с изометрической (Кф Н" 1,2), круги из зерен с промежуточной формой (Кф Н" 1,6) и круги из зерен с игольчатой формой (Кф H 2,2); Кроме того, для обеспечения сопоставимости со стандартными кругами была изготовлена партия кругов из общей неклассифицированной по признаку формы абразивной массы, средний коэффициент формы которой составлял порядка 1,75.
Показателем, оценки формы зерен в нашем случае служит коэффициент формы, представляющий собой отношение диаметров описанных Don вокруг проекции рассматриваемых зерен окружностей к диаметрам вписанных окружностей DBn.
Для качественной оценки влияния формы абразивного зерна на показатели работоспособности лепестковых кругов, необходимо определить перечень выходных параметров, имеющих решающее значение в процессе шлифования. Согласно данным проведенного аналитического обзора, к таким параметрам следует отнести:
- производительность Q (интенсивность съема материала);
- удельный износ лепесткового круге q;
- силу резания;
- температуру в зоне резания Т°С;
- шероховатость поверхности Ra.
Методика оценки эксплуатационных характеристик лепестковых шлифовальных кругов сос~ояла в определении вышеназванных параметров и изучении степени их влияния на процесс шлифования в зависимости от входных данных.
Исследования эксплуатационных характеристик опытных лепестковых шлифовальных кругов проводились на плоскошлифовальном станке ЗГ71 в лаборатории "Резание металлов" КузГТУ.
На первом этапе были определены исходные условия проведения испытаний (входные параметры), которые оставались постоянными в течение исследований с целью обеспечения сопоставимости результатов. Данные параметры и их количественные характеристики представлены ниже:
- характеристика лепесткового круга - КЛ 150x30x32 13А40Н [Кф] А2 С2 А ГОСТ 22775-77;
- материал образца, его физико-механические свойства - Сталь 45 (НВ 187), 40Х (НВ 215), ШХ15 (HRC 65);
- скорость резания (Vp) - 33 м/с;
- продольная подача (S) - 3 м/мин;
- величина натяга (б) или деформация круга - 0,8 мм;
- время обработки (t) - 5 мин.
Ниже представлены некоторые экспериментальные данные, показывающие влияние формы зерен на выходные параметры шлифования лепестковыми кругами. На рис. 1 представлены графики зависимости (а) - интенсивности съёма материала (Q) и (б) - износа круга (q) от коэффициента формы зерна (Кф): Q, q = (Кф). Здесь под интенсивностью съема материала или производительностью (Q): понимается отношение массы снятого материала заготовки (М3) ко времени обработки (t):
Q = M3/t; (г/мин). (1)
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
ИНСТРУМЕНТ
Удельный износ круга определялся как отношение массы израсходованного материала круга (Мк) ко времени работы (1):
ц = (г/мин). (2)
Значения данных параметров определялись весовым методом, позволяющим обеспечить высокую точность измерений на квадрантных весах ВЛКТ - 500 г - М. Время обработки составляло 5 мин.
0,4
0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0
[—♦—Сталь 45 —■ ШХ 15 —*— 40 X |
,0,34 0.29
п ю --- __— ,0.23
п 1А —
1 2 3 а) 4
Рис. 1 Зависимость интенсивности съёма металла (а) и износа лепестковых кругов (б) от коэффициента формы зерен на разных марках сталей
Из графика видно, что при переходе от изометрической (Кф = 1,2) к игольчатой (Кф = 2,2) разновидности формы зерна кривые интенсивности съема материала монотонно возрастают на всех видах сталей, а на участке Кф = 1,75 + 2,2 наблюдается тенденция некоторого увеличения интенсивности съема. Это можно объяснить более глубоким внедрением в обрабатываемый материал зерен игольчатой формы.
Что касается износа круга, то здесь также наблюдается его увеличение при переходе от изометрической к игольчатой форме зерна, что, очевидно, объясняется меньшей прочностью игольчатых зерен.
На рис. 2 приведена зависимость коэффициента шлифования (Кш) от коэффициента формы (Кф). Коэффициент шлифования - это величина, характеризующая отношение массы снятого материала заготовки (М3) к массе изношенной части круга (Мк).
Кш = М3/Мк, (3)
Анализ полученных зависимостей свидетельствует о большей эффективности процесса шлифования при использовании лепестковых кругов с игольчатой формой зерна при данных режимах резания, по отношению к кругам с изометрической формой зерен.
При оценке силовых зависимостей было отмечено, что
Рис. 2 Зависимость коэффициента шлифования от коэффициента формы зерен лепестковых кругов
радиальная (Ру) и тангенциальная (Р2) составляющие силы резания, измеренные при помощи динамометра па оышс описанных режимах резания увеличиваются при переходе от кругов с изометрическими зернами к кругам с игольчатой формой зерен.
Измерение температуры в зоне резания, осуществлялось при помощи хромель-капелевой термопары и дифференциального цифрового милливольтметра (В2-34). Результаты измерений показывают, что при обработке лепестковыми кругами на поверхности заготовки не возникает высоккх температур. Например, при указанных режимах резания температура на глубине закладки хромель-капелевой термопары в 1,5 мм от поверхности не превышала значений 50°С. Однако при шлифовании неподвижных образцов (без продольной подачи) наибольшая зафиксированная температура составляла порядка 120°С. В силу конструктивных причин спай термопары располагался на вышеуказанной глубине от обрабатываемой по-верхнос-и заготовки, что неизбежно приводило к некоторому занижению абсолютной температуры в зоне шлифования. Анализ экспериментальных данных показывает, что обработка кругами из зерен игольчатой формы характеризуется несколько большей теплонапряженнос-тью, чем кругами из изометрических зерен.
В целом же относительно низкий уровень температур объясняется тем, что при обработке лепестковыми кругами прямого профиля лепестки контактируют с обрабатываемой поверхностью на некотором расстоянии друг от друга, благодаря чему поверхность нагревается импульс-но. В перерывах между импульсами нагрева происходит ее охлаждение. Этот фактор в сочетании с относительно небольшими нагрузками и вентиляционным эффектом обеспечизает низкий уровень тепловыделения [8].
Помимо вышеперечисленных параметров была проведена оценка качества обработанной поверхности по параметру шероховатости.
Измерение шероховатости поверхности проводилось на профилографе-профилометре "Та1у8иг( 5-120", позволяющем оценивать одновременно как Ка, так и Нг. В качестве шлифуемого материала использовалась сталь 45 (НВ 187). Для получения более точного результата обработка производилась каждый раз новыми, неизношенными лепестковыми кэугами.
Результаты исследований представлены на рис. 3.
Из приведенной диограммы еидно, что круги из зерен изометрической формы позволяют достичь меньшей шероховатости обработанной поверхности, чем круги из зерен игольчатых.
КОЛЕБАНИЯ СИСТЕМ
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
Ъл
Ra. Rz, мкм 50
45 40 35 30 25 20 15 10 5 0
- Ra ■ Rz 477
3d 37
га
1
8 6 10,6
О.' j ___
1,2 1,6 1,75 2,2 Кф
Рис. 3 Зависимость шероховатости поверхности от коэффициента формы
Таким образом, целенаправленно подбирая форму зерен в лепестковых кругах, можно существенно повысить эффективность их применения.
Литература
1. Короткое А.Н. Эксплуатационные свойства абразивных материалов. -Изд-во Красноярского ун-та, 1992. -122 с.
2. Дубов Г.М. Повышение работоспособности отрезных
шлифовальных кругов на основе использования шлифовальных зерен с контролируемой формой. Автореф. дис. канд. техн. наук. - Кемерово, 2004. - 20 с.
3. Короткое А.Н., Баштанов В.Г., Дубов Г.М., Павловец К.А., Шатько Д.Б. Модернизированный вибрационный сепаратор для сортировки абразива по форме // Ресурсосберегающие технологии в машиностроении: Тез. докл. конф. Бийск, 26-27 сентября, 2002 г. - Бийск, 2002.
4. Программа "Zerno". Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2003611938 от 22.08.2003г.
5. Патент 2240224 РФ, 7 В 24 D 13/00, 11/00. Лепестковый круг / А.Н. Короткое, Д.Б. Шатько - заявл. 04.12.2002.; Опубл. 20.11.2004, Бюл. №32.
6. Короткое А.Н., Люкшин B.C., Шатько Д.Б. Компактная линия для изготовления опытных шлифовальных шкурок \\ Ресурсосберегающие технологии в машиностроении: Тез. докл. конф. (Бийск, 25-26 сентября, 2003 г.). Бийск, 2003. С. 94-97.
7. Короткое А.Н., Шатько Д.Б., Люкшин B.C. Термокамера для сушки шлифовальной шкурки \\ Прогрессивные технологии и экономика в машиностроении: Тез. докл. конф. (Юрга, 24-25 апреля, 2003 г.). Юрга, 2003. С. 133-134.
8. Гдалевич А.И. Финишная обработка лепестковыми кругами. - М. Машиностроение, 1990. -112 с.
Механизм регенерации вторичных автоколебаний
в процессе резания
В.М. СВИНИН, доцент, канд. техн. наук, ЧитГУ, г. Чита
Регенеративные автоколебания, возникающие в технологической системе (ТС) вследствие вибрационного следа на поверхности резания от предшествующего прохода инструмента, являются серьезным препятствием для повышения производительности качества и точности механической обработки, снижают срок службы инструмента и узлов станка. Вторичное возбуждение автоколебаний обычно рассматривалось исследователями [1-9 и др.] с точки зрения его влияния на динамическую устойчивость ТС. При этом сам механизм возникновения и развития регенеративных автоколебаний ими подробно не изучался. Раскрытие этого механизма необходимо для более глубокого понимания сущности процесса резания и определения путей гашения вторичных автоколебаний.
Регенеративные автоколебания при однолезвиРной обработке исследовали на ЭВМ с помощью математической модели колебаний одномассовой подсистемы инструмента в нормальном к поверхности резания направлении [10]. Процесс развития автоколебаний имитировали при различных значениях началэной фазы ф21> с которой колеблющаяся ТС встречает след, и времени запаздывания между проходами или смежными зубьями инструмента. Результаты исследования позволили понять основную причину развития регенеративных автоколебаний и выявить сочетания значений начальной фазы и времени запаздывания, определяющих условия усиления или гашения колебаний ТС. Было установлено, что существование регенеративных автоколебаний обусловлено способностью ТС подстраивать фазу своих колебаний относительно следа, которая проявляется в виде растягивания дли-
тельности первого после встречи со следом колебания, особенно заметном при ф21= -7С/2.
Поведение ТС можно объяснить, исходя из анализа влияния начального сдвига фаз ф21 на характер изменения текущей толщины среза в первом колебании переходного процесса. Хотя колебания ТС в переходном процессе, строго говоря, не являются гармоническими, их можно принять близкими к таковым в течение одного периода. С учетом этого допущения уравнения следа и виброперемещений ТС имею- вид:
X,(t) = Ах - cos CDxt и X2(t) = ан + Ах • ccs(ay + <р21), (1)
где Ах - амплитуда виброперемещений ТС, С0Х - круговая частота виброперемещений, ан - номинальная толщина среза. Текущее значение толщины среза определяется их траекториями:
a(t) = X2(t) - X¿\) = ан + 2АХ • sin(<p21/2) х х cos(COxt + ф21/2 + Я/2). (2)
Из уравнения (2) следует, что амплитуда колебаний толщины среза
Да = 2АХ • sin (ф21/2) (3)
зависит от начальной фазы ф21 , а сами колебания толщины среза отстают от колебаний следа на фазовый угол Фа1 = Ф21/2 + Я/2 (4)
На рис.1 приведены схемы взаимного расположения траекторий колебаний следа X,(t) и ТС X2(t), графики изменения при колебаниях толщины среза a(t) и нормальной силы резания РГ'Х2) для различных значений ф21.
При нулевом значении начальной фазы ф21 толщина среза, а следовательно, и сила резания остаются постоянными при колебаниях ТС (см. рис.1,г). График изменения
«
