Повышение эффективности шлифования за счет правки шлифовальных кругов с применением ультразвуковых колебаний

В современном машиностроительном производстве особое место среди процессов механической обработки занимает процесс шлифования заготовок. Обеспечение высокой производительности, качества и экономических показателей изготовления деталей машин связано с применением современного шлифовального оборудования, шлифовального инструмента, научно-обоснованных режимов шлифования. Важную роль в повышении эффективности процесса шлифования занимает правка шлифовальных кругов, связанная с восстановлением их геометрической формы и режущей способности. Алмазный правящий инструмент (ПИ) формирует в процессе правки рельеф рабочей поверхности круга (РПК). от которого во многом зависит эффективность операции шлифования. Особое значение алмазная правка шлифовальных кругов имеет в современном автоматизированном производстве. Правка производится в автоматическом режиме и ПИ должен обладать высокой стойкостью и стабильно восстанавливать профиль и рельеф РПК Однако ПИ при эксплуатации изнашивается, а с ростом площадок износа на вершине правящего алмаза постепенно увеличивается степень.заглаживанииРПК. снижается режущая способность круга, приводящая в итоге к изменению уровня и стабильности показателей операции шлифования. Одним из перспективных путей решения этой проблемы является применение правки шлифовальных кругов с наложением на правящий инструмент колебаний ультразвуковой частоты. Исследования последних лет показали ее эффективность. Вибрационный процесс правки шлифовального круга приводит к повышению его режущей способности, а соответственно стойкости и. как следствие, к снижению сил резания и температур при шлифовании, повышению качества шлифованных поверхностей. Однако исследования выполнялись преимущественно для стержневых однокристальных инструментов. Имеются неоднозначные результаты исследования шероховатости поверхностей после применения ультразвуковой правки (УЗП) круга. Исследования особенностей износа алмазного ПИ при правке с наложением механических колебании носят противоречии!, ii характер ] [р.-к" 1И'[сски отсутствуют работы, описывающие взаимосвязь износа вершины алмаза со стабильностью качества шлифованных поверхностей. Нет полноценных рекомендаций для разработки и внедрения способов, устройств и инструмента УЗП шлифовальных кругов на автоматизированном оборудовании в условиях массового производства. В связи с этим, работа, направленная на повышение эффективности процесса шлифования путем УЗП шлифовальных кругов, является актуальной. Работа выполнена в соответствии с Генеральным договором о сотрудничестве между Тольяттинским государственным университетом и ОАО «АВТОВАЗ» № 33 на 2001;2005 годы п. 1.1.9 и п. 2.2.5.Цель работы. Повышение эффективности процесса шлифования изделий за счет правки шлифовальных кругов с использованием ультразвуковых колебаний. Задачи: 1. Разработана и экспериментально проверена математическая модель, устанавливающая связь между геометрической формой рабочей поверхности правящего алмаза, глубиной правки и параметрами УЗ-колебаний ПИ.

2. Разработана и экспериментально проверена математическая модель силового взаимодействия правящего алмаза с абразивными зёрнами круга, учитывающая параметры УЗ-колебаний ПИ, геометрические и физико-механические свойства взаимодействующих при правке тел.3. Исследовано влияние УЗ-колебаний на основные показатели процесса правки кругов с учётом характера и величины износа ПИ.

4. Исследовано влияние УЗП на уровень и стабильность основных показателей процесса шлифования с учётом степени износа ПИ.

5. Разработаны способ УЗП шлифовальных кругов, конструкция ПИ и устройство для промышленной реализации.6. Внедрены основные результаты исследований в автоматизированное массовое производство. Научная новизна. Разработана и экспериментально проверена математическая модель, устанавливающая связь между геометрической формой рабочей поверхности правящего алмаза, образовавшейся в процессе износа, глубиной правки и параметрами УЗ-колебаний ПИ. Разработана и экспериментально проверена математическая модель силового взаимодействия правящего алмаза с абразивными зёрнами шлифовального круга. Модель учитывает распределение вершин а.з. в поверхностном слое круга, действительную геометрическую форму рабочей поверхности алмаза, физико-механические свойства взаимодействующих тел, элементы режима правки, силу удара, параметры УЗколебаний ПИ и позволяет определить максимальное значение радиальной составляющей силы правки, а также процентное содержание объёмно-разрушаемых а.з. круга, находящихся в слое, равном глубине правки. Получены на основе экспериментального исследования математические модели, устанавливающие связь между параметрами колебаний ПИ. формой его рабочей поверхности и параметрами рельефа РПК и. как следствие, основными показателями процесса шлифования. Практическая ценность и реализация работы. На основе теоретического и экспериментального исследования процесса УЗП и последующего шлифования разработаны способ, устройство и инструмент, входящие в состав комплекса УЗП шлифовальных кругов. Комплекс УЗП обеспечивает стабильную работу в условиях массового автоматизированного производства. Комплекс УЗП внедрен в основное производство ОАО «АВТОВАЗ») с экономическим эффектом 508.5 тыс. руб. (без коррекции цен от 1991 по 2005 годы), а также на ОАО «ГАЗ» и ОАО «Минский подшипниковый завод» на операциях круглого наружного, внутреннего и фасонного шлифования, и в учебный процесс Тольятти некого государственного университета. Отдельные результаты работы были представлены в 1993 — 2003 годах на выставках-ярмарках в России (Москва. С-Петербург.Н. Новгород), а также в Венгрии — 1995 г. Германии — 1997 г. Сингапуре — 1993 г., Турции — 2002 г. Франции — 2003 г. Швейцарии — 2000 г. Автор награжден двумя ОвребрЯВЫМВ медалями ВДНХ СССР. По теме диссертации опубликовано 27 научных работ, в том числе получено 11 авторских свидетельств и патентов на изобретения. Автор защищает: 1. Результаты теоретического исследования силового взаимодействия алмаза ПИ и абразивного зерна (аз.) круга, учитывающего действительную форму рабочее поверхности алмаза, параметры УЗ-колебании ПИ и его влияния на формирование рельефа РПК 2. Результаты экспериментального исследования влияния УЗП на основные показатели правки кругов — параметры рельефа РПК, форму рабочей поверхности и износ ПИ. силы правки.3. Результаты экспериментального исследования влияния УЗП на основные показатели процесса шлифования — силы резания, съем металла, уровень и стабильность шероховатости шлифованных поверхностей.4. Методику расчета параметров многокристального ПИ и условий УЗП круга.5. Результаты промышленного внедрения способа, устройств и инструмента УЗП шлифовальных кругов в автоматизированное массовое производство. Диссертация состоит из пяти глав, основных выводов по работе, списка литературы и приложений. В первой главе приведён обзор публикаций отечественных и зарубежных учёных в области шлифования и особенно в области исследований различных методов и средств правки шлифовальных кругов. Во второй главе представлены результаты аналитического исследования особенностей износа и силового взаимодействия вершины ПИ с абразивным зерном. Уточнён ыех&ИШЫ формирования микрои макрорельефа круга на основе изучения взаимодействия вершины правящего инструмента с РПК при обычной и ультразвуковой правке. Показано, что при обычной правке круга, работающего в режиме «затупления зерна», рабочая часть алмазных кристаллов ПИ изнашивается во времени эксплуатации ПИ. что приводит к нестабильности производительности и качества шлифования. При УЗП рабочая часть алмазных кристаллов ПИ прирабатывается, форма её стабилизируется, что положительно сказывается на стабильности производительности и качества шлифования изделий. Рассмотрен процесс ударного взаимодействия правящего алмаза и абразивного зерна круга, а также упругого деформирования зерна во время удара в направлениях вектора скорости круга и продольной подачи ПИ. Приведены аналитические зависимости возникающих при этом сил. Аналитически и графически представлена зависимость общей силы взаимодействия вершины ПИ с абразивным зерном от времени удара как в процессе ОП. так и УЗП. позволяющая прогнозировать процессы, протекающие в зоне правки и управлять выходными параметрами процесса правки. В третьей главе представлены результаты экспериментальных исследований процессов обычной и ультразвуковой правки — износа алмазов ПИ. формирования рельефа РПК. сил правки. Результаты выполненных исследований позволяют утверждать, что амплитуда и частота ультразвуковых колебаний ПИ являются эффективным средством управления параметрами рельефа РПК и позволяют формировать и поддерживать оптимальный рельеф РПК для конкретной операции шлифования, причем, практически независимо от степени износа ПИ. В четвертой главе приведены результаты исследования влияния правки на показатели процесса шлифования. Исследовано влияние УЗП на показатели цикла автоматизированного шлифования. Выполнен статистический анализ влияния правки круга на уровень и стабильность шероховатости шлифованных поверхностей. В пятой главе представлены способ, устройство и многокристальный правящий инструмент для УЗП. Сформулированы практические рекомендации по их применению в условиях автоматизированного производства. Приведены результаты внедрения разработок в производство. Комплексы УЗП внедрены на ОАО «АВТОВАЗ» в механосборочном производстве на автоматических линиях при шлифовании ряда деталей — вала вторичного КПП 2101. вала первичного КПП 2105. вала первичного КПП 21 083. корпуса дифференциала 2108/83. стержня клапана впускного 2108/81. стержня клапана выпускного 2108/81 и др. Технология УЗП внедрена также на ОАО «ГАЗ» и ОАО «Минский подшипниковый завод» на операциях круглого наружного и внутреннего шлифования различных деталей.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

1 Разработаны математические модели, устанавливающие связь между геометрической формой рабочей поверхности алмаза, образовавшейся в процессе износа, глубиной правки и параметрами ультразвуковых колебаний правящего инструментаУстановлено, что при обычной правке рабочая поверхность алмаза правящего инструмента изнашивается с образованием ступени, в Для ультразвуковой правки характерен белее стабильный равномерный износ по всей поверхности алмаза.

2. Разработана и экспериментально проверена математическая модель радиальной составляющей силы правки за период вынужденных колебаний правящего инструментаМодель учитывает действительную геометрическую форму рабочей поверхности алмаза, силу улара, распределение вершин зерен в поверхностном слое шлифовального круга и параметры вынужденных колебаний правящего инструмента. Модель позволяет оценить изменение максимальной н средней величины радиальной составляющей силы правки во времени взаимодействия зёрен круга с правящим алмазом.

3. Разработана и экспериментально проверена математическая модель радиальной составляющей силы правки действующей во время соударения правящего алмаза с зёрнами крута. Модель позволяет: определить максимальное значение радиальной составляющей силы правки н рассматривать её как функцию от параметров вынужденных колебаний правящего инструмента, геометрических и физико-механических свойств взаимодействующих при правке тел, режима правкипрогнозировать величину относительной опорной поверхности рельефа круга после его правки по аычисдениому процентному содержанию обьСмно-разрушаемых зёрен круга, находящихся в слое, толщина которого равна глубине правки.

4. Устшювлегт степень влияния амплитуды н частоты колебаний правящего инструмента на параметры рельефа рабочей поверхности шлифовального крут Показано, что средний шаг между абразивными зернами после ультразвуковой правки возрастает, а относительная опорная длина профиля круга снижается в 2 — 3 раза, но сравнению с обычной правкой.

5. Эхспертеиталыи" установлено, что лоаышемне частоты и амплитуды колебаний правящего инструмента увеличивает импульс силового воздействия на абразивные терна круга, но снижает среднюю енлу в зоне правки. С увеличением амплитуды колебаний правящего инструмента средняя радиальная составляющая силы правки снижается.

6. Выявлено, что режущая способность шлифовального крута при ультразвуковой правке в меньшей степени, чем после обычной правки. зависит ut действительной формы и размеров изношенной части правящего инструмента. Это приводит к снижению размерного износа правящего инструмента при ультразвуковой правке по сравнению с обычной правкой в 1,3 — 1,8 раза и обеспечивает повышение ресурса правящего инструмента в 1,5 — 4 раза и стабильности основных показателей шлифования.

7. Установлена связь между параметрами колебаний правящего инструмента, силой резания, мощностью н протводнтельноегью шлифования. Ультразвуковая правка крути обеспечивает снижение силы шлифования и повышение производительности обработки с автоматическом цикле на 10. 20%,.

8. Установлена связь между параметрами колебаний правящего инструмента. уровнем и стабильностью качества шлифованных поверхностей Показано, что точность размером деталей и шероховатость шлифованных поверхностей более стабильны при использовании ультразвуковой правки.

9. Разработаны способ, устройство и правящий инструмент, обеспечивающие реализацию метода ультразвуковой правки в автоматизированном массовом производстве.

10. Производственные испытания комплекса ультразвуковой правки шлифовальных кругов подтвердили рекомендации, вытекающие из результатов исследования, Основные результаты работы внедрены в механосборочном производстве ОАО < АВТОВАЗ" (г. Тольятти), в ОАО «Минский подшипниковый завод» (г Минск). ОАО «ГАЗ» (И, Новгород). а также в учебном процессе в Тольятптнском государственном университете.

5.2. ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ, ВЫТЕКАЮЩИЕ ИЗ РЕЗУЛЬТА ТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ.

5.2.1, Технологические рекомендации.

Вы&ор чаепнтш выщж^пыых кмеАяний ПИ.

Частота ^ вынужденных колебаний Г1И не может являться управляющим параметром, так какво-первых. се изменение связано с заменой ультразвуковой колебательной системы (УЗКО (нарушается рею-нансный режим) — во-вторых, разрешается использовать в технологических установках не любые частоты, а только определённые по ГОСТ (6165−80.

Из п. 5.1.1 известно, что если:

5.12) то рельеф РПК состоит из двух составляющих — геометрической (волнистая поверхность с длиной волны равной А/я и ударно-импульсной (в виде многочисленных сколов вершин абразивных зерен и мнкротрешнн на этих вершинах). А если:

5−13) то геометрическая составляющая исчезает полностью н остаётся тазько удлрио-импудьснм составляющая.

Условие (5.13) можно назвать условием независимости параметров рельефа РПК от длины волны результирующего воздействия РЧПИ на РПК при УЗП. Из этого условия следует.

К р.

Практически для процесса УЗП можно использовать определённые по ГОСТ I6I6J-80 частоты: (18 ± 1.26) кГц. (22 ± 1,54) кГц- (44 ± 3,08) кГц, (66 ± 4,62) кГц Другие частоты не приемлемы и>за слишком больших или стишком малых резонансных размеров УЗКС. Оптимальным является диапазон (22 я (.54) кГц, так как резонансные рзтмеры.

УЗКС согласуются с размерами констру кций большинства ПИ и пнмо-лей механизмов правки шлифовального оборудования В данном диапазоне можно получить амплитуду колебаний ПИ до 20 мкм н обеспечить необходимую прочность УЗКС. что позволяет конструировать устройства УЗП, работающие длительное время,.

Резервом в кратном изменении частоты результирующего воздействия РЧПИ ил РПК является расположение правящих кристаллов в связке ПИ, согласно выражению (5.1).

Выбор амплитуды вынужденных колебаний ПИ Теоретическое и экспериментальное исследования процесса УЗП показали, что амплитуда Аш вынужденных колебаний ПИ может являться управляющим параметром для обеспечения требуемых эксплуатационных свойств шлифовального крута, так как: с одной стороны, се влияние на формирование рельефа РПК превалирует над влиянием других параметров, с другой стороны, установка определенного значения и поддержание его на определенном уровне достигается достаточно легко.

Чем меньше значение амплитуды колебаний ЛИ, тем рельеф РПК менее разновысотный, а относительная опорная поверхность круга увеличивается. Круг с таким рельефом не пригоден к производительному шлифованию, но рекомендуется для образования низких значений шероховатости шлифуемых поверхностей заготовок.

С возрастанием амшнгтуды колебаний рельеф РПК становится более разновысотным. а относительная опорная поверхность круга уменьшается. Круг с таким рельефом пригоден к производителыюму шлифованию, но с образованием более высоких значений шероховатости.

Поотоцу в практике абразивной обработке, ял* каждой конкретной операции шмфоимт амплитуду вынужденных колебаний ГШ необходимо определять из диапазона:

Максимальное значение амплитуды Атах определяется из условия объемного разрушения абразивного зерна шлифовального крута. Из второй главы известно выражение предельной разрушающей силы сжатия (2.81 к Используя соотношение между силой, скоростью и механическим сопротивлением, можно оценить значение амплитуды ^ац:

1″.

0.33−17.

IS. IS).

111 результатов экспериментальных исследований н производственных испытаний процесса УЗП следует, что практически величину можно ограничить значением 20 мкм.

Поэтому, разрабатывал генератор УЗ-колебаннЯ и устройство УЗП. необходимо предусмотреть, чтобы амплитуда Аа вынужденных колебаний ИИ могла принимать фиксированные значения в диапазоне 0 20 мкм.

Ubifop глубины правки в процессе УЗП.

Максимально-допустимая толщина Vi слоя абразивного материала, срезоемого с РПК за один проход ПИ, при условии обязательного выхода вершин кристаллов ПН за пределы РГ1К (образование зазора между вершинами кристаллов и РПК). определяется по выражению (5,14). Это условие обеспечивает существенное повышение ресурса работы ПИ за счйт снижения скорости износа РЧПИ, но. технологически, оно не является обязательным.

Практически, при использовании условия независимости (5.33) н профиля шлифовального круга простой формы, выражение (5.11) упрек ищется и глубина правки i, ьа один проход ПН определяется диапазоном:

0£ГЛ£2'4, (5.17).

5.2.2. Конструктивные рекомендации.

Дня обеспечения Нормальной работы устройства УЗП в течении длительного времени важно не только рассчитать конструкцию УЗКС ио и правильно собрать ее, Особое внимание следует уделить сборке резьбовых соединений «с упором в торцы» звеньев УЗКС. а именно осевой силе затяжки, которую определяют согласно неравенству /84/: f (l-Х)-Рр. при 7*0,5 (j.ia).

U1РР* «Рн *>0−5 где Рт — осевая сила затяжки соединения. Н: х ~ коэффициент рабочей нагрузки: -if номер элемента ре"ьбового соединениял V количество элече4гпю соединения, шг, р, коэффициент подат. зивости гпо элемента соединения, соответствует укорочению или удд нненню /-го элемента под действием единичной осевой силы, м/Н- - коэффициент податливости элемента «болтовой» части соединения (шпилька или резьбовой «хвостовик»), мНРр — осевая максимальная сила ультразвуковой волны, дейстнуюиии в пределах резьбового соединения. Н.

Сущность состоит в том, что исключаете*- во-первых, раскрытие стыкаво-вторых, ударная работа соединения Стянутое резьбовое соединение под действием стоячей и бегущей ультразвуковых волн находится то п фазе сжатия, то в фазе растяжения. Условие (5.12} гарантирует повышение ресурса работы резьбового соединения звеньев ультразвуковой колебательной системы, так как, в фазе сжатзтя исключает удяр в соединении, а в фазе растяжения исключает раскрытие стыка соединяемых звеньев.

Рис. 5.2. Ре зьбовые соединения «с упором и торцы «звеньев УЗКС о — через футорку 3 н шпильку 4: б — черст ф>торку 3 и резьбовой хвостовикв — через резьбовой хвостовик.

Звенья УЗКС для обеспечения необходимого коэффициента усиления, могут бить наготовлены нз разнородных материалов Тогда, для повышения ресурса работы резьбового соединения «с упором в торцы» необходимо также учитывать и напряжения, создаваемые деформациями от расширения сопрягаемых элементов резьбового соединения в результате их нагрева. В этом случае, между внутренней и наружной резьбой соединения располагают футорку (рнс.5.2). Причём, значение коэффициент* линейного расширения материала футоркн выбирают между значениями коэффициентов линейного расширения материалов сопрягаемой резьбы /86'. Так как соединение стянуто, то при нагреве между сопрягаемыми поверхностями элементов создайся температурный натяг, напряжения от которого относительно равномерно распределяются между элементами соединения.

Для УЗП сборного шлифовального круга, либо нескольких кругов, расположенных на некотором расстоянии друг от друга на одном шпинделе шлифовального станка, можно использовать устройство УЗП. колебательная система которого состоит из одного концентратора колебаний и нескольких волноводов с ПИ, присоединенных к нему. Если важна ориентация РЧПИ в процессе правки, например, правка фасонного круга, то дня резьбового соединения «с упором в ториы» звеньев ультразвуковой колебательной системы, требующих угловую ориентацию относительно друг друга, между внутренней и наружной резьбой соединения располагают футорку, Причвм, угловую ориентацию звеньев системы осуществляют поворотом футоркн на угол, определяемый по формуле /85/:

S, если, а и j разнонаправлен^.

9 =. (519).

-•(36Q-tf), сслн, а к j «направлены где о — угол поворота футорки, градусS, — шаг внутренней резьбы футоркн, мы. S- - шаг наружной резьбы футоркн, мм, а — угол поворота звеньев относительно друг друга, необходимы! для ИХ точной ориентации. измеряемый в соединении, свинченном с требуемой осевий силой затяжки, градус.

Угол, а поворота звеньев относительно друг друга, необходимый для их тачной ориентации, измеряют тогда когда резьбовое соединение находится в свинченном состоянии. При этом в соединении создана требуемая осевая сила затяжки. Поэтому, поворот футорки на угол р учитывает как соотношение между шагами внутренней и наружной резьбы, так и упругие деформации элементов соединения, вызванные осевой силой затяжки. Следовательно, поворот футорки на угод р обеспечивает точную ориентацию звеньев друг относительно друга прн достижении требуемой осевой силы затяжки соединения.

5.3. ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ В ПРОИЗВОДСТВО.

Начальным импульсом для практической реализации ультразвуковой правки шлифовальных кругов послужили лабораторные испытания, выполненные в ОАО «АВТОВАЗ», на основе которых была состаапена программа работ в рачках Генерального договора Тольягтниского политехнического института (ныне Тольятти не кнП государственный университет) и ОАО «АВТОВАЗ».