к.т.н., доцент Иванова Т.Н.

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОСОБЕННОСТЕЙ ШЛИФОВАНИЯ ПЛОСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ

ИНСТРУМЕНТАМИ С ПРЕРЫВИСТОЙ РЕЖУЩЕЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ

Чайковский филиал ФГБОУ ВПО «Пермский национальный

исследовательский политехнический университет»,

г. Чайковский, Россия

е-mail: rsg078829@mail.ru

Аннотация. В работе рассматриваются вопросы, связанные с повышением эффективности обработки плоских поверхностей при торцовом шлифовании за счет изменения конструкции режущей поверхности инструмента и непосредственной подачей смазочно-охлаждающей жидкости в зону резания. На основе комплексного изучения тепловых процессов и других явлений, сопровождающих плоское шлифование таким кругом, установлены основные технологические особенности, разработана математическая модель абразивного инструмента, обоснованы и реализованы пути управления производительностью и качеством плоских поверхностей из труднообрабатываемых сталей.

Ключевые слова: шлифование торцом круга, шлифовальный инструмент с прерывистой режущей поверхностью, смазочно-охлаждающая жидкость, качество обрабатываемой поверхности, производительность, удельный расход

Введение. Конкурентоспособность машиностроительного комплекса в значительной степени связана с модернизацией и дальнейшим развитием технологии финишной обработки, доля которой достигает более 80% от всего объема затрат времени на изготовление деталей. Это относится и к шлифованию торцом круга.

В виду большой площади и длительности контакта круга с деталью, этот вид шлифования характеризуется исключительно высокой теплонапряженностью, что негативно влияет на формирование физико-механических свойств обработанных поверхностей. Достижения последних лет в области снижения теплонапряженности процесса шлифования торцом алмазного круга не решают в полной мере проблем интенсивного бездефектного шлифования плоских поверхностей. Исследования методов шлифования и опыт предприятий, позволили значительно повысить уровень технологии абразивной обработки. Однако научно-технический прогресс современного машиностроения убедительно выдвигает все новые актуальные проблемы, изучение которых приобретает важное практическое и теоретическое значение. Поэтому одной из важнейших задач в этой области является разработка и создание специального инструмента за счет, которого осуществлялось бы совершенствование технологии.

Цель работы: Разработка технологии и оснастки, позволяющие повысить эффективность и качество шлифования плоских деталей.

Поставленная цель потребовала решения ряда взаимосвязанных задач:

1. Разработать прогрессивные конструкции шлифовальных инструментов с прерывистой рабочей поверхностью и непосредственной подачей СОЖ в зону резания.

2. Выполнить исследования физико-механических процессов в зоне контакта шлифовального круга с прерывистой режущей поверхностью и подачей СОЖ в зону резания и плоской обрабатываемой деталью из легированных сталей.

Результаты. На основе анализа средств, позволяющих значительно повысить работоспособность шлифовального инструмента, установлено, что наиболее перспективными направлениями являются: улучшение физико-химических свойств смазочно-охлаждающих жидкостей и совершенствование технологии их применения.

Применение СОЖ позволяет получать поверхности с высокими качественными показателями, как по шероховатости, так и по структуре поверхностного слоя детали, обеспечивает существенное снижение теплонапряженности.

Водные смазочно-охлаждающие жидкости являются самой распространенной технологической средой при шлифовании, что обусловлено их более высокой охлаждающей, проникающей и моющей способностью по сравнению с твердыми и пластичными смазочными веществами. Большая удельная теплоемкость и лучшая теплопроводность воды позволяют водным СОЖ быстрее отводить теплоту. Успешное решение комплекса сложных задач по совершенствованию физико-химических исходных функциональных свойств смазочно-охлаждающих технологических средств не решило проблемы их применения. Как показала практика, в области совершенствования применения СОЖ, особое значение в получении высокого технологического эффекта от его применения на операциях шлифования имеет техника подачи жидкости в рабочую зону станка. По существу, благодаря работам М.И. Клушина, М.Б. Гордона, Л.В. Худобина, И.П. Каримова, Ю.В. Полянского, Е.Г. Бердичевского и ряда других исследователей сформировалось самостоятельное научное направление по совершенствованию технологических процессов абразивной обработки металлов за счет способов подачи СОЖ в зону обработки. Среди них – подача смазочно-охлаждающего жидкости поливом (свободно падающей струей или по касательной к периферии круга), распыленной СОЖ (туманом), струйно-напорный внезонный способ охлаждения, подача СОЖ через поры круга и др. В тоже время при всех существующих способах подачи СОЖ основная проблема состоит в том, что оно не достигает самой зоны резания [1].

Установлено [2, 3], что перспективным решением сложных задач по совершенствованию подачи СОЖ может быть достигнуто за счёт применения специального формообразующего инструмента. Управление термическим режимом шлифования посредством конструктивных элементов круга является ещё в недостаточной мере используемым резервом улучшения технологических показателей процесса шлифования.

Для достижения максимальной эффективности подачи СОЖ в зону резания и шлифования плоских поверхностей разработан инструмент (рис.1), представляющий собой корпус типа ЧК во внутреннюю полость которого подается жидкость, а на торцовой поверхности в абразивном материале выполнены криволинейные канавки переменного сечения, сужающиеся по направлению истечения СОЖ, что позволяет увеличить ее скорость [4]. Внутри инструмента установлены лопасти при помощи, которых во внутренней полости при вращении круга создается повышенное давление СОЖ, что обеспечивает дополнительную скорость ее истечения. Для уменьшения расхода и направления потока СОЖ непосредственно в зону резания во внутренней полости инструмента устанавливается направляющий конус. Применение принудительного охлаждения при шлифовании плоских поверхностей создает эффект понижения температуры во время прохождения впадины над обрабатываемой поверхностью и значительно зависит от коэффициента теплообмена. Для защиты от разбрызгивания СОЖ круг помещается в специальный кожух, который крепится к корпусу шпиндельной бабки. В верхней части, которого располагается штуцер для подачи жидкости, а в нижней – по торцу крепится мягкий пористый материал (поролон), препятствующий разбрызгиванию жидкости от вращения инструмента.

Во избежание ударной нагрузки канавки расположены под определенным углом с перекрытием зоны резания и соблюдением постоянства площади контакта режущей поверхности выступов инструмента с обрабатываемой поверхностью в каждый момент времени шлифования. Оптимальным параметром режущей поверхности круга, как показали наши исследования [3] можно считать, наличие 20 - 25% поверхности занятой канавками от общей рабочей поверхности круга.

а)	б)
Рис. 1. Шлифовальный инструмент с прерывистой режущей поверхностью и с подачей СОЖ в зону резания. а) конструкция в сборе с кожухом; б) вид режущего слоя. 1- шпиндель, 2 – корпус, 3 – приёмный стакан, 4 – корпус инструмента, 5 – лопасти, 6 – направляющий конус, 7 – уплотнение, 8 – кожух, 9 – штуцер, 10 – канавки, 11 – алмазоносный слой

В результате теоретических исследований было получено уравнение траектории движения смазочно-охлаждающей жидкости относительно поверхности вращающегося инструмента [3] и скорость истечения жидкости на выходе из канавок:

(1)

. (2)

где υ_kрит - критическая скорость истечения жидкости; φ - угол наклона траектории движения жидкости; χ - коэффициент пропорциональности; r₀ - средний радиус режущего слоя круга.

Результаты расчетов по выражениям (1, 2) при w = 251,3 сек^-1, c = 326, Q = 0,35 л/с, u = 0,489 м/с получены параметры траектории движения жидкости (таблица 1) в зависимости от угла наклона j.

Анализ выражений (1, 2) показывает, что даже существенное изменение радиуса r₀ приводит к весьма незначительной деформации траектории жидкости. Это позволяет считать траектории всех элементарных объемов одинаковыми и смещенными по ширине детали. Траектория имеет вид, близкий к дуге параболической спирали, при различных скоростях круга и площади шлифуемых образцов изменение w практически не сказывается на траектории движения СОЖ. Поэтому в прерывистом инструменте форма канавки повторяет траекторию движения охлаждающей жидкости, а для достижения максимального эффекта охлаждения сечение канавки сужается по направлению истечения жидкости. Следует отметить, что для уменьшения дисбаланса прерывистого инструмента количество канавок в режущем слое рекомендуется делать четным.

Таблица 1

Параметры траектории движения жидкости

j, рад	0	0,175	0,351	0,523	0,785	1,047	1,571
u ист , м/с	0,489	2,779	3,760	4,048	4,139	4,151	4,152
u окр , м/с	13,821	14,127	14,719	15,397	16,454	17,481	19,717
u абс , м/с	13,829	14,398	15,192	16,967	16,967	17,967	19,717
r, мм	55,000	56,218	58,571	61,267	65,477	69,563	78,462

Другой разновидностью инструмента с прерывистой рабочей поверхностью стало создание перфорированной поверхности в виде конусообразных отверстий. Такой подвод обеспечивает теплоотвод от режущих элементов и создаёт эффект смазки в зоне контакта [4].

Применение принудительного охлаждения при шлифовании плоских поверхностей создает эффект понижения температуры во время прохождения впадины над обрабатываемой поверхностью и значительно зависит от коэффициента теплообмена. Основное влияние на интенсивность теплообмена оказывает скорость потока и режим течения охлаждающей жидкости. Чем выше скорость течения охлаждающей жидкости, тем выше значение коэффициента теплообмена.

Обтекаемая ламинарным потоком смазочно-охлаждающей жидкости свободно падающей струей поверхность плоской детали является наиболее распространенным случаем шлифования. Поэтому знание закономерностей протекания процессов теплообмена на обрабатываемой поверхности с подачей СОЖ поливом остается весьма актуальным [5].

Рассмотрим обтекание плоской детали ламинарным потоком жидкости. Плоское стационарное движение несжимаемой жидкости при отсутствии массовых сил и при переменных физических свойствах выражается уравнениями Навье – Стокса:

, (3)

, (4)

(5)

Силы, действующие в нормальном направлении к обтекаемой поверхности, значительно меньше сил, действующих в касательном направлении. Если принять безградиентное течение dp/dx = 0, то при постоянных физических свойствах жидкости в системе уравнений (3 - 5) можно определить все гидродинамические характеристики потока СОЖ обтекаемой пластины [5].

Рис. 2. Распределение продольной скорости на плоской детали

В процессе формирования потока на обрабатываемой поверхности наибольшее влияние оказывает продольная составляющая υ_х скорости потока СОЖ, которая формирует все особенности течения. Действие поперечной составляющей скорости υ_у незначительно даже при больших расстояниях от поверхности детали, т.к. ее значение меньше продольной составляющей. Распределение скоростей в пограничном слое υ_Х/υ = f (η) представлено на рис. 2.

Слой жидкости у обрабатываемой поверхности, в пределах которого температура изменяется от значения, равного температуре поверхности обрабатываемой детали до значения равного температуре жидкости вдали от обрабатываемой поверхности примем за тепловой пограничный слой. Для области внутри теплового пограничного слоя справедливо условие , а на внешней границе и вне его и t = t₀. Таким образом, все изменения температуры жидкости сосредотачиваются в тонком слое, непосредственно прилегающим к обрабатываемой поверхности, толщиной k. Но ввиду малости толщины теплового граничного слоя можно пренебречь теплопроводностью вдоль слоя по сравнению с поперечным переносом теплоты, , поэтому . Тогда уравнение энергии, уравнение движения и уравнение сплошности примут вид

, , (6)

Рис. 3. Пограничные слои потока при свободном движении

Таким образом, система дифференциальных уравнений (6) получена для стационарного ламинарного безградиентного омывания плоской поверхности с постоянными физическими свойствами; в жидкости отсутствуют источники теплоты, выделение теплоты трения пренебрежимо мало. Особенность данных выражений в том, что поле скорости течения жидкости не зависит от поля температур. На рис. 3 приведено распределение температур и скоростей в определенном сечении свободного потока у горячей детали.

В результате исследований [4] получена зависимость величины коэффициента теплообмена для 1,5 % раствора Na₂CO₃, как обеспечивающего максимальный теплоотвод из зоны резания и равный

, (7)

где - скорость нагнетания жидкости в полости инструмента;

Q_сож - расход смазочно-охлаждающего технологического средства;

F_вх.к. - площадь поперечного сечения на входе в канавки.

Рис. 4. Зависимость коэффициента теплообмена от скорости истечения жидкости

Расчет по зависимости (7) позволил установить, что при подаче СОЖ поливом коэффициент теплообмена прямопропорционален скорости истечения жидкости u_ист. Результаты расчетов представлены графически (рис. 4).

При определении геометрических параметров формообразующих элементов режущей поверхности было установлено, что если на круге сделать ряд чередующихся выступов и впадин с постоянным или периодически изменяющимся шагом, то период работы одного режущего выступа будет меньше времени теплового насыщения. При этих условиях температура в зоне контакта из-за прерывистости процесса резания будет уменьшаться. Одинаковая степень понижения температуры может быть получена для различных сочетаний режущих выступов и впадин, с учетом и их износостойкости. Это позволяет осуществлять выбор геометрических параметров кругов с прерывистой поверхностью для шлифования не только с учетом теплонапряженности процесса, но и их износостойкости. Так как с увеличением этого параметра снижается их работоспособность. Температура в зоне контакта шлифовального круга с обрабатываемой поверхностью существенно зависит от скорости детали, ширины режущего выступа и впадины. В таблице 2 приведена режущая способность (мм³/мин) алмазного инструмента с прерывистой режущей поверхностью и подачей СОЖ в зону резания в зависимости от количества канавок (Z), ширины режущих выступов (l_выс, мм) и впадин (l_вп, мм), площади занятой всеми канавками (F_кан, мм²), активной (режущей) (F_акт, мм²), и коэффициентом K₁, учитывающим отношение активной площади к площади круга при D_кр = 150 мм, r = 0,014 мм, m_р = 10,42 шт/мм², a_m = 8 мкм, u_кр = 20 м/с.

Таблица 2

Геометрические и кинематические параметры режущей поверхности

шлифовального инструмента

число канавок Z = 10

lвп	lвыс	Fкон	Fакт	K	Qср
5	42,10	2000	6168	0,75	16944
6	41,10	2400	5768	0,71	16040
8	39,10	3200	4968	0,61	13781
10	37,10	4000	4168	0,51	11522
12	35,10	4800	3368	0,41	9263
14	33,10	5600	2568	0,31	7003
16	31^10	6400	1768	0,22	4970

число канавок Z = 12

lвп	lвыс	Fкон	Fакт	K	Qср
5	34,25	1740	6428	0,79	17848
6	33,25	2088	6080	0,74	16718
8	31,25	2784	5384	0,66	14911
10	29,25	3480	4688	0,57	12877
12	27,25	4176	3992	0,49	11070
14	25,25	4872	3296	0,40	9037
16	23,25	5568	2600	0,32	7229

Важнейшей характеристикой абразивного инструмента является количество активных абразивных зерен на единице рабочей поверхности шлифовального инструмента. Представление этой характеристики необходимо для правильного представления размеров среза одного зерна и возможности определение нагрузки, приходящейся на одно зерно, от которых зависит стойкость инструмента. Расчет толщины среза, снимаемого одним зерном, позволил определить величину продольной подачи, являющейся одним из основных параметров режима резания:

, (8)

где ρ, β, х, σ – геометрические параметры зерна и инструмента; а_м - толщина срезаемого слоя; к₁ - концентрация круга; - функция Лапласа.

Выбранный режим обработки с учетом соотношения площадей режущих выступов и впадин обеспечивает максимальный съем металла, при условии, что толщина срезов не превышает средневероятных критических значений, при которых наступает разрушение абразивного зерна при обработке легированных сталей.

Изучение температуры от u_кр,u_д,t для случая шлифования легированной стали 12ХН3А показало, что при любых режимах резания температура контакта прерывистого инструмента с подачей СОЖ в зону резания заметно ниже, чем для сплошного круга. Чем напряженнее режим шлифования, тем разница эта больше. Причины снижения температуры при переходе от сплошного шлифования к прерывистому следующие. Во-первых, это меньшая интенсивность теплообразования. Мощность тепловыделения пропорциональна тангенциальной силе резания P_z, которая при прерывистом шлифовании ниже на 20 ÷ 30%, чем при обычном. Во-вторых, впадины прерывистого инструмента рассчитаны так, чтобы за время контакта одного режущего выступа с обрабатываемой поверхностью температура не успевает достичь своего максимального значения. За время перерыва в контакте, продолжительность которого зависит от ширины впадины, происходит охлаждение контактной поверхности изделия, затем снова нагрев и т.д. Чем меньше отношение ширины выступа и впадины в круге, тем ниже температура прерывистого шлифования. В-третьих, охлаждающая жидкость подается непосредственно в зону резания, что при сплошном шлифовании добиться сложно. Поэтому теплоотвод в охлаждающую среду при прерывистом шлифовании интенсивнее, чем при обычном. Рост температуры по мере увеличения любого из элементов режима шлифования менее интенсивен в случае прерывистого шлифования, чем при обычном шлифовании сплошным кругом.

Величина микронеровностей остается ниже при применении инструмента с прерывистой режущей поверхностью. Это явление может быть объяснено более острыми режущими зернами прерывистого инструмента и эффективным воздействием СОЖ на процесс резания, что способствует созданию более стабильного режущего профиля и уменьшению сил трения. Стружка выбрасывается из канавок абразивного слоя под действием потока жидкости, идущей изнутри инструмента. Увеличение количества канавок в режущем слое уменьшает высоту микронеровностей. Экспериментально установлено, что для обеспечения R_а = 0,1 ÷ 0,32 мкм оптимальная площадь канавок не должна превышать 30% от рабочей площади.

С изменением продольной подачи от 2 до 6,5 м/мин высота микронеровностей возрастает (рис. 5, а), но, абсолютная величина R_а, при работе прерывистым инструментом с канавками на рабочем слое на 30 ÷ 40% меньше, чем у сплошного инструмента и на 10 ÷ 20% ниже, чем у прерывистого инструмента с подачей СОЖ через отверстия. С увеличением глубины резания (рис. 5, б) величина шероховатости R_а возрастает, так как увеличивается толщина снимаемой стружки.

а)

б)

Рис. 5. Зависимость высоты микронеровностей от а) скорости детали, б) глубины резания при шлифовании стали 12ХН3А с охлаждением: сплошная линия – прерывистый инструмент с канавками на рабочем слое, штриховая линия – сплошной круг с подачей СОЖ поливом, штрихпунктирная – прерывистый инструмент с подачей СОЖ через отверстия. 1 – количество канавок - 12, отверстий - 40 шт. 2 – количество канавок – 8, отверстий 30, 3 – количество канавок – 6, отверстий - 20

В работе были проведены исследования производительности процесса, износостойкости разработанного инструмента. Результаты исследований представлены графически (рис. 6). Обрабатываемый материал – сталь ХВГ. Инструмент 12А2 63х20х14 АС6 М2-01 4.

а)	б)	в)	г)
Рис. 6. Влияние скорости детали и глубины шлифования на интенсивность съема металла (а, в) и удельный расход алмазов (б, г) алмазного прерывистого инструмента с канавками на рабочем слое, зернистость 125/100–1, 100/80 – 2,80/63 – 3 и инструмента со сплошной режущей поверхностью с подачей СОЖ ИНКАМ-1 поливом, зернистость 100/80 – 4; а, б) υкр= 40м/c, t = 0,2 мм, в, г) υд = 3 м/мин, υкр = 40м/c

Из графических зависимостей (рис. 6) видно, что производительность и износостойкость прерывистых кругов значительно выше, чем у кругов со сплошной режущей поверхностью и подачей СОЖ поливом.

Выводы. На основании экспериментальных исследований разработаны рекомендации по выбору оптимальных режимов шлифования инструментом с прерывистой рабочей поверхностью и непосредственной подачей СОЖ в зону резания для обработки плоских поверхностей. Установлено, что для легированных сталей шероховатость R_a = 0,16 ÷ 0,3 мкм может быть получена при υ_д = 4 ÷ 6,0 м/мин, t = 0,2 ÷ 0,6 мм, υ_кр = 25 ÷ 30 м/с. Шлифование инструментом с прерывистой режущей поверхностью совмещает предварительную и окончательную обработку, и позволяет при высокой производительности процесса обеспечивать высокое качество поверхностного слоя деталей.

Научная новизна работы:

- Разработан комплекс математических моделей, описывающих функциональные связи между температурным полем и технологическими факторами, коэффициентом теплообмена и скоростью истечения и траектории потока СОЖ, прерывистой рабочей поверхности торцового чашечного круга с непосредственной подачей СОЖ в зону резания, которые носят универсальный характер.

- Получены эмпирические модели плоского шлифования торцом круга, на основе которых разработана методика оценки показателей качества обработанных деталей из легированных сталей, и производительности процесса и износа инструмента.

- Исследованы физико-механические процессы в зоне контакта торцового шлифовального круга с прерывистой режущей поверхностью и обрабатываемой поверхностью из легированных сталей.

- Разработаны 6 типов конструкций торцовых шлифовальных инструментов с прерывистой рабочей поверхностью и непосредственной подачей СОЖ в зону резания, обеспечивающие нестационарный тепловой режим работы, совмещающие предварительную и окончательную обработку, и позволяющие при высокой производительности процесса обеспечивать высокое качество поверхностного слоя деталей.

Теоретические и экспериментальные исследования по данной теме выполнены в рамках государственного заказа (рег. № 7.8525.2013) Министерства образования и науки РФ (2013 - 2015 г.г.).

Литература:

1. Смазочно-охлаждающие технологические средства для обработки металлов резанием / Под общей ред. С.Г. Энтелиса, Э.М. Берлинера. 2-е изд. М.: Машиностроение, 1995. 496 с.

2. Якимов А.В. Прерывистое шлифование. Киев-Одесса: Вища школа, 1986. 174 с.

3. Иванова, Т.Н. Современная оснастка в технологии алмазного торцового шлифования плоских поверхностей: моногр. /А.М. Долганов, Т.Н. Иванова // Екатеринбург - Ижевск: Изд-во Института Экономики УрО РАН. – 2007.– 364 с.

4. Пат. № 2095227 Российская Федерация МПК 6 В 24 В 55/02, Д 7/10. Абразивный инструмент для плоского шлифования / Иванова Т.Н., Свитковский Ф.Ю., Осипова Т.И., Курко В.И.; заявитель и патентообладатель научно-производственное предприятие «МИСАП». - № 96104219; заявл. 04.03.1996; опубл. 10.11.1997, Бюл. № 31.

5. Иванова Т.Н., Коробейников П.А. Влияние смазочного эффекта СОЖ на алмазную обработку деталей из труднообрабатываемых материалов. Научно-технический вестник Поволжья. – Казань: Научно-технический вестник Поволжья, 2013. – вып. № 1. – С. 182 – 184

Ph.D., Associate Professor T.N. Ivanova

STUDY OF TECHNOLOGICAL FEATURES PARTS GRINDER FLAT

SURFACES TOOLS INTERMITTENT CUTTING SURFACE

Tchaikovsky branch

VPO "Perm National Research Polytechnic University"

Tchaikovsky, Russia

е-mail: rsg078829@mail.ru

abstract

The paper addresses issues related to improving the efficiency of flat surfaces in face grinding by changing the design of the cutting surface of the tool and the direct feed coolant to the cutting zone . Based on a comprehensive study of thermal processes and other phenomena that accompany such a flat grinding circle, established the basic technological features , the mathematical model of the abrasive tool , justified and implemented ways to manage the performance and quality of flat surfaces from the hard steel.

Keywords: grinding wheel face, grinding tools with intermittent cutting surface, cutting fluid, surface quality, performance, specific fuel