Закономерности формирования заусенца на кромке клиновидной заготовки при плоском шлифовании Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Яа

мкм

К1 КЗ К5 К8 К31 К32 К34 К35

Рис. 4. Зависимость шероховатости обрабатываемой детали от характеристики и технологии изготовления

ШК и материала обрабатываемой заготовки: условия смотри в подписи к рис. 1

Михаилин Сергей Михайлович, кандидат технических наук. Работает над совершенствованием конструкций и технологий изготовления абразивного инструмента.

Жданов Сергей Владимирович, аспирант. Занимается вопросами совершенствования технологий изготовления и применения абразивного инструмента. .

УДК 621.923.4

А. Ш. ХУСАИНОВ, И. С. АНТОНОВ

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ЗАУСЕНЦА НА КРОМКЕ КЛИНОВИДНОЙ ЗАГОТОВКИ ПРИ ПЛОСКОМ ШЛИФОВАНИИ

Разработана математическая модель деформации клиновидной заготовки под действием силы шлифования, обоснованы причины образования заусенца. Выявлены доминирующие факторы, определяющие размер заусенца. Предложены технологические решения борьбы с образованием заусенцев.

Ключевые слова: плоское шлифование, заусенцы на кромке, клиновидные изделия, заготовки.

Яркими представителями клиновидных изделий являются плоские ножи с прямолинейной режущей кромкой лезвия, широко используемые в полиграфической, легкой и деревообрабатывающей промышленности. Угол заострения таких ножей находится в пределах 16°...24°, а ножей раскройного станка - 18°...26°. Причём протяжённость режущей кромки (длина ножа) может достигать 1,5...2 м и более, тогда как ширина и толщина ножа составляют не более 150 и 15 мм соответственно (раскройный нож 300x8x2,5).

При изготовлении ножей и восстановлении

А. Ш. Хусаинов, И. С. Антонов, 2006

Рис. 1. Схема установки плоского ножа с прямолинейной режущей кромкой на шлифовальной (заточной) операции: 1 - корпус ножа; 2 - вставка из инструментального материала; 3 - стол станка (приспособления). 1 - длина консоли ножа; Ь, IV- ширина обрабатываемой поверхности соответственно вставки

и ножа в целом; а - угол клина

их режущих свойств (переточке) (рис. 1 ) к качеству обработки предъявляется целый ряд требований, большинство из которых сравнительно легко реализуемо. Однако обеспечение перечисленных ниже требований к точности формы режущей кромки ножа является достаточно сложной технологической задачей: радиус округления режущей кромки должен быть не более 0,005...0,008 мм; заусенцы на режущей кромке недопустимы; отклонение от прямолинейности режущей кромки ножа не более 0,05 мм, период стойкости - не менее 7 часов.

Заусенцы образуются вследствие деформации клина под действием нормальных к обрабатываемой поверхности сил шлифования. Естественно, что чем меньше угол клина заготовки, чем больше силы шлифования, тем больше упругие и пластические деформации клина, тем больше заусенец, что подтверждается опытом изготовления и эксплуатации ножей в промышленности. На металлорежущих инструментах из быстрорежущей стали, твёрдых сплавов или сверхтвёрдых материалов с углом клина более 70°...80° заусенцы, как правило, не образуются. Тогда как на плоских бумагорезных и деревообрабатывающих ножах с углом клина менее 45°, изготовленных из инструментальных сталей (9ХФ, 9ХС, PI8 и др.), заусенец при шлифовании образуется всегда. Кроме того, в результате отжатая лезвия под действием силы шлифования фактическая величина радиуса округления кромки лезвия может превысить нормируемую.

Деформация клиновидных заготовок (КВЗ) приводит к существенному снижение фактической глубины шлифования, а следовательно, к неравномерному съёму припуска как по ширине заготовки (на её клиновидной и массивной частях), так и от прохода к проходу (на части шлифуемой поверхности заготовки, прилегающей к кромке) и, в итоге, к росту погрешности формы ножа.

Очевидно, что при формировании заусенца и радиуса округления кромки лезвия доминирующим является силовой фактор процесса обработки. При формировании же стойкостных качеств изделия, зависящих от качества поверхностного слоя материала, доминирует тепловой фактор. Теплонапряжённость процесса шлифования КВЗ рассмотрена в других работах, а для выяснения значимости факторов, влияющих на образование заусенцев, разработана математическая модель упругой деформации лезвия КВЗ под действием распределённых сил при плоском торцовом маятниковом шлифовании (заточке). Моделирование позволит разработать технологические регламенты, обеспечивающие снижение или полное

исключение образования заусенца, а также выполнение требований к радиусу округления кромки лезвия.

Основными факторами, определяющими деформацию лезвия при его шлифовании, являются угол клина, длина консоли (см. рис. 1) и вертикальная составляющая силы шлифования, равномерно распределенная по ширине массивной части КВЗ и неравномерно распределенная по ширине нежёсткой (консольной) части лезвия, что связано с изменением глубины шлифования при деформации КВЗ.

Физико-механические свойства материала лезвия, в том числе его упругие свойства, оцениваются модулем упругости Е.

Шлифовальный круг (ШК), взаимодействуя с заготовкой, движется вместе со шпиндельной бабкой (станок ТчН 21 - 5) в направлении оси х, перпендикулярной к плоскости рис. 2 и направленной вдоль кромки лезвия. Так как длина ножа во много раз превышает его ширину, а шлифование осуществляют без поперечной подачи (вдоль оси г), то можно допустить, что деформации заготовки при прохождении ШК будут идентичны практически на всём протяжении заготовки вдоль оси х (кроме зоны врезания и выхода ШК), а следовательно, для упрощения модели можно принять плоскую схему, и деформации вдоль оси х не рассматривать.

На шлифуемой поверхности лезвия КВЗ шириной АС (см рис. 2) действует линейно распределенная нагрузка /?/ (Н/мм). Причём если допустить, что лезвие абсолютно жёсткое, то эта нагрузка равномерно распределена вдоль оси г, так как условия взаимодействия абразивных зёрен круга с абсолютно жёсткой заготовкой по этой оси одинаковы. В действительности перетачиваемые ножи или КВЗ закрепляют на столе станка или в приспособлении таким образом, чтобы лезвие консольно выступало над столом станка (см. рис. 1) и ШК гарантированно не мог

Рис. 2. Схематизация упругой деформации лезвия заготовки с углом клина а под действием распределенной переменной нагрузки р в зоне шлифования

контактировать с деталями технологической оснастки. Низкая жёсткость лезвия, закреплённого консольно с вылетом /, приводит к существенной деформации клина, следствием которой является снижение глубины шлифования, прогрессирующее по направлению к кромке лезвия.

Очевидно, что часть лезвия, лежащая на жёстком основании (см. рис. 1), не деформируется и выполняет роль «жёсткой заделки» консоли. Поэтому недеформируемую часть лезвия на схеме заменили «заделкой» (линия АВ с «заделкой» на рис. 2).

При углах лезвия 16°...24° соотношение 1/Ь = 3,49...2,25 (см. рис. 2) позволяет рассматривать лезвие как консольно закреплённую балку переменного сечения и применить соответствующий математический аппарат.

Рассматривая деформацию консольной балки с небольшими перемещениями, заменим распределённую нагрузку на участке между координатами /г и / сосредоточенной изгибающей силой:

Р = РгО~12)- (1)

Тогда изгибающий момент

М = F

l-h п (I ~ 12)

-- = Pi---

(2)

2 2 Момент инерции сечения балки по координате/г

5 j.b3-(l-lz)3

31

(3)

где 5i - ширина элементарного участка (по х), мм.

Тогда дифференциальное уравнение упругой балки в неподвижной системе координат YAZ будет иметь вид

5' М

(

1 + 8'

2 6

E-J

или

3-Р1-1

2-E-bj-У-(l-lz)

(4)

(; + б'2

где 5 - прогиб балки в направлении оси у, мм.

Учитывая, что распределённая нагрузка переменна по 2 и зависит от прогиба 8, примем зависимость нагрузки от глубины шлифования в виде эмпирической зависимости:

(5)

Ру - С ру

v3Xpy -(st -

где Хру, Уру, Сру - константы зависимости силы шлифования Ру от глубины шлифования Я, и скорости заготовки У3.

От сосредоточенной силы Ру перейдём к поверхностно-распределённой нагрузке р2, а затем к линейно-распределённой нагрузке р,\

Р2 =

/ -W'

' геом гг

Pl=P2b], (6)

где IV - ширина шлифования (в перпендикулярном к У3 направлении, т. е. по оси г), мм; 1геол1 -длина дуги контакта ШК - заготовка (вдоль х), мм.

Подставив (5) в (6) и в (4), а также учитывая Ь/1 = ^ а, окончательно после разделения переменных получим нелинейное дифференциальное уравнение второго порядка:

5" 3-Сру- У?»

(

1 + 8' 8 = 0

2 -(S( -8)Ypy

2-E-leeOM-W-tg3a(l-lz)

и

6 ' = 0

при

iz=o

(7)

Начальные условия 6 = 0 и 6х = 0 при /г = 0 постулируют отсутствие деформации и поворота консоли в заделке.

Для согласования с эмпирической зависимостью Ру от глубины шлифования 5", и скорости заготовки У3 (5) модуль упругости Е материала ножа следует представить в размерности Н/мм .

Выходным параметром математической модели является зависимость деформации 5 от расстояния /г до заделки.

Так как решить нелинейное дифференциальное уравнение (7) аналитическими методами нельзя, провели его численное решение методом Рунге-Кутта с помощью программы МаЛСАБ -2001.

Численное моделирование процесса плоского шлифования клиновидной заготовки показало, что врезная подача Я, не оказывает определяю-

s

5

rv

ОО

СО

СО <D

С?

Я

(Я 2 Си

о

•е*

V

0,018 -0,015

0,012

0,009

0,006

0,003

0 J

/ / 4 jJLJ * я7 * /л

Г

1 2 3 4 5

Расстояние до заделки ножа /2, мм

Рис. 3. Зависимость деформации 8 лезвия с углом клина 15° от расстояния 1г до его заделки при плоском

торцовом шлифовании: круг - 5-60x40x20 24А25НСМ17Б; заготовка - сталь ХВГ, ЖС 55...59;

Уу= 10 м/мин; СОЖ - 0,5 %-ный водный раствор кальцинированной соды, расход 3,5 дм3/мин: 1,2, 3 -врезная подача 5, соответственно 0,015, 0,01,0,005

мм/дв. ход

s

Гч

Ю £

CQ CO <U

5

Э

03

S

Cu

£ <u

et

0,02

0,015

0,01

0,005 -

0

1

Расстояние до заделки лезвия 1г, мм

Рис. 4. Зависимость деформации б лезвия клиновидной заготовки от расстояния 12 до его заделки при плоском торцовом шлифовании при длине консоли / = 5 мм: S, = 0,010 мм/дв. ход. Остальные условия см. в подписи к рис. 4: 1 - 4 - угол клина лезвия заготовки соответственно 15°, 20°, 25°, 30°

щего воздействия при формировании заусенца (рис. 4): трёхкратное увеличение глубины шлифования с 0,005 до 0,015 мм/дв. ход приводит к двукратному увеличению силы Ру, но деформация лезвия с углом клина 15° вблизи его кромки возрастает всего на 42 % - с 0,0116 до 0,0165 мм.

Следует заметить, что деформация лезвия вблизи кромки (/z -^5) при St= 0,005 и 0,01 мм/дв. ход превышает глубину шлифования, что свидетельствует о размыкании контакта ШК-заготовка. Это связано с поворотом лезвия при его деформации под действием распределённой нагрузки. Несмотря на размыкание контакта ШК - заготовка стрела прогиба при приближении к кромке продолжает нарастать (разумеется, теперь уже линейно).

После нескольких проходов ШК формируется заусенец толщиной 83, меньшей или равной упругой деформации лезвия 5. От прохода к проходу толщина заусенца практически не меняется, но растёт его ширина (по оси z на рис. 2).

Удаление заусенца на доводочной операции обычно выполняют абразивным бруском вручную, что приводит к образованию фаски. При

этом ширина фаски будут не меньше (а скорее, значительно больше) толщины заусенца 53.

Таким образом, установлено, что сила шлифования Ру не является доминирующим фактором в формировании заусенца при обработке ножей. Тем не менее, пренебрегать ею не следует, так как она изменяется в очень широком диапазоне, особенно если учесть накопление натяга в технологической системе при шлифовании от прохода к проходу. Натяг может быть существенно снижен, если применять врезную подачу на двойной ход, а не на каждый ход.

Следует заметить, что деформация лезвия существенна при углах клина меньше 30° (рис. 4).

Так, например, при длине консоли / = 5 мм деформация лезвия (толщина заусенца) превышает 5 мкм только при угле клина а < 25°. При углах клина больше 30° деформации не существенны. Причём зависимость деформации от угла клина носит выраженный гиперболический характер: при угле 25° деформация 8 = 3 мкм, при а = 20° б = 6 мкм, а при а - 15° 8 = 16 мкм.

Наиболее рациональным и эффективным путём уменьшения радиуса округления кромки (деформации лезвия) является уменьшение длины консоли. При длине консоли два миллиметра толщина заусенца не превышает 10 мкм, следовательно, радиус округления не превысит 5 мкм, что приемлемо и достижимо во всём диапазоне варьирования исследованными факторами. При нулевой длине консоли заусенец не образуется.

Хусаинов Альберт Шамилевич, доцент кафедры «Автомобили» УлГТУ, кандидат технических наук. Ведёт исследования технологии абразивной обработки тонкостенных и клиновидных заготовок.

Антонов Иван Степанович, доктор технических наук, заведующий кафедрой «Автомобили» УлГТУ. Область научных интересов - прочность и качество деталей машин.