CC BY
0
УДК 621.923
doi: 10.21685/2072-3059-2023-4-14
Взаимозависимость сил при проходном бесцентровом шлифовании
П. В. Малинин1, П. Ю. Бочкарев2, И. И. Артемов3, М. О. Гончаров4
1,2Камышинский технологический институт (филиал) Волгоградского государственного технического университета, Камышин, Россия 2,4Саратовский государственный университет генетики, биотехнологии и инженерии имени Н. И. Вавилова, Саратов, Россия 3Пензенский государственный университет, Пенза, Россия
1mpv92@yandex.ru, 2bpy@mail.ru, 3artemov@pnzgu.ru, 4mixgoncharov@gmail.com
Аннотация. Актуальность и цели. Особенностью реализации метода бесцентрового шлифования является условие силового замыкания в местах контакта обрабатываемой поверхности и элементов технологической системы, соблюдение которого во многом определяет стабильность протекания процесса обработки. Определяющее значение в обеспечении этого требования имеют вопросы, связанные с установлением схемы действующих сил и расчетом их величин. Материалы и методы. Представлена последовательность разработки зависимостей определения составляющих сил и их значений с учетом характеристик обрабатываемой поверхности, оборудования и оснастки во всем пространстве рабочей зоны. Результаты. Создана обобщенная модель для расчета составляющих сил резания и сил в местах взаимодействия обрабатываемой детали с ведущим кругом и плоскостью опорного ножа, установлены взаимосвязи между ними и факторами, влияющими на процесс обработки. Выводы. Представленные модели позволяют назначать обоснованные параметры наладки оборудования и определять рациональные режимы обработки с обеспечением стабильности протекания процесса проходного бесцентрового шлифования. Ключевые слова: технологическая подготовка механообрабатывающих производств, операции бесцентрового шлифования, проходное бесцентровое шлифование, схема силового замыкания, режимы резания, абразивная обработка Для цитирования: Малинин П. В., Бочкарев П. Ю., Артемов И. И., Гончаров М. О. Взаимозависимость сил при проходном бесцентровом шлифовании // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. 2023. № 4. С. 149-159. doi: 10.21685/2072-3059-2023-4-14
The interdependence of forces during continuous centerless grinding
P.V. Malinin1, P.Yu. Bochkarev2, I.I. Artemov3, M.O. Goncharov4
1,2Kamyshin Technological Institute (branch) Volgograd State Technical University, Kamyshin, Russia
2,4Saratov State University of Genetics, Biotechnology and Engineering named after N.I. Vavilov, Saratov, Russia 3Penza State University, Penza, Russia
1mpv92@yandex.ru, 2bpy@mail.ru, 3artemov@pnzgu.ru, 4mixgoncharov@gmail.com
Abstract. Background. A distinctive feature of the implementation of the centerless grinding method is the condition of power closure at the contact points of the treated surface and the elements of the technological system, compliance with which largely determines the
© Малинин П. В., Бочкарев П. Ю., Артемов И. И., Гончаров М. О., 2023. Контент доступен по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 License / This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.
stability of the processing process. Of decisive importance in ensuring this requirement are issues related to the establishment of the scheme of acting forces and the calculation of their values. Materials and methods. The sequence of developing dependencies for determining the components of forces and their values, taking into account the characteristics of the treated surface, equipment and tooling in the entire space of the working area, is presented. Results. A generalized model has been created for calculating the components of cutting forces and forces at the points of interaction of the workpiece with the leading circle and the plane of the support knife, the relationships between them and the factors affecting the processing process have been established. Conclusions. The models presented in the article make it possible to assign reasonable parameters for setting up equipment and determine rational processing modes to ensure the stability of the flow of the process of centerless grinding.
Keywords: technological preparation of machining industries, centerless grinding operations, continuous centerless grinding, power circuit circuit, cutting modes, abrasive treatment
For citation: Malinin P.V., Bochkarev P.Yu., Artemov I.I., Goncharov M.O. The interdependence of forces during continuous centerless grinding. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Povolzhskiy region. Tekhnicheskie nauki = University proceedings. Volga region. Engineering sciences. 2023;(4):149-159. (In Russ.). doi: 10.21685/2072-3059-2023-4-14
Введение
Качественное и эффективное выполнение технологических операций невозможно без полного комплексного учета влияющих факторов на всех стадиях их проектирования и реализации. Применительно к операциям проходного бесцентрового шлифования установление взаимосвязей между назначением технологической оснастки, определением режимов резания, методов настройки оборудования и управления ходом реализации обработки невозможно без детального установления и исследования сил, возникающих в местах контакта обрабатываемой детали и элементов технологической системы. Результаты известных исследований по данному направлению [1-6] преимущественно направлены на установление движения детали в процессе обработки, что не только не учитывает ряд факторов (изменение диаметра обрабатываемой поверхности с учетом величины снимаемого припуска, постоянная корректировка расположения точек контакта обрабатываемой поверхности с плоскостью опорного ножа, шлифовальном и ведущем кругами и др.), но и не позволяет создать модель взаимовлияния составляющих сил между собой. Учитывая требование силового замыкания в схеме обработки деталей при бесцентровом шлифовании и отсутствие таких методик, можно утверждать, что развитие рассматриваемых методов обработки, выделяющихся высокой производительностью и обеспечением повышенных требований к геометрическим характеристикам обрабатываемых поверхностей [7, 8], серьезно сдерживается.
Материалы и методы
Предлагается метод, который на основе установления составляющих сил, действующих в точках контакта, и определения значения этих сил обеспечивает создание обобщенной модели, позволяющей установить взаимовлияние между этими силами. Контакт обрабатываемой поверхности и технологической оснастки осуществляется в трех точках (рис. 1): со шлифовальным кругом (точка А), ведущим кругом (точка В), опорным ножом (точка Р).
/ 2 3
Рис. 1. Схема сил при проходном бесцентровом шлифовании (центры осей кругов расположены на горизонтальной прямой): 1 - шлифовальный круг;
2 - обрабатываемая деталь; 3 - ведущий круг; 4 - опорный нож
При рассмотрении контактов в поперечных сечениях зоны обработки проходного бесцентрового шлифования наружных цилиндрических поверхностей, когда центры ведущего и шлифовального кругов расположены не на одной горизонтальной прямой, видно, что направления сил изменяются (рис. 2).
7 .?
Рис. 2. Схема сил при проходном бесцентровом шлифовании (центры осей кругов расположены не на горизонтальной прямой): 1 - шлифовальный круг; 2 - обрабатываемая деталь; 3 - ведущий круг; 4 - опорный нож
При определении составляющих сил в местах контакта на координатные оси сделано допущение, позволяющее не учитывать составляющую сил
на ось X. Данное допущение приято исходя из относительно малых составляющих сил на ось X по отношению к составляющим сил на оси У и Z, а также формулировки поставленной задачи настоящих исследований, заключающихся в установлении отличий силовых факторов в местах контакта в отдельных рабочих зонах обработки. Направления нормальных и тангенциальных составляющих этих сил представлены для случая, когда центры ведущего и шлифовального кругов расположены на одной горизонтальной прямой. Определение их направления представлено в работе [9] и зависит от размерных характеристик кругов и обрабатываемой поверхности в рассматриваемом сечении зоны обработки, угла наклона плоскости опорного ножа.
Зависимости для определения составляющих сил для случаев расположения центров кругов на одной горизонтальной линии на оси У и Z и поясняющий иллюстративный материал представлены на рис. 3-5.
Рис. 3. Нормальные и тангенциальные составляющие сил, действующих в месте контакта обрабатываемой поверхности и ведущего круга: Fbn y = Fbnхcosb ; Fbnz = Fbnxcos(90°-b);
Fbkz = Fbkxcosb ; Fbky = Fbkxcos(90°-b)
Рис. 4. Нормальные и тангенциальные составляющие сил, действующих в месте контакта обрабатываемой поверхности и шлифовального круга: Fan z = Fan х cos c ; Fan y = Fan x cos (90°- c);
Faky = Fakxcosc ; Fakz = Fakxcos(90°-c)
Аналогичным образом установлены зависимости для определения составляющих сил для случаев расположения центров кругов не на одной горизонтальной линии на оси Y и Z с учетом угла наклона линии, соединяющей центры кругов к горизонтальной плоскости (d).
Представленные выражения в совокупности с исследованиями, связанными с определением мест контакта обрабатываемой поверхности с технологическими элементами оснастки, позволяют сформировать уточненную силовую схему воздействия на обрабатываемую деталь и обеспечивают переход к методической разработке определения значений, возникающих в процессе реализации проходного бесцентрового шлифования сил.
Рис. 5. Нормальные и тангенциальные составляющие сил, действующих в месте контакта обрабатываемой поверхности и плоскости опорного ножа Fpn y = Fpn x cos (90°- a); Fpn z = Fpnx cos a;
Fpky = Fpk x cos a; Fpk z = Fpk x cos (90°- a)
В месте контакта обрабатываемой поверхности с ведущим кругом:
„7 Tb хр _ 2Db х Tb
Fbk =-—; Fbn =-,
f x Db Db
где Tb - крутящий момент ведущего круга; р - коэффициент сцепления; f - коэффициент трения; Db - диаметр ведущего круга.
В месте контакта обрабатываемой поверхности с плоскостью опорного
ножа:
Fpk = TXsin(90°-а); Fpn = oxcos(90°-а),
go r5lnk
s
k = | -+-V4+e ' 2 2
где о - среднее нормальное напряжение; оо - условный предел текучести; £ - относительный сдвиг; т - среднее касательное напряжение; п - коэффициент, отражающий свойства материала.
Рис. 6. Схема сил при микрорезании единичным абразивным зерном при бесцентровом шлифовании наружных цилиндрических поверхностей
В месте контакта обрабатываемой поверхности со шлифовальным кругом:
Ta xB ^ 2Dш x Ta Fak =--—; Fan =-,
f x Dш
Dш
где Ta - крутящий момент шлифовального круга; Dш - диаметр шлифовального круга.
Применен расчетно-экспериментальный метод поэлементного расчета силы резания, действующей на единичное зерно, нахождения числа зерен, совершающих работу стружкообразования в пределах контакта круга с заготовкой, числа зерен, совершающих работу упруго пластической деформации, расчета значения действующих на них сил резания, суммирования полученных значений составляющих силы резания [10-12]. Возникающая сила резания - геометрическая сила двух составляющих: тангенциальной и нормальной. Каждая составляющая включает в себя: силу сдвига Fak s , силу трения Fak тр, инерционную силу стружки Fak ин:
Ts x^р xsin(Р + Ф*) ^ Ts xF* xcos(|3 + ф5)
Fak z s =---, Faky s =- '
sin ßxsin ф.
2
Fak z тр = GCp П 4 , Fak y тр =
sin ßxsin ф,
пхт,xpxaz ;
Vs 9
2
Fak z ин = FCp X qm X VKp
Fak y ин = Fcp X qm X VKp
1 - sin в X sin y cos(в — y)
sin eX sin y
cos
(в—y)
где - напряжение сдвига; FCp - площадь сечения среза; сСр - среднее напряжение; b - диаметр площадки износа режущих кромок в круге; р -средний радиус округления вершин зерен в круге; az - глубина резания; - коэффициент внешнего трения на задней поверхности зерна;
= tan 1 (щ) - угол трения; qm - плотность материала.
Поэлементный расчет составляющих сил резания выполняется с учетом разделения сил, действующих на зерна, совершающие пластическую деформацию металла и режущих зерен [10]. Число зерен, находящихся в контакте с обрабатываемой поверхностью и приходящихся на единицу площади рабочей поверхности круга [11, 12], зависит от поперечной подачи, диаметра круга, глубины резания и длины дуги контакта.
Результаты
Представленные зависимости позволили на основе развития известных в настоящее время результатов научных исследований создать обобщенную модель расчета составляющих сил резания и взаимодействия обрабатываемой поверхности с элементами технологической системы при проходном бесцентровом шлифовании во всех поперечных сечениях зоны обработки деталей. Важным является установление возникающих в процессе обработки сложных взаимосвязей между всеми составляющими сил и учет множества факторов, влияющих на них: размерные характеристики обрабатываемой поверхности и элементов технологический системы во всем пространстве рабочей зоны; структура и материал абразивного зерна шлифовального круга; материал ведущего круга; частоты вращения ведущего и шлифовальных кругов; относительная скорость резания абразивными зернами для рассматриваемого случая попутного шлифования; режущая способность шлифовального круга; наладочные размеры; форма ведущего круга; использование технологических жидкостей; материал и величина припусков обрабатываемой детали.
Обсуждение
Результаты исследований, представленные в статье, кроме возможности самостоятельного научно-практического использования при наладке оборудования и назначения режимов обработки имеют значение для создания целостной системной формализованной модели, обеспечивающей автоматизацию всего комплекса проектных процедур технологической подготовки и реализации операций проходного бесцентрового шлифования. Они позволяют совершенствовать подходы к разработке математических моделей, описывающих методики, связанные с обеспечением стабильности протекания процесса бесцентрового шлифования и формирования условий устойчивого вращения обрабатываемой детали.
Заключение
Методический подход, заключающийся в анализе составляющих сил, возникающих в местах контакта обрабатываемой детали с элементами технологической системы, позволяет установить взаимозависимости между ними и сформировать систему формализованных моделей влияния широкого комплекта факторов на качественные показатели и технико-экономические характеристики проходного бесцентрового шлифования. Представленные зависимости обеспечивают объективное установление с учетом реального состояния и конструктивных особенностей оборудования и средств техно логического оснащения рациональных параметров настойки и управления реализацией проходных бесцентрово-шлифовальных операций.
Список литературы
1. Справочник технолога / под общ. ред. А. Г. Суслова. М. : Инновационное машиностроение, 2019. 800 с.
2. Слонимский В. И. Теория и практика бесцентрового шлифования. 2-е изд., пере-раб. и доп. М. ; Л. : Машгиз. [Ленингр. отд-ние], 1952. 286 с.
3. Черпаков Б. И., Годович Г. М., Волков Л. П., Прохоров А. Ф. Бесцентровые круг-лошлифовальные станки. М. : Машиностроение, 1973. 169 с.
4. Муцянко В. И. Бесцентровое шлифование. М. : Машиностроение [Ленингр. отд-ние], 1986. 95 с.
5. Васильев А. С., Дальский А. М., Золотаревский Ю. М., Кондаков А. И. Направленное формирование свойств изделий машиностроения / под ред. А. И. Кондакова. М. : Машиностроение, 2005. 352 с.
6. Ашкиназий Я. М. Бесцентровые шлифовальные станки. Конструкция, обработка и правка. М. : Машиностроение, 2003. 352 с.
7. Малинин П. В., Бочкарев П. Ю. Структуризация способов бесцентрового шлифования с использованием кластерного анализа // Известия Волгоградского государственного технического университета. 2022. № 8 (267). С. 36-39.
8. Малинин П. В., Бочкарев П. Ю., Ульянова Л. Д., Шалунов В. В. Совершенствование технологической подготовки операций бесцентрового шлифования // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. 2022. № 4. С. 147-160.
9. Малинин П. В., Бочкарев П. Ю., Артемов И. И., Гончаров М. О. Определение наладочных параметров операций проходного бесцентрового шлифования // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. 2023. № 3. С. 144-153.
10. Зубарев Ю. М., Приемышев А. В. Теория и практика повышения эффективности шлифования материалов. СПб. : Лань, 2010. 304 с.
11. Корчак С. Н. Производительность процесса шлифования стальных деталей. М. : Машиностроение, 1974. 279 с.
12. Филимонов Л. Н. Высокоскоростное шлифование. Л. : Машиностроение, 1979. 246 с.
References
1. Suslov A.G. (ed.). Spravochnik tekhnologa = Reference book of production engineer. Moscow: Innovatsionnoe mashi-nostroenie, 2019:800. (In Russ.)
2. Slonimskiy V.I. Teoriya i praktika bestsentrovogo shlifovaniya. 2-e izd., pere-rab. i dop. = Theory and practice of centerless grinding. The 2nd edition, revised and supplemented. Moscow; Leningrad: Mashgiz. [Leningr. otd-nie], 1952:286. (In Russ.)
3. Cherpakov B.I., Godovich G.M., Volkov L.P., Prokhorov A.F. Bestsentrovye krug-loshlifoval'nye stanki = Centerless cylindrical grinding machines. Moscow: Mashi-nostroenie, 1973:169. (In Russ.)
4. Mutsyanko V.I. Bestsentrovoe shlifovanie = Centerless grinding. Moscow: Mashi-nostroenie [Leningr. otd-nie], 1986:95. (In Russ.)
5. Vasil'ev A.S., Dal'skiy A.M., Zolotarevskiy Yu.M., Kondakov A.I. Napravlennoe formirovanie svoystv izdeliy mashinostroeniya = Directed formation of properties of mechanical engineering products. Moscow: Mashinostroenie, 2005:352. (In Russ.)
6. Ashkinaziy Ya.M. Bestsentrovye shlifoval'nye stanki. Konstruktsiya, obrabotka i pravka = Centerless grinding machines. Construction, processing and editing. Moscow: Mashinostroenie, 2003:352. (In Russ.)
7. Malinin P.V., Bochkarev P.Yu. Structuring of centerless grinding methods using cluster analysis. Izvestiya Volgogradskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta = Proceedings of Volgograd State Technical University. 2022;(8):36-39. (In Russ.)
8. Malinin P.V., Bochkarev P.Yu., Ul'yanova L.D., Shalunov V.V. Improving the technological preparation of centerless grinding operations. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Povolzhskiy region. Tekhnicheskie nauki = University proceedings. Volga region. Engineering sciences. 2022;(4):147-160. (In Russ.)
9. Malinin P.V., Bochkarev P.Yu., Artemov I.I., Goncharov M.O. Determination of agjustment parameters for continuous centerless grinding operations. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Povolzhskiy region. Tekhnicheskie nauki = University proceedings. Volga region. Engineering sciences. 2023;(3):144-153. (In Russ.)
10. Zubarev Yu.M., Priemyshev A.V. Teoriya i praktika povysheniya effektivnosti shlifo-vaniya materialov = Theory and practice of increasing the efficiency of grinding materials. Saint Petersburg: Lan', 2010:304. (In Russ.)
11. Korchak S.N. Proizvoditel'nost'protsessa shlifovaniya stal'nykh detaley = Performance of steel grinding process. Moscow: Mashinostroenie, 1974:279. (In Russ.)
12. Filimonov L.N. Vysokoskorostnoe shlifovanie = High speed grinding. Leningrad: Mashinostroenie, 1979:246. (In Russ.)
Информация об авторах / Information about the authors
Павел Витальевич Малинин аспирант, Камышинский технологический институт (филиал) Волгоградского государственного технического университета (Россия, г. Камышин, ул. Ленина, 6А)
E-mail: mpv92@yandex.ru
Pavel V. Malinin Postgraduate student, Kamyshin Technological Institute (branch) Volgograd State Technical University (6A Lenina street, Kamyshin, Russia)
Петр Юрьевич Бочкарев
доктор технических наук, профессор, профессор кафедры технологии машиностроения и прикладной механики, Камышинский технологический институт (филиал) Волгоградского государственного технического университета (Россия,г. Камышин, ул. Ленина, 6А); профессор кафедры технического обеспечения АПК, Саратовский государственный университет генетики, биотехнологии и инженерии имени Н. И. Вавилова (Россия, г. Саратов, ул. Советская, 60)
E-mail: bpy@mail.ru
Petr Yu. Bochkarev
Doctor of engineering sciences, professor, professor of the sub-department of engineering technology and applied mechanics, Kamyshin Technological Institute (branch) Volgograd State Technical University (6A Lenina street, Kamyshin, Russia); professor of the sub-department of technical support of the agro-industrial complex, Saratov State University of Genetics, Biotechnology and Engineering named after N.I. Vavilov (60 Sovetskaya street, Saratov, Russia)
Игорь Иосифович Артемов доктор технических наук, профессор, директор Научно-исследовательского института фундаментальных и прикладных исследований, Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40)
E-mail: artemov@pnzgu.ru
Михаил Олегович Гончаров инженер, Саратовский государственный университет генетики, биотехнологии и инженерии имени Н. И. Вавилова (Россия, г. Саратов, ул. Советская, 60)
E-mail: mixgoncharov@gmail.com
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов / The authors declare no conflicts of interests.
Поступила в редакцию / Received 18.09.2023
Поступила после рецензирования и доработки / Revised 24.10.2023 Принята к публикации / Accepted 18.11.2023
Igor'I. Artemov
Doctor of engineering sciences, professor, director of the Research Institute of Fundamental and Applied Research, Penza State University (40 Krasnaya street, Penza, Russia)
Mikhail O. Goncharov
Engineer, Saratov State University of Genetics, Biotechnology and Engineering named after N.I. Vavilov (60 Sovetskaya street, Saratov, Russia)
