CC BY
23
УДК 621.923
АЗАРОВА Н.В., к.т.н.(ДонНТУ).
Выбор режимов шлифования, обеспечивающих заданные параметры шероховатости поверхности
Для обеспечения требуемых значений эксплуатационных показателей деталей машин в ходе механической обработки необходимо сформировать определенную совокупность геометрических и физико-механических параметров качества их поверхностей, что наиболее часто достигается на технологических операциях шлифования, позволяющих обеспечить высокие точность размеров и качество обрабатываемой поверхности.
При изготовлении изделий из труднообрабатываемых материалов в настоящее время в качестве чистовой операции используется алмазное шлифование кругами на металлических связках с электроэрозионным воздействием на рабочую поверхность круга (РПК), как на стадии правки, так и в процессе шлифования. При этом заданные параметры качества шлифованных поверхностей, в частности параметры шероховатости, обеспечиваются, как правило, подбором условий обработки.
В настоящее время существует два подхода к назначению режимов шлифования: режимы, обеспечивающие регламентируемые параметры шероховатости поверхности, определяют из зависимостей, найденных экспериментально, либо рассчитывают аналитически [1]. Большинство предлагаемых методик расчета основано на допущении об абсолютной жесткости системы «станок - приспособление -инструмент - деталь» (спид). В этом случае не учитывается влияние имеющихся всегда в наличии колебаний системы спид (в частности, вынужденных колебаний, вызванные дисбалансом круга, которые
балансировкой можно только уменьшить, но не устранить) на параметры шероховатости обработанной поверхности, что может привести к существенному расхождению теоретически полученных результатов с данными реальной обработки. В связи с этим определение механических режимов, обеспечивающих заданные параметры шероховатости шлифованной поверхности, с учетом возникающих при обработке радиальных колебаний круга, является актуальной задачей.
Цель работы
Аналитическое определение режимов плоского алмазного шлифования, обеспечивающих заданные параметры шероховатости обработанной поверхности, с учетом геометрических параметров рпк и параметров радиальных колебаний шлифовального круга, возникающих в процессе обработки.
Предложенная нами методика [2] расчета комплекса параметров шероховатости шлифованной поверхности, предусмотренных ГОСТом [3], позволяет решить и обратную задачу: зная геометрические параметры режущей поверхности круга и параметры радиальных колебаний, возникающих в процессе шлифования, рассчитать режимы обработки, обеспечивающие заданную максимальную высоту неровностей профиля Ятах (или высоту микронеровностей Я2).
Исходными данными для расчета являются:
1) элементы профиля рабочей поверхности круга - угол заострения в, градус,
и радиус округления р, мкм, вершины зерна; расстояние 8зп между зернами на рабочей поверхности, мм; параметры а, в функции распределения разновысотности зерен Б(АК) установившегося рельефа РПК;
2) режимы обработки - скорость круга ук, м/с; скорость детали уд, м/мин; фактическая глубина шлифования 1ф, мм;
3) геометрические размеры круга - радиус круга Як, мм;
4) амплитуда А, мкм, и частота Гц, радиальных колебаний шлифовального круга;
5) величина интервала расчета АЯ, мкм.
Используя паспортные данные станка, которые определяют скорость круга ук, можно найти продольную скорость стола (скорость детали) уд. Рассчитанная таким образом скорость детали удр. обеспечивает не только заданную высоту неровнос-
тей, но и определяет максимальную производительность на данном оборудовании при заданной высоте шероховатости, если при этих режимах не наблюдаются нежелательные изменения физико-механических свойств поверхностного слоя. Действительно, устанавливая уд < удр., мы обеспечим заданную высоту неровностей, но необоснованно уменьшим производительность.
Для определения условий перекрытия срезов при расчете высоты микронеровностей Я2 или максимальной высоты неровностей профиля Кшах используется соотношение (1), которое позволяет определить момент перекрытия срезов по известным скоростям уд , ук , параметрам радиальных колебаний, а также параметрам РПК.
64
V sl„
.- N N-i+1 .
pRK • AR-10-3F(iAR)У (( + i -14N + i -2)
(
N1 + i-2 Л
(
N-AR- У A -b N-AR- У A
1 ¿—¡ y, 1 L-¡ y,
v ,=° ) V ,=0 )
Nj+i-2 Л
+ к
N -AR-
У Ay,+ y Ay
^ (
,=1
j=N +i )
N -AR-
У Ay, + У Ay
ЛЛ
j=1
j=N1 +i )
> 103
где N - количество исследуемых интервалов, N=1, 2,..., К;
1- номера исследуемых интервалов, 1=1, 2,., N
N1 - участки поверхности круга, обрабатывающие 1-ый интервал, N^1, 2,., N-1+1;
К - общее количество интервалов,
K = гф - 103/AR;
F(iAR) - значение функции распределения разновысотности зерен;
Ayr
в радиальном направлении, мкм;
Ь(у) - ширина единичного среза, мкм, толщина которого у мкм;
к(у) - коэффициенты, учитывающие условия контактирования.
Значение функции распределения разновысотности F(iAR) определяется следующим образом:
F (AR ) =
1 - exp
(
exp
(г ( AR Л
Р )
(i - 1 )AR
Р ,
i = 1;
exp
(iAR Л"Л
i > 2.
величина смещения оси круга
Величина смещения оси круга в радиальном направлении определяется по формуле
, • 2л fRK Ay, = A sin—-—- s ,,
y,
1000 v K
Р
где В] - центральный угол, соответ- Ширина среза Ь(у) определяется в
зависимости от величины заглубления зе-ствующий участку РПК, обрабатывающе- рна:
му _]-ый интервал: рна:
в ] =
[(-У1У2 Як ЛЯ-10 -
60 V к
Я к ^
3
2^2 р у - у2, если у <р1 1 - бш В;
ъ( у) =
(
\
1 - БШ —
2 В
р-В2+у* 2
соб—
V 2 У
,если у < р| 1 -бш-
Коэффициенты к(у), учитывающие неровностей профиля Ятах , в случае от-условия контактирования, определяются сутствия радиальных колебаний шлифо-следующим образом: к(у)=0, если у < 0, и вального круга перекрытие срезов должно
к(у)=1, если у > 0. произойти на интервале N = Ятах /ЛЯ .
При расчете режимов обработки,
обеспечивающие максимальную высоту
Соотношение (1) примет вид
60^
.- N N-г+1
■^2 Як-ЛЯ-10-3 -22 Г (¡ЛЯ) 2 (( + г -1 N + г -2)-Ъ (^ЛЯ^Ш3,
г=1 N =1
откуда
60Vк
51 -103
,- N N-¡+1 Ч
2^2Як -ЛЯ -10-3 Г (¡ЛЯ) 2(( +г -1 - т^+Т-^р^ЛЯ)
г = 1
N1 =1
V
д
где 1- номера исследуемых интерва- Отношение 60vк /vд , найденное по
лов, 1=1, 2,..., К; N - участки поверхнос- формуле ти круга, обрабатывающие 1-ый интервал, N1=1, 2,..., N-1+1.
60Ук =_• 103_,
^ 2^2Як -ЛЯ -10- 3 -2 Г (ЛЯ) -,] ^ + г - 2 )ъ(N1ЛЯ)
г =1 N1 =1
является минимально допустимым и обеспечивает требуемую максимальную высоту неровностей профиля Ятах .
Преобразовать неравенство (1) для решения обратной задачи в случае наличия радиальных колебаний шлифовального круга не представляется возможным, так как отношение 60vк/V) входит в (1) в
неявной форме. Поэтому расчет режимов по заданным параметрам шероховатости выполняется по неравенству (1) методом последовательного перебора вариантов значений скорости детали уд до момента, пока расчетное значение параметра шероховатости не превысит наперед заданного. Найденное отношение 60vк/V) является
минимально допустимым и обеспечивает требуемую максимальную высоту неровностей профиля Яшах (или высоту микронеровностей Яг).
Для повышения точности расчета необходимо уменьшить величину интервала ЛЯ, что приводит к увеличению числа интервалов и усложнению вычислений. Поэтому, для определения режимов алмазного шлифования, обеспечивающих заданную максимальную высоту неровностей профиля Ятах (или высоту микронеровностей обработанной поверхности, нами предложена программа расчета на ПЭВМ [4].
Проведенные нами исследования рельефа алмазных кругов [5] позволили установить, что рельеф, сформированный
после электроэрозионной правки, отличается хорошим выступанием зерен из связки и повышенными режущими свойствами, что позволяет увеличить скорость детали, а, следовательно, и производительность, и принять за ограничивающую скорость детали скорость, обеспечивающую заданные параметры шероховатости при известных параметрах радиальных колебаний (таблиця 1).
Параметры радиальных колебаний круга в процессе шлифования, измерялись при помощи анализатора спектра вибрации модели 795М по методике, описанной нами в [6], и для данных условий обработки составили: { = 37 Гц; А = 0,9 мкм.
Заданные параметры шероховатости Продольная скорость стола, м/мин
мкм Яа, мкм ЛЯ=1 мкм ЛЯ=0,5 мкм
Шлифовальный круг АС6 100/80 - 4 - М2 - 01
8,0 2,0 30,0 30,0
6,3 1,6 22,8 24,3
5,0 1,0 14,5 15,3
4,0 0,8 6,7 8,3
3,2 0,63 6,0 3,9
2,5 0,50 3,7 2,8
2,0 0,40 2,4 2,6
Шлифовальный круг АС6 160/125 - 4 - М2 - 01
10,0 2,5 25,0 22,5
8,0 2 15,5 14,0
6,3 1,6 7,2 8,1
5,0 1,0 4,6 3,7
4,0 0,8 2,6 2,2
3,2 0,63 2,0 2,1
2,5 0,50 1,0 1,1
Шлифовальный круг АС6 250/200 - 4 - М2 - 01
10,0 2,5 20,7 21,1
8,0 2 13,3 13,7
6,3 1,6 9,4 8,1
5,0 1,0 5,9 4,4
4,0 0,8 3,3 2,9
3,2 0,63 2,6 2,3
2,5 0,50 1,2 1,4
Таблица 1. - Продольная скорость стола (скорость детали) шлифовального станка модели 3Д711АФ11, обеспечивающая заданные параметры шероховатости ук = 30 м/с; { = 37 Гц; А = 0,9 мкм.
Корректность методики расчета продольной скорости стола, обеспечивающей требуемые параметры шероховатости обработанной поверхности, подтверждена экспериментом, в ходе которого шероховатость обработанной поверхности оценивали средним арифметическим отклонением профиля Яа, который определяли на профилометре модели 206 по десяти измерениям.
Исследование влияния отношения скорости круга ук к скорости детали уд на параметры шлифованной поверхности было проведено нами экспериментально и теоретически.
Опыты проводились на плоскошлифовальном станке модели 3Д711Ф11. Обрабатывались образцы из стали Р6М5Ф3 кругом 1А1 250x76x15x5 АС6 160/125-4-М2-01. Шероховатость обработанной поверхности оценивали наибольшей высо-
той неровностей профиля Ятах , высотой неровностей профиля по десяти точкам , средним арифметическим отклонением профиля Яа , опорной длиной профиля ^50 на уровне 50 % Ятах , относительной опорной длиной профиля 1;50 и средним шагом неровностей профиля по вершинам б. Параметры шероховатости определяли с помощью профилометра-профилографа модели 201, включенного в регистрирующий блок, состоящий из ПЭВМ, оснащенной аналогово-цифровым преобразователем и дисплеем. Профилограмму записывали на ПК при помощи специально разработанного устройства, позволяющего производить запись с постоянной линейной скоростью движения исследуемой поверхности. Общий вид комплекса для записи профилограммы обработанной поверхности на ПЭВМ представлен на рисунке 1.
Рисунок 1. - Общий вид комплекса для записи профилограммы обработанной поверхности на ПЭВМ
Профилограф-профилометр «Калибр» модели 201 в его комплнктности обладает тем недостатком, что запись профилограмм производится на профило-
графическую бумагу, вследствие чего обработка профилограмм выполняется вручную и отличается высокой трудоемкостью. Запись профилограммы на ПК
позволяет автоматизировать процесс обработки. Нами разработана программа обработки на ПК участков профилограммы базовой длины с целью определения параметров шероховатости. Обработку записанных профилограмм осуществляли по методике ГОСТ 27964-88. Теоретический расчет параметров шероховатости
выполняли на ПЭВМ по разработанной нами программе.
Влияние отношения скорости круга к скорости детали на параметры шероховатости Ятах, , Яа и ^50 по данным расчета показано на рисунке 2.
Рисунок 2. - Влияние отношения скорости круга к скорости детали на параметры шероховатости шлифованной поверхности по данным расчета
Увеличение отношения 60v к/ V д приводит к уменьшению Ятах, и Яа (рисунок 2), причем для исследованных режимов параметр Яа находится в пределах 0,63...1,25, параметр - в пределах 3,2...6,3, а при больших значениях 60vк/vд пределы Яа - 0,32.0,63, Яг — 1,6.3,2. Уменьшение высоты неровностей профиля объясняется тем, что увеличение отношения скорости круга к скорости детали увеличивает площадь участка поверхности круга, зерна которого участвуют в формировании профиля детали. Таким образом, в формировании поверхности участвует большее количество алмазных зерен. Одновременно часть зерен,
расположенных ближе к центру круга, начинает срезать запятообразные срезы, производя радиальный съем материала. Это также приводит к уменьшению высоты неровностей.
Опорная длина профиля на уровне 50 % при изменении 60vк/Vд от 150 до 1200 практически сохраняет свое значение (рисунок 2). Это объясняется тем, что изменение Яа не выходит за пределы, когда необходимо изменять базовую длину профиля. Во всех случаях она была равна 0,8 мм. Поэтому, несмотря на то, что высота неровностей уменьшается и увеличивается количество царапин, их ширина уменьшается, что приводит к стабилиза-
ции опорной длины.
Экспериментальные данные полностью подтверждают теоретические расчеты, дают аналогичную качественную картину влияния скорости круга и детали на параметры шлифованной поверхности.
Таким образом, предложенная нами методика расчета комплекса параметров шероховатости шлифованной поверхности, учитывающая влияние на них радиальных колебаний РПК, обусловленных колебаниями оси вращения шпинделя со шлифовальным кругом, позволяет определять режимы обработки, обеспечивающие заданные параметры шероховатости.
Список литературы
1. Физико-механическая теория процессов обработки материалов и технологии машиностроения. В 10 т. Т. 6. Качество обработки деталей машин / Под общ. ред. Ф.В. Новикова, А.В. Якимова. -Одесса: ОНПУ, 2003. - 716 с.
2. Азарова Н.В. Расчет параметров шероховатости шлифованной поверхности с учетом радиальных колебаний рабочей поверхности круга / Н.В. Азарова, П.Г. Матюха // Сверхтвердые материалы. - 2006. - № 3. - С. 52-61.
3. Шероховатость поверхности. Термины и определения: ГОСТ 25142-82 (СТ СЭВ 1156-78). - [Введен с 1983-0101] - М.: Изд-во стандартов, 1982. - 20 с.
4. Азарова Н.В. Расчет режимов алмазного шлифования по заданной шероховатости обработанной поверхности / Н.В. Азарова // Вюник СевНТУ. Збiр-ник наукових праць. Серiя: Машинобу-
дування та транспорт. - Севастополь: Се-вНТУ. - 2010. - Вип. 111. - С. 3-6.
5. Азарова Н.В. Влияние способа правки алмазного круга на характеристики его рабочей поверхности / Н.В. Азарова, П.Г. Матюха // Науковi пращ Донець-кого нащонального техшчного ушверси-тету. Серiя: Машинобудування i машино-знавство. - Донецьк: ДонНТУ. - 2007. -Вип. 4. - С. 16-20.
6. Азарова Н. В. Экспериментальное определение параметров радиальных колебаний шлифовального круга, сопровождающих процесс обработки / Н.В. Азарова, В. А. Сидоров, В.П. Цокур // Надшшсть шструменту та оптимiзацiя технолопчних систем: зб. наук. праць. - Краматорськ: ДДМА. - 2011. - №. 28. - С. 189-193.
Аннотации:
Ключов1 слова: алмазне шл1фування, шор-стшсть поверхш, режими обробки.
Запропоновано програму для визначення на ПЕОМ режим1в плоского алмазного шл1фування, яш забезпечують задаш параметри шорсткосп об-роблено! поверхш, з урахуванням рад1альних ко-ливань шл1фувального круга.
Предложена программа для определения на ПЭВМ режимов плоского алмазного шлифования, обеспечивающих заданные параметры шероховатости обработанной поверхности, с учетом радиальных колебаний шлифовального круга.
The program for the determination by PC the mechanical conditions of the flat infeed grinding, providing required parameter of roughness of the machined surface, taking into account the radial vibrations of grinding wheel is produced.
