Разработка и исследование инструмента и процесса плоского торцового шлифования дискретными абразивными сегментами

Процессы шлифования материалов занимают достойное место среди широко распространенных видов механической обработки в силу того, что они обеспечивают сравнительно низкую технологическую себестоимость, шероховатость, волнистость и высокую геометрическую точность шлифованных поверхностей. Шлифование постоянно совершенствуется: разработаны новые абразивные материалы, конструкции шлифовальных кругов, составы смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ), способы отвода тепла из зоны резания и др., что позволило расширить режимы бездефектного шлифования и повысить качество обработанных деталей. Получило дальнейшее развитие шлифование кругами с дискретной режущей поверхностью, которое обеспечивает положительные результаты при сравнительно небольших финансовых затратах, связанных с его практической реализацией.

Вместе с этим, существуют и разрабатываются новые процессы шлифования сборными абразивными кругами, характеризующиеся контактным взаимодействием режущих элементов инструмента и обрабатываемой заготовки одновременно по нескольким площадкам (назовем такой процесс многоточечным шлифованием). Многоточечное шлифование характеризуется значительно более высокой производительностью по сравнению с широко распространенным одноточечным шлифованием, при котором инструмент взаимодействует с заготовкой лишь по одной площадке. Однако, в процессе реализации многоточечного шлифования, вследствие контакта инструмента и заготовки одновременно по нескольким площадкам, возрастает количество источников тепла, что приводит к интенсивному тепловыделению и повышению температуры в зоне резания, вызывающей термические повреждения шлифованного поверхностного слоя деталей. Распространенное плоское торцовое шлифование сегментными кругами является многоточечным, а швтжшшшшттт ИНШШШИИ И II 1 В 1ИЛШИ ШН1Ш11Ш ¦¦¦¦ Я НШНШВШШШНШИ «11 1111 «, 11 111 111- ¦ НИ ИМЯ ВВИНШН! 6 площадь контакта абразивных сегментов с заготовкой достигает нескольких сотен квадратных сантиметров. В процессе плоского торцового шлифования известными кругами сегменты прижаты силой резания к обрабатываемой поверхности, вследствие чего доставка СОЖ в места контактна режущих абразивных зерен и связки с металлом заготовки невозможна.

В условиях, когда роль СОЖ практически нивелирована, обеспечение высокого качества поверхностного слоя возможно лишь путем значительного уменьшения режима резания, что неизбежно приводит к снижению производительности процесса обработки.

Из сказанного выше следует, что проблема обеспечения высокой производительности и качества деталей при плоском торцовом шлифовании абразивными сегментами со сплошной режущей поверхностью на данном этапе не решена, а поэтому необходимо проводить дальнейшие научно-исследовательские, опытно-конструкторские работы по снижению тепловой напряженности процесса.

Таким образом, разработка инструмента и процесса плоского торцового шлифования, обеспечивающего высокие скорости отвода тепла из зоны резания, повышение качества и производительности технологических операций, является актуальной научно-технической задачей.

Целью данной работы является повышение качества деталей и производительности процесса плоского торцового шлифования путем дискретизации режущей поверхности абразивных сегментов и подвода смазочно-охлаждающей жидкости в плоскость резания.

Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:

— проанализировать схемы дискретизации режущей поверхности абразивных сегментов и обосновать выбор схемы для практической реализации;

— на основе анализа напряженного состояния разработать методику расчета дискретных абразивных сегментов, обеспечивающую их высокую штчш&шжшшчшшштшмш та и ¦¦ лшмивш im an и"* ж um ihibik iibuiliii ju i tu и" bihiliiiiii i a Ii* ¦ ¦¦iniiaiuiiwiBJJiHHUBHHH 8 для доставки СОЖ в плоскость резания.

Работа содержит решение научно-технической задачи, заключающейся в разработке высокоэффективного инструмента и процесса дискретного плоского торцового шлифования, позволяющего повысить производительность технологической операции, показатели качества шлифованного поверхностного слоя деталей и уменьшить расход абразивного материала.

Чтобы подвести СОЖ непосредственно в источникам образования тепла в процессе резания, на режущей поверхности сегментов выполнены участки прерывания малой протяженности, которые не только снижают температуру в зоне шлифования за счет термоциклирования заготовки, но и позволяют разогнать СОЖ до скорости резания и направить ее в плоскость резания.

Для обоснованного выбора схемы дискретизации режущей поверхности абразивных сегментов, с целью последующей ее практической реализации, разработаны критерии оценки [20] и выполнен анализ известных и предложенной схем [25].

В итоге проведенного анализа выбрана схема дискретизации, наиболее полно отвечающая разработанным критериям и реализованная в виде продольных глухих каналов на установочной базовой плоскости сегментов.

В результате теоретических исследований напряженного состояния дискретных абразивных сегментов с каналами разработана методика расчета, обеспечивающая высокую их механическую прочность, что позволяет интенсифицировать шлифовальные операции без опасения разрушения сегментов под действием рабочей нагрузки.

Обоснован способ подвода СОЖ по открытым каналам, который реализован на практике и обеспечивает гарантированную ее доставку со скоростью резания в локальные площадки контакта абразивных зерен с металлом обрабатываемой заготовки.

Проведено моделирование температуры заготовки с использованием.

II Ш —¦——МИД111В1Ы111Ш1 111 111ННП ШИШШШ!!! 111Ш111—1В11Ш В111В1Ш111[11иШШ1И11ЦИЫШ111 пшяяш 9 метода конечно-элементного анализа, реализованного в современном САЕ-комплексе CosmosWorks. Моделирование позволило определить степень снижения температуры заготовки за счет дискретизации режущей поверхности сегмента.

Для изготовления дискретных абразивных сегментов разработана пресс-форма и отработан процесс их формования на автоматически действующем прессовом оборудовании.

Недопустимое засорение открытых каналов дискретных сегментов отходами шлифования, обнаруженное в процессе шлифования заготовок, потребовало вскрытия его причины и механизма, для этого проведены исследования аэродинамических потоков, генерируемых быстро вращающимся инструментом.

Приведенное в работе решение ряда сложных вопросов, связанных с обеспечением высокой механической прочности дискретных сегментов, существенным снижением температуры, устранением засорения каналов, гарантированной доставкой СОЖ в плоскость резания и др. позволило разработать методику реализации процесса дискретного плоского торцового шлифования, обеспечивающего повышение качества деталей и производительности процесса обработки.

Научная новизна работы:

— установлены закономерности влияния конструктивно-технологических факторов инструмента и процесса дискретного плоского торцового шлифования сегментами с каналами и подводом СОЖ в плоскость резания на показатели качества деталей, скорость съема металла, расход абразива, коэффициент шлифования и производительность технологической операции;

— впервые вскрыт механизм засорения каналов абразивных сегментов отходами шлифования и предложены технические решения, направленные на устранение засорения путем создания преграды движущимся аэродинамическим потокам в виде электромагнитного поля или высоконапорных струй жидкости, генерируемых вращающимся инструментом. Решения защищены патентами РФ № 2 385 215, 24 171 494;

Автор выносит на защиту:

— анализ напряженного состояния дискретного абразивного сегмента с продольными каналами, обоснование инерционного способа подачи СОЖ в плоскость резания;

— процесс формования дискретных абразивных сегментов с каналами;

— конструкцию, аэродинамику дискретного торцового шлифовального инструмента и технические решения по устранению засорения каналов сегментов отходами шлифования;

— аналитические и экспериментальные модели показателей качества и производительности процесса дискретного плоского торцового шлифования и методику его реализации.

Практическая значимость и реализация работы Предложено производству:

— конструкция пресс-формы и абразивного сегмента с открытыми каналами, а также процесс формования сегментов;

— конструкция дискретного инструмента для плоского торцового шлифования, обеспечивающая подвод СОЖ в плоскость резания;

— методика реализации эффективного процесса дискретного плоского торцового шлифования.

Шлифовальный инструмент и процесс дискретного плоского торцового шлифования испытаны и рекомендованы к внедрению в условиях ОАО «Производственное объединение Муромский машиностроительный завод». В условиях механического завода № 8 (г. Касимов) используются чертежи пресс-формы и режим обработки свободным абразивом рабочих поверхностей пуансонов и продольных стержней. Результаты работы используются в учебном процессе кафедры «Технология машиностроения» Владимирского.

ИМИИ— ¦¦¦¦¦.МИМ, НИ ИМИII Ц|| Ш 1(11 11 ¦ ¦ ¦¦11Н1Ш1111В11 ¦¦ 111МШ1Н1Н1Ш11ШЯ1Л11НИ1Ш1II.

11 государственного университета.

Апробация работы.

Основные положения диссертации доложены на Всероссийской НТК.

Теплофизика технологических процессов" (г. Рыбинск: РГАТА, 2005) — Всероссийской НТК «Повышение эффективности механообработки на основе моделирования физических явлений» (г. Рыбинск: РГАТА, 2009) — Международной НТК «Повышение качества и эффективности производства» (г. Курган: КГУ, 2006) — Международной юбилейной НТК «Инструментальные системы машиностроительных производств» (г. Тула, ТулГУ, 2008) — Ш-й Международной научно-практической конференции (г. Невинномысск: Невинномысский институт экономики, управления и права, 2009) — Международной НТК «Инновационные технологии в автоматизированном машиностроении и арматуростроении» (г. Курган: КГУ, 2010) — межкафедральном научно-техническом семинаре механико-технологического факультета и заседаниях кафедры «Технология машиностроения» Владимирского государственного университета.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 13 научных трудов, в том числе 4 статьи в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК РФ, два патента РФ на изобретение.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.

1. На основании проведенных исследований решена актуальная научно-техническая задача повышения качества деталей и производительности процесса плоского торцового шлифования путем дискретизации режущей поверхности абразивных сегментов, конструкторско-технологического обеспечения процесса и инерционного подвода смазочно-охлаждающей жидкости в плоскость резания.

2. В результате анализа схем дискретизации режущей поверхности абразивных сегментов выбрана схема, реализованная в виде открытых.

Ш1ШШ1ШШИШ !¦¦¦! 111В1111 ¦¦¦МП НИ 11 II¦¦ШИПИ 11—1111 «¦—¦1"11И ¦ ¦ ¦!!¦¦

12 каналов со стороны установочной плоскости сегмента. На основании анализа напряженного состояния сегментов с открытыми каналами разработана методика инженерных расчетов, обеспечивающая высокую их механическую прочность, что позволяет применять дискретные сегменты в процессах интенсивного шлифования, а, следовательно, повысить производительность технологических операций.

3. Исследования теплообмена в зоне резания при подаче СОЖ по открытым каналам сегментов подтвердили возможность уменьшения температуры обрабатываемой поверхности заготовки в 2,5 раза по сравнению с подачей поливом, применяемой в условиях производства. Моделирование температуры с использованием современного САЕ-комплекса С08М08УХЖК8 показало, что лишь одна дискретизация режущей поверхности сегментов приводит к уменьшению температуры обрабатываемой поверхности заготовки на 40%.

4. Разработаны средства реализации процесса формования сегментов с открытыми каналами и сформулированы требования к прессовому оборудованию и технологической оснастке, обеспечивающие высокую производительность формования и качество сегментов: стержни и пуансон должны изготавливаться заодно целоемаксимальный зазор в сопряжении направляющих скалок-втулок — не более 50 мкм, шероховатость рабочих поверхностей пуансонов и стержней Ка < 0,32 мкм, а абразивная масса должна расходоваться в течение 6 часов с момента ее приготовления.

5. Установлено, что дискретный торцовый шлифовальный круг генерирует в процессе работы мощные аэродинамические потоки, которые, двигаясь внутрь инструмента, увлекают отходы шлифования, что приводит к засорению открытых каналов и ухудшению всех показателей процесса. Предложенные решения по устранению засорения каналов основаны на создании преграды движущимся аэродинамическим потокам в виде электромагнитного поля, а также скоростного напора СОЖ и защищены.

Hill.

HIB.

IM патентами Российской Федерации.

6. Установлено, что минутный съем металла при шлифовании дискретным кругом больше в 1,28−2,10 раза, коэффициент шлифования в 610 раз, а минутный расход абразива в 1,8−2,6 раза меньше, чем при обработке известным кругом, что свидетельствует о явных преимуществах разработанного процесса дискретного плоского торцового шлифования с подводом СОЖ в плоскость резания.

7. Доказана возможность применения более твердых дискретных абразивных сегментов (на две-три степени тверже сплошных сегментов) и увеличения бесприжоговой вертикальной подачи инструмента от 0,3 до 0,6 мм/мин, что в сочетании с высокой эффективностью действия СОЖ приводит к повышению качества деталей, увеличению технологической, цикловой и технической производительности соответственно в 1,9- 1,7 и 1,6 раза, а также к экономии абразивного материала. Микротвердость обработанного поверхностного слоя повышается на 35%, а шероховатость поверхности уменьшается с Ra = (1,25 — 1,40)мкм до Ra = (1,0 — 1Д) мкм.

8. Результаты проведенных теоретических, однофакторных и многофакторных экспериментальных исследований позволили создать научную и методическую базу для разработки перспективного шлифовального инструмента и процесса дискретного плоского торцового шлифования с инерционным подводом СОЖ в плоскость резания, значительно опережающих по своим функциональным возможностям существующие аналогичные процессы и шлифовальные инструменты.

Разработанный инструмент и процесс испытаны и рекомендованы к внедрению в производство ОАО «Производственное объединение Муромский машиностроительный завод». Результаты исследований используются в учебном процессе. Ожидаемый годовой экономический эффект, обусловленный повышением производительности процесса шлифования и экономией абразивного материала, составляет около 715 тыс. рублей.

НЦШ1"р1чаи | |ццц иивиш 11ИИ1—МИ""—1"И1И1 1Ш (ШШПЕШШВШЩШКНИП ШШП ШНШН1 В.

Выводы.

1. Для реализации процесса плоского торцового шлифования с использованием разработанного инструмента необходимо выполнить следующие процедуры: назначить твердость дискретных абразивных сегментов на две-три степени выше твердости стандартных абразивных сегментов, рассчитать число и размеры продольных каналов сегментов и проверить механическую прочность дискретных сегментов путем расчета опасных сечений по разработанной методикеиспользовать электромагнитное устройство, уменьшающее засорение инструмента отходами шлифования, и картонные прокладки, изолирующие продольные каналы сегментов.

2. Предложена методика реализации эффективного процесса дискретного плоского торцового шлифования, содержащая рекомендации по разработке и подготовке к работе дискретного шлифовального инструмента. Для устранения бесполезных утечек СОЖ и гарантированной ее доставки в локальные точки контакта абразивного материала сегментов с металлом заготовки подводящие каналы рекомендуется покрывать тонким слоем i шлишшщиш111 iiна 1 111 111 111 111.1 !№¦¦¦"'" ¦"—при «им щи ¦¦¦11и1"и"ш|шиг ш1ми1н ншвп1ин1.

154 влагонепроницаемой пленки, устранить выброс СОЖ вверх из инструмента путем выполнения в верхней части сегмента перегородки, формируемой на стадии прессования дискретного сегмента.

3. Для предварительного шлифования дисков трения назначаем частоту главного вращательного движения дискретного торцового шлифовального круга п = 980 мин-1- частоту вращения рабочего стола с заготовками назначаем пст = (24—32) мин-1- вертикальную подачу дискретного шлифовального инструмента назначаем из условия обеспечения максимального минутного съема металла и достаточности мощности привода главного движения. Этим условиям для шлифования дисков трения соответствует значение вертикальной подачи 5 В = 0,4 — 0,6 мм/мин. Рекомендуемый расход смазочно-охлаждающей жидкости С) = (38—40) ¦ 10″ 3 м³.

4. Для окончательного шлифования дисков трения режим резания назначаем исходя из обеспечения требуемых показателей качества обработанного поверхностного слоя: шероховатости поверхности, коробления шлифованной поверхности, отсутствия прижогов, Рекомендуемый режим резания: частота вращения дискретного торцового шлифовального круга п = 980 мин-1- частота вращения рабочего стола с заготовками пст = (8—12) мин-1- вертикальная подача 5 В = (0,1 — 0,3) мм/мин. Рекомендуемый расход смазочно-охлаждающей жидкости (^=(28−30) ¦ Ю" 3 м³.

5. Результаты производственных испытаний дискретного инструмента и процесса полностью подтвердили выводы теоретических исследований и показали явные преимущества разработанного круга. Конкретные данные о повышении эффективности нового процесса и шлифовального инструмента приведены в акте испытаний, представленном в приложении 1.

6. В условиях ООО «Касимовский механический завод № 8» используются сборочные чертежи пресс-формы для формования абразивных.

I III il JlJ .¦¦¦¦¦¦¦¦¦¦¦^^¦¦¦¦??^^^¦¦¦¦¦^^¦H.

155 сегментов трапецеидального поперечного сечения с продольными каналами типа 5СЗ— 150—40 — 80, выполненными на установочной плоскости абразивных сегментов (приложение 2). Используется режимы обработки свободным абразивом рабочих поверхностей пуансона и продольных стержней. Обдувка свободным абразивом позволила устранить ручную доводку рабочих поверхностей пуансонов и жестко прикрепленных к нему стержней до требуемого значения среднего арифметического отклонения профиля Ra <0,32 мкм. Результаты работы используются в учебном процессе.

7. Ожидаемый годовой экономический эффект от повышения производительности процесса дискретного плоского торцового шлифования дисков трения и экономии абразивного материала составляет около семисот пятнадцати тысяч рублей. мцнинщщшдццЩЖЯЯЖШШШЯЩШШЖЖЯШтЖШШЖШт, Ш IIIHIiBIilIiHUBIlHH, HllllVMi.