Научные основы и технология шлифования заготовок: Сборник учебно-исследовательских лабораторных работ

Е. С. Киселев, В. Н. Ковальногов

Научные основы и технология шлифования заготовок

Ульяновск 2006

1 Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образов ания

Ульяновский государственный технический университет

Е. С. Киселев, В. Н. Ковальногов

Научные основы и технология шлифования заготовок Сборник учебно-исследовательских лабораторных работ по дисциплине «Научные основы и технология шлифования заготовок» для студентов старши х курсов машиностроительного факультета, обучающи хся по направлению 552900 – Технология, оборудование и автоматизация машиностроительных производств (магистерская программа 552901 – Технология машиностроения) и по специальности 15100165 – Технология машиностроения

Ульяновск 2006 1

2 УДК 621.923.6 (075) ББК 34.637.3 я7 К44 Редактор – доктор технических наук, профессор Л. В. Худобин Рецензенты: Кафедра «Резание, станки и инструменты» Тольяттинского государственного университета (зав. кафедрой кандидат технических наук, доцент В. И. Малышев); зав. кафедрой «Металлорежущие с танки и инструменты» Чувашского государственного университета, доктор технических наук, профессор П. М. Салов. Утверждено редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия.

Киселев, Е. С. К44 Научные основы и технология шлифования заготовок: сборник учебно-исследовательских лабораторных работ / Е. С. Киселев, В. Н. Ковальногов. – Ульяновск: УлГТУ, 2006. – 52 с. ISBN 5-89146-900-0 ISBN 978-5-89146-900-0 Сборник учебно-исследовательских лабораторных работ составлен в соответствии с программой курса «Научные основы и технология шлифования заготовок» и содержит 5 работ, посвященных рассмотрению различных аспектов обработки заготовок шлифованием, включая закономерности влияния элементов режима шлифования и правки круга на производительность и качество обработки (шероховатость, точность формы, прижогообразование), вопросы управления теплосиловой напряженностью процесса обработки и формированием технологических остаточных напряжений в поверхностных слоя х шлифованных заготовок из различных материалов. Сборник включает также перечень контрольных вопросов по теме каждой учебно-исследовательской работы. Предназначен для студентов старших курсов, обучающихся по специальности 15100165 и по магистерской программе 552901 – Технология машиностроения.

УДК 621.923.6 (075) ББК 34.637.3 я 7 ISBN 5-89146-900-0 ISBN 978-5-89146-900-0

© Е. С. Киселев, В. Н. Ковальногов, 2006 © Оформление. УлГТУ, 2006 2

3 СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ ................................................................................................ 4 1. ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТ И И ТРЕБОВАНИЯ К ПОВЕДЕНИЮ СТ УДЕНТ ОВ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ УЧЕБНО- ИССЛЕДОВАТ ЕЛЬСКИХ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ ............... 5 2. Учебно-исследовательская лабораторная работа № 1. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ОКРУЖНЫХ СКОРОСТЕЙ КРУГА И ЗАГОТ ОВКИ ПРИ КРУГЛОМ НАРУЖНОМ ШЛИФОВАНИИ НА ЕГО Т ЕХНОЛОГИЧЕСКУЮ ЭФФЕ КТ ИВНОСТ Ь .........

7

3. Учебно-исследовательская лабораторная работа № 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ СКОРОСТ И ВРЕЗНОЙ ПОДАЧИ НА МИКРО- И МАКРОГЕОМЕТРИЮ, ПРИЖОГО- И ТРЕЩИНООБРАЗОВАНИЕ ПРИ КРУГЛОМ НАРУЖНОМ ШЛИФОВАНИИ ................................................................................................. 16 4. Учебно-исследовательская лабораторная работа № 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ НЕПРЕРЫВНОЙ ПРАВКИ ШЛИФОВАЛЬНОГО КРУГА АЛМАЗНЫМ РОЛИКОМ НА СИЛОВУЮ НАПРЯЖЕННОСТ Ь ПЛОСКОГО ШЛИФОВАНИЯ И ШЕРОХОВАТ ОСТЬ ШЛИФОВАННЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ............................................

25

5. Учебно-исследовательская лабораторная работа № 4. ИССЛЕДОВАНИЕ Т ЕПЛОСИЛОВОЙ НАПРЯЖЕННОСТ И ПЛОСКОГО Т ОРЦОВОГО ШЛИФОВАНИЯ ЗАГОТ ОВОК ИЗ РАЗЛИЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ ..............................................

34

6. Учебно-исследовательская лабораторная работа № 5. ИССЛЕДОВАНИЕ Т ЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОСТ АТ ОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ ПРИ ПЛОСКОМ ШЛИФОВАНИИ ЗАГОТ ОВОК ИЗ РАЗЛИЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ .......................................

43

ПРИЛОЖЕНИЕ А ........................................................................................ 50 ПРИЛОЖЕНИЕ Б ......................................................................................... 51

3

4 ВВЕД ЕНИЕ Повышение требований к точности линейных и угловых размеров и формы поверхнос тей, качеству поверхностных слоев рабочих элементов деталей машин в последние годы вызвало значительное расширение области применения абразивной обработки, наиболее распространенным видом которой является шлифование: при абразивной обработке заготовок шлифовальными кругами наиболее производительно и экономично обеспечивается заданная точнос ть деталей; расширяется номенклатура деталей машин, приборов и механизмов, изготавливаемых из труднообрабатываемых материалов; обеспечивается возможность обработки точных заготовок с очень малыми припусками. В то же время общеизвестно, что из-за относительно быстрой потери режущей способности абразивных зерен шлифовального круга в условиях обработки на высоких скоростях (35 м/с и более), шлифование сопряжено с опасностью возникновения в зоне контакта инструмента с заготовкой повышенных мгновенных и контактных температур, способных вызвать структурно-фазовые превращения в поверхностном слое заготовки. Последнее, как правило, сопровождается образованием в нем прижогов и нежелательных растягивающих технологических остаточных напряжений и даже появлением микротрещин. Неправильный выбор элементов режима шлифования может затруднить обеспечение заданных параметров микро- и макрогеометрии и волнистости обработанных поверхностей деталей машин. Целью настоящего сборника учебно-исследовательских лабораторных работ является ознакомление будущих магистров техники и технологии с комплексом вопросов, связанных с теоретико-экспериментальным исследованием закономерностей, математическим моделированием и расчетом теплосилового состояния системы объектов, контактирующих при шлифовании, оценкой некоторых характерис тик качес тва поверхнос тных слоев деталей, в том числе технологических остаточных напряжений, прижогов и микротрещин с использованием действующих экспериментальных установок. В сборник вошли как известные, так и новейшие методические и исследовательские разработки в области совершенствования технологии шлифования заготовок, выполненные на кафедре «Технология машиностроения» Ульяновского государственного технического университета. При выполнении учебно-исследовательских лабораторных работ особое внимание обращается на наглядное оформление магистрантом результатов экспериментальных исследований, умение правильно сделать выводы по выполненным экспериментам и подготовить отчет по работе в целом. Учебное пособие будет полезно для с тудентов старших курсов машиностроительных специальностей, а также для аспирантов, выполняющих исследования, направленные на решение различных вопросов технологии шлифования заготовок.

4

5 1. ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ И ТРЕБО ВАНИЯ К ПОВЕДЕНИЮ СТУДЕН ТО В ПРИ ВЫПО ЛНЕНИИ УЧЕБНО -ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИХ ЛАБОРАТО РНЫХ РАБО Т Все учебно-исследовательские лабораторные работы выполняются в научно-исследовательских лабораториях кафедры «Технология машиностроения» на действующих экспериментальных установках с применением технологической оснас тки, инструмента, оптико-механических и электроизмерительных приборов, вычислительной техники. При выполнении лабораторных работ необходимо строго соблюдать правила техники безопасности. Перед началом проведения лабораторного практикума со студентами проводится инструктаж по технике безопасности с последующей регистрацией и личной росписью каждого студента в специальном журнале. В целях исключения травматизма, а также поломки экспериментальных установок, технологической оснастки и дорогостоящих измерительных приборов, каждый студент перед выполнением учебно-исследовательской лабораторной работы должен подробно ознакомиться с устройством станка, стенда или установки [1] и с правилами техники безопасности при работе на них [2]. ЗАПРЕЩАЕТСЯ: – приступать к проведению исследований без ознакомления с правилами техники безопасности; – включать экспериментальную установку и измерительные приборы без разрешения преподавателя или учебного мастера; – касаться находящихся в движении частей механизмов, инс трумента и заготовки; – подходить к работающим экспериментальным установкам в расстегнутом халате, с незаправленными волосами и т. п.; – прилагать усилия при работе с приборами. При работе на шлифовальном станке категорически ЗАПРЕЩАЕТСЯ стоять против шлифовального круга, так как именно в этом направлении летят осколки в случае разрыва круга. При быстром подводе шлифовального круга возникает опасность удара его о заготовку, поэтому круг к заготовке необходимо подводить плавно и без рывков. Установку и снятие заготовки со станка следует осуществлять после полной остановки круга. При установке заготовки в центры станка необходимо обязательно фиксировать пиноль задней бабки для предотвращения ее вырыва под дейс твием силы резания. Запрещается мыть руки в смазочноохлаждающей жидкости (СОЖ), залитой в станок. Травление заготовок необходимо проводить в вытяжном шкафу при включенной вытяжной вентиляции. Травление выполняют в халате, застегнутом на все пуговицы, в резиновых перчатках и защитных очках. Перенос заготовок из ванны в ванну необходимо выполнять специальным захватом. При этом следует соблюдать осторожнос ть, чтобы избежать расплескивания растворов. После извлечения заготовки из последней ванны ее можно взять в 5

6 руки только после тщательного промывания струей воды в течение 1,5…2 минут. Приступая к выполнению учебно-исследовательской лабораторной работы, студент обязан: – подготовить рабочее мес то, проверить наличие средств технологического оснащения; – проверить исправность установок, приспособлений и приборов. О любых неисправнос тях необходимо поставить в известность преподавателя, проводящего занятие, или учебного мастера; – выполнять только ту работу, которая поручена ему преподавателем; – знать мес та расположения средств пожаротушения и правила пользования ими; – быть внимательным и аккуратным во время выполнения учебно-исследовательской лабораторной работы, не отвлекаться самому и не отвлекать других посторонними разговорами; – не вмешиваться в работу студентов, выполняющих другую лабораторную работу. По окончании работы все установки, приспособления и приборы должны быть отключены от ис точников питания, а рабочее место приведено в надлежащий порядок и сдано учебному мастеру. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Попов, С. А. Шлифовальные работы: учеб. для проф. учеб. заведений / С. А. Попов.– М. : Высшая школа, 1999. – 384 с. 2. ГОСТ 12.2.009–99. Станки металлообрабатывающие. Общие требования безопасности. Введен 01.01.2001. – М., 2001. – 36 с.

6

7 2. УЧЕБНО -ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ ЛАБО РАТОРНАЯ РАБО ТА № 1. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ОКРУЖНЫХ СКОРОСТЕЙ КРУГА И ЗАГОТОВКИ ПРИ КРУГЛОМ НАРУЖНОМ ШЛИФОВАНИИ НА ЕГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКУЮ ЭФФЕКТИВНОСТЬ 2.1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ Оценка влияния окружных скоростей шлифовального круга и заготовки и их соотношения на технологические показатели процесса шлифования. 2.2. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О ВЛИЯНИИ ЭЛЕМЕНТ ОВ РЕЖИМА ОБРАБОТ КИ НА Т ЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТ ЕЛИ ПРОЦЕССА ШЛИФОВАНИЯ

Элементы режима шлифования (окружные скорости круга и заготовки, скорости подач, глубина резания) оказывают существенное влияние на технологическую эффективнос ть процесса шлифования, под которой понимают, прежде всего, производительнос ть обработки и качество обработанных деталей [1]. При шлифовании заготовок из углеродистых и низколегированных сталей большое влияние на эффективность обработки оказывает рабочая скорость шлифовального круга. Еще в 30-х годах прошлого столетия ус тановлено, что при увеличении рабочей скорости шлифовального круга свыше 30 м/с резко уменьшается его износ и увеличивается коэффициент шлифования Кш: Кш =

Qм , Qа

(2.1)

3 где Qм – объем сошлифованного с заготовки материала, мм ; Qа – объем абразива, израсходованного за время съема материала заготовки, мм3 . При круглом наружном шлифовании:

Qм =

Qа =

π lш 4

π lш 4

(d

2 1

(D

2 1

− d 22 ;

)

(2.2)

)

(2.3)

− D22 ,

где l ш – длина шлифования, мм; d1 и d 2 – диаметр заготовки соответственно до и после шлифования, мм; D1 и D2 – диаметр шлифовального круга соответственно до и после шлифования, мм: 7

8 D2 = D1 − 2000Δ R , где ΔR – радиальный износ круга, мкм. Под скоростным шлифованием понимается шлифование с рабочей скоростью шлифовального круга выше 35 м/с. Исследованиями, выполненными в России и за рубежом, установлены следующие особенности скоростного шлифования: с увеличением рабочей скорости круга возрастают период его стойкости и скорость съема материала (повышается производительность шлифования за счет повышения скоростей подач), уменьшается удельная мощность шлифования, возрастает тепловыделение в зоне шлифования, снижаются силы резания и высотные параметры шероховатос ти шлифованной поверхности заготовки, уменьшаются погрешности геометрической формы заготовки, сокращается время выхаживания. На практике различают три основных способа реализации преимущес тв скоростного шлифования: 1. С увеличением рабочей скорости круга V к пропорционально увеличивают скорость врезной подачи. При этом снижается основное время (до 2 раз при увеличении рабочей скорости круга с 35 до 60 м/с); качество обработанных деталей или заготовок и период стойкости круга не изменяются и остаются такими же, как при шлифовании с V к = 30…35 м/с. 2. Увеличение рабочей скорости круга не сопровождается увеличением скорости подачи. При этом производительнос ть обработки не повышается, но уменьшаются высотные параметры шероховатости шлифованной поверхности, погрешность формы заготовки, увеличивается период стойкости круга. 3. Скорость подачи увеличивают в меньшей степени, чем возрастае т рабочая скорость круга. При этом достигают некоторого повышения и производительнос ти, и качества обработки. Производительность операции шлифования оценивают количес твом заготовок, обработанных в единицу времени на данном станке, или штучным временем на обработку одной заготовки. В соответствии со структурой штучного времени производительность зависит от основного времени То , затрачиваемого на снятие припуска с заготовки, вспомогательного времени Тв на установку и снятие заготовки, ее измерение и управление станком, а также от времени обслуживания Тдоп, основную часть которого составляет время на правку круга. Скоростное шлифование позволяет в ряде случаев резко уменьшить основное время или увеличить период стойкости круга без снижения параметров геометрической точнос ти и качества поверхнос тного слоя обработанных деталей. Для более подробного обоснования этого положения рассмотрим следующую зависимость [2]: Q уд = 2,9 ⋅ 10− 4 a z2 N актVк

Ddρ , D±d

(2.4)

8

9 где Q уд – удельный съем металла, приходящийся на 1 мм высоты круга, 3 мм /(мм⋅мин); a z – толщина среза материала единичным абраз ивным зерном, мкм; N акт – число «активных» режущих абразивных зерен на единице площади рабочей поверхности шлифовального круга; V к – рабочая скорость круга, м/с; D и d – диаметр соответственно шлифовального круга и заготовки, мм; ρ – средний радиус вершины «активных» режущих абразивных зерен, мкм. Из выражения (2.4) следует, что удельный съем металла увеличиваетс я пропорционально рабочей скорости круга, числу «активных» режущих зерен и квадрату толщины среза. Увеличение удельного съема материала с заготовки при скоростном шлифовании является результатом совокупного воздействия трех положительных факторов : увеличения количества «активных» режущих зерен, проходящих зону резания в единицу времени (кинематический эффект); увеличения отдельных толщин срезов, что вызвано уменьшением сопротивления материала заготовки резанию (скоростной эффект); увеличения доли режущих зерен по отношению к числу абразивных зерен, производящих только работу упруго-плас тической деформации (статистический эффект). Однако очевидно, что увеличение производительности ограничиваетс я требованиями к качеству обработанной поверхнос ти по шероховатости, волнистос ти, физико-механическим характеристикам и структуре поверхнос тного слоя. Шероховатос ть шлифованной поверхнос ти представляет собой совокупность рисок, оставленных абразивными зернами, и определяется рельефом рабочей поверхнос ти круга, элементами режима шлифования и правки круга, свойствами обрабатываемого материала и вибрациями технологической системы. Влияние скорости шлифования на шероховатос ть выражается следующими факторами: – изменением средней толщины среза a z , определяющей глубину шлифовочных рисок; – изменением высоты навалов, образующихся по боковым сторонам шлифовочных рисок; – изменением интенсивности вибраций технологической системы. Увеличение рабочей скорости шлифования обычно приводит к монотонному уменьшению высотных параметров шероховатости поверхнос ти, главным образом, за счет уменьшения толщины среза и высоты навалов. Увеличение интенсивности вибраций, наблюдаемое при высоких скоростях шлифования, если не соблюдены жесткие требования к виброус тойчивости с танка и балансировке круга, способствует увеличению высотных параметров шероховатости и, в особенности, образованию волнис тости и периодической неоднороднос ти шероховатос ти: при динамических колебаниях шлифовальный круг периодически врезается в заготовку с большей глубиной резания и оставляет на ее поверхнос ти более глубокие риски. Физико-механические характерис тики поверхнос тного слоя заготовки при скоростном шлифовании определяются главным образом тепловым 9

10 воздействием и в меньшей степени – влиянием плас тической деформации от сил резания. Количество теплоты Qт, выделяемое в зоне шлифования, эквивалентно работе (мощности) шлифования: Q т = КРzV к ,

(2.5)

где Pz – касательная составляющая силы шлифования, Н; К – экспериментальный коэффициент, зависящий от условий шлифования. С увеличением рабочей скорости круга касательная составляющая силы шлифования Pz уменьшается нелинейно (примерно в степени 0,5…0,8). Следовательно, количество выделившейся теплоты будет возрастать. Под действием этой теплоты заготовка прогревается на определенную глубину и до определенных температур. В конечном счете, свойства поверхностного слоя заготовки зависят от скорости охлаждения, которая определяется не только температурой нагрева, но и теплофизическими свойствами обрабатываемого материала, а также временем контакта заготовки с кругом и смазочно-охлаждающим технологическим средством (СОТС). Можно создать такие условия охлаждения, при которых, несмотря на высокую контактную температуру, поверхностный слой материала заготовки будет претерпевать наименьшие изменения. Эти обстоятельс тва являются решающими при скоростном шлифовании. Регулирование свойств поверхностного слоя может быть реализовано путем выбора наиболее благоприятного соотношения окружных скоростей круга и заготовки (Vк V з ), характеризующего длительность воздействия теплового источника. Последнее объясняется тем, что с увеличением Vз (также как и с увеличением Vк ) сокращается время контакта абразивных зерен с материалом заготовки (при встречном шлифовании). При этом увеличиваются высотные параметры шероховатости шлифованных поверхностей, а также вибрации технологической системы и, следовательно, погрешнос ти формы заготовки. Поэтому выбор соотношения (Vк V з ) должен осуществляться не только из соображений уменьшения теплосиловой напряженности, но и обеспечения заданных геометрических параметров качества. Принято считать, что наиболее благоприятным является отношение (Vк V з ) ≤ 60, начиная с которого температурное воздействие на поверхность заготовки практически не изменяется при изменении скорости резания. Выбор системы подачи СОТС в зону шлифования, рациональной характеристики круга, периодичности его правки и рациональных циклов шлифования также оказывает существенное влияние на качество шлифованных поверхностей. Смазочно-охлаждающую жидкость (СОЖ) при скоростном шлифовании следует по возможности подавать под повышенным давлением (от 2 МПа и выше) для преодоления сопротивления воздушных потоков, создаваемых вращающимся шлифовальным кругом, либо с помощью устройств, 10

11 позволяющих отсекать воздушные потоки или использовать их для интенсификации попадания жидкости в зону резания [3]. Характеристика круга оказывает существенное влияние на силовую и тепловую напряженнос ть процесса шлифования: более мягкие круги являются предпочтительными, но они быс трее изнашиваются и часто не удовлетворяют требованиям к точнос ти и экономичности обработки. Решение вопроса о выборе характерис тики круга для скоростного шлифования определяется условиями выполнения конкретной операции. Ориентировочные рекомендации по выбору кругов для операций круглого наружного шлифования даны в справочнике [4]. Рациональный цикл шлифования определяют с учетом конкретных требований к операции. При этом следует учитывать, что величина припуска, снимаемого с малыми скоростями врезных подач (т. е. при окончательном (чистовом) шлифовании), должна превышать глубину дефектного слоя, образовавшегося при предварительном (черновом) шлифовании с большими подачами. Ориентировочно глубина дефектного слоя при черновом шлифовании заготовок из с талей на операциях круглого наружного шлифования колеблется в пределах 0,05…0,20 мм. 2.3. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Учебно-исследовательская лабораторная работа выполняется в два этапа. Первый этап имеет целью установить технологическую эффективность и целесообразность увеличения рабочей скорости шлифовального круга при шлифовании заготовок из сталей ШХ15, Р18, 45 и др. На втором этапе ус танавливается взаимосвязь технологической эффективности шлифования с окружной скоростью заготовки и отношением окружных скоростей круга и заготовки. Основным критерием оценки технологической эффективности шлифования в данной работе является шероховатость шлифованных образцов по параметру Ra. Кроме того, определяются коэффициент шлифования Кш (см. зависимость (2.1)) и производительность шлифования W (скорость съема ме3 талла) в мм /с W=

Qм

τ

,

(2.6)

где τ – время шлифования заготовки, с.

11

12 2.4. СРЕДСТ ВА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОСНАЩЕНИЯ – Станок мод. 3Б161, оснащенный механизированным приводом поперечной подачи и системой бесступенчатого регулирования рабочей скорости круга с тахометром. – Профилометр мод. 283. – Секундомер «Агат». – Штангенглубиномер с пределами измерения от 0 до 200 мм, ГОСТ 162-90. – Микрометр МК с пределами измерения от 75 до 100 мм, ГОСТ 6507-90. – Алмазный карандаш С3. – Приспособление для измерения размерного износа. 2.5. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТ Ы 1) Ознакомиться с устройством экспериментальной установки, созданной на базе круглошлифовального станка 3Б161. 2) Определить требуемые для проведения экспериментальных исследований ряды чисел оборотов заготовки пз и шлифовального круга пк, используя формулы: 1000V з ; π d1

(2.7)

60 ⋅ 1000Vк . πD1

(2.8)

пз =

пк =

Значения Vз и Vк следует принимать из данных табл. 2.1. 2.1. Состав опытов*) при выполнении учебно-исследовательской лабораторной работы № 1 (в каждой серии 3 параллельных опыта) Рабочая скоОкружная скорость Отношение Скорость врезной подачи V t, рость круга Vк , заготовки Vз , м/мин Vк Vз мм/мин м/с 1 25 25 60 Vt1*) 2 35 35 60 Vt1 3 50 50 60 Vt1 2 4 50 50 60 Vt2 5 50 50 60 Vt3 6 50 25 Vt2 120 Vt2 7 50 75 40 *) Скорости врезной подачи Vt1, Vt2 выбирают по нормативам [4], скорость Vt3 принимается равной (Vt1 + Vt 2 ) 2 . № этапа 1

№ серии

*) Ввиду большой трудоемкости состав опытов может быть сокращен преподавателем.

12

13 3) Проправить шлифовальный круг по режиму, приведенному в табл. 2.2. 2.2. Условия проведения экспериментального исследования Условия правки*) Условия шлифования ОперациПериодичДлина Скорость СОЖ ПопеЧисло онный ность шлипродольречная прохоспособ расприпуск подачи ход, фуемой ной подаподача дов К z, мм л/мин шейки l, чи Vsпр, Sп, мм мм/мин мм/ход 0,25 0,03 3 после каж15…20 0,85 полив 20 дой заго(const) товки *) Правка осуществляется при окружной скорости круга Vк = 50 м/с.

4) Подготовить шаблон протокола измерений по форме табл. 2.3. 2.3. Протокол измерений № серии

Диаметр круга, мм

Диаметр заготовки, мм

Шероховатость поверхности заготовки по параметру Ra, мкм

0*) 1 2 … 7 ) * «Точка» 0 соответствует исходному состоянию заготовки и круга.

5) Измерить исходные диаметры заготовки и шлифовального круга. Результаты измерений занести в протокол. 6) Установить требуемые окружные скорости шлифовального круга и заготовки и выполнить исследования в последовательнос ти, изложенной в табл. 2.1, соблюдая условия, приведенные в табл. 2.2. 7) После обработки каждой заготовки измерить ее диаметр и шероховатость поверхнос ти. Используя специальное приспособление (рис. 2.1), определить размерный износ круга и выполнить его правку по режиму табл. 2.2. Результаты всех измерений занести в протокол. 8) После заполнения протокола измерений для всех серий опытов подсчитать значения параметров Кш, (Vк V з ), W и построить диаграммы или графики зависимостей Ra = f (V к ) , W = f (V к ) , K ш = f (Vк ) при (Vк V з ) = 60 = = const и зависимостей Ra = f (V t ) , Ra = f (V з ) , K ш = f (Vк V з ) при Vк = 50 м/с = const. 9) Проанализировать результаты и сделать выводы по работе. 10) Результаты исследований оформить в виде отчета. 13

14

1

2 3 4 Рис. 2.1. Схема измерения размерного износа шлифовального круга: 1 – шлифовальный круг; 2 – индикатор; 3 – стол станка; 4 – стойка

2.6. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА Отчет по лабораторной работе должен содержать титульный лист (приложение А), краткое изложение цели работы, таблицы состава опытов (см. табл. 2.1) и протокола измерений (см. табл. 2.3), результаты расчетов Кш, Vк Vз , W, графики полученных зависимостей и выводы. В выводах необходимо изложить причины полученных результатов и дать рекомендации по назначению окружных скоростей круга и заготовки при круглом наружном шлифовании стальных заготовок. 2.7. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПОДГОТ ОВКИ Какое шлифование относят к скоростному? Назовите основные особенности скоростного шлифования, его преимущества и недостатки. Перечислите основные направления реализации преимуществ скоростного шлифования. Какими элементами режима обработки определяются геометрические показатели качества шлифованных деталей? Чем, в основном, определяются физико-механические характерис тики поверхностного слоя шлифованных деталей? От чего зависит количество теплоты, выделяющейся в зоне шлифования? За счет чего можно осуществить регулирование свойств поверхностного слоя шлифуемой заготовки? Какое влияние на шероховатость шлифованных поверхнос тей оказываю т окружная скорость заготовки и скорость врезной подачи шлифовального круга? 14

15 Оказывает ли влияние на эффективность скоростного шлифования выбор характеристики круга? БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Попов, С. А. Шлифовальные работы: учеб. для проф. учеб. заведений / С. А. Попов.– М. : Высшая школа, 1999. – 384 с. 2. Филимонов, Л. Н. Высокоскоростное шлифование / Л. Н. Филимонов. – Л. : Машиностроение, 1979. – 248 с. 3. Киселев, Е. С. Интенсификация процессов механической обработки использованием энергии ультразвукового поля: учебное пособие / Е. С. Киселев. – Ульяновск : УлГТУ, 2003. – 186 с. 4. Кащук, В. А. Справочник шлифовщика / В. А. Кащук, А. Б. Верещагин. – М. : Машиностроение, 1988. – 480 с.

15

16 3. УЧЕБНО -ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ ЛАБО РАТОРНАЯ РАБО ТА № 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ СКОРОСТИ ВРЕЗНОЙ ПОДАЧИ НА МИКРО- И МАКРОГЕОМЕТРИЮ, ПРИЖОГО- И ТРЕЩИНООБРАЗОВАНИЕ ПРИ КРУГЛОМ НАРУЖНОМ ШЛИФОВАНИИ 3.1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ Установление характера и степени влияния скорости врезной подачи на прижого- и трещинообразование в поверхнос тном слое шлифуемой заготовки и геометрические параметры качес тва шлифованных деталей. 3.2. КАЧЕСТ ВО ПОВЕРХНОСТ НОГО СЛОЯ ШЛИФОВАННЫХ ДЕТ АЛЕЙ 3.2.1. Классификация показателей качества поверхнос тного слоя Показатели качества поверхнос тей деталей машин разделяют на две группы: геометрические и физико-механические. Каждую из этих групп делят на несколько подгрупп: геометрические – микрогеометрические, макрогеометрические и волнистость; физико-механические – прижоги, микротрещины, микроструктура, остаточные напряжения, микротвердос ть и др. Некоторые показатели качества поверхностного слоя взаимосвязаны с основными конструкторско-технологическими факторами: материалом заготовки и ее термообработкой, параметрами станка, составом СОЖ, режимами шлифования и правки круга, его характеристикой и др. Каждый из этих факторов оказывает определенное влияние на качес тво поверхностного слоя обработанных деталей. 3.2.2. Шероховатос ть и некруглость шлифованных поверхностей Шероховатос ть является важнейшим элементом в группе микрогеометрических показателей и определяется следующими основными параметрами: наибольшей высотой неровностей профиля Rmax, высотой неровностей по десяти точкам Rz, средним арифметическим отклонением профиля Ra и др. Многочисленными исследованиями установлено, что шероховатость шлифованной поверхности зависит в первую очередь от элементов режима шлифования. Так наибольшая высота неровностей профиля увеличивается с увеличением окружной скорости заготовки, скоростей продольной и поперечной подач круга (стола) и, наоборот, уменьшается с уменьшением скоростей подач. Высотные параметры шероховатос ти шлифованных поверхностей уменьшаются с увеличением рабочей скорости шлифовального круга. Элементы режима правки круга (скорости продольной и поперечной подач, 16

17 число проходов при правке алмаз ным карандашом и единичным алмазом, направление вращения и окружная скорость правящего инструмента при правке роликом) также оказывают существенное влияние на параметры шероховатости. При шлифовании кругами меньшей зернистос ти высота микронеровностей заметно снижается, так как в этом случае возрастает количество зерен, участвующих в процессе шлифования, и уменьшается глубина врезания отдельных зерен. При шлифовании кругами, неправильно выбранными по характеристикам, высота микронеровностей может возрасти вследствие быс трого засаливания рабочей поверхнос ти круга, повышения температуры в зоне резания, увеличения вибраций и др. Большое значение для обеспечения требуемой шероховатости имее т также правильный выбор состава и способа подачи СОЖ. Применяя новые прогрессивные составы СОЖ и современные способы их подачи (гидроаэродинамический, струйно-напорный внезонный, поэтапный), можно существенно уменьшить высоту микронеровнос тей шлифованной поверхности вследствие улучшения условий взаимодействия зерен шлифовального круга с заготовкой, снижения контактной температуры в зоне шлифования, устранения вибраций и др. Обеспечение качес твенной очистки СОЖ также позволяет уменьшить шероховатость поверхнос тей детали и устранить возможность появления на шлифуемой поверхности отдельных глубоких царапин, которые могут нанести закаленные частицы шлама и отдельные час тицы абразивного материала, находящегося в СОЖ. Эксплуатационные свойства шлифованных деталей существенно зависят от микрогеометрии, волнистос ти и макрогеометрии их поверхностей, причем влияние макрогеометрии и, в частности, некруглости сказывается на работоспособности машины. Известно [1, 2], что некруглость шлифованной поверхности детали вызывается главным образом погрешностями предшествующей обработки, неравномерностью распределения припусков на обработку и погрешностью установки заготовки. Эффективное снижение некруглости деталей на операции шлифования возможно путем повышения жесткости станка и уменьшения погрешнос ти установки заготовки. Некруглость детали можно уменьшить и некоторыми другими технологическими приемами. Поскольку с уменьшением силы резания уменьшается отжатие заготовки, погрешность формы и рассеяние размеров, точность формы детали можно повысить путем стабилизации состава СОЖ и совершенствования техники ее применения, оптимизации характеристики шлифовального круга и правящего инструмента и др. Существенное влияние на величину погрешнос тей формы оказывае т тепловой режим работы станка: при достижении с табильного теплового режима (через 0,1…0,5 часа работы) жесткость шлифовальных станков повышается, что способствует снижению некруглости шлифуемой поверхнос ти. 17

18 Для уменьшения некруглости деталей целесообразно применять выхаживание, которое проводят в конце цикла обработки. Время выхаживания колеблется от нескольких секунд до нескольких десятков секунд. Однако этот прием приводит к значительному увеличению машинного времени. 3.2.3. Прижоги и трещины Прижогами при шлифовании называют местные изменения структуры поверхностного слоя металла заготовки, образующиеся в зоне обработки в результате воздействия высоких мгновенных температур в контакте шлифуемых зерен с обрабатываемой заготовкой (400…1200 °С). Прижоги разделяют по внешнему виду, по характеру и глубине изменений микроструктуры. В зависимости от внешнего вида различают следующие прижоги: сплошные – вся поверхность детали покрыта прижогом; пятнистые – на поверхности имеются отдельные пятна прижогов; однородные штриховые и циклические штриховые и точечные. В зависимости от глубины изменения микроструктуры поверхностного слоя прижоги разделяют на мелкие (глубиной до 0,005 мм), средние (до 0,01 мм) и глубокие (свыше 0,01 мм). По характеру изменения микроструктуры поверхностного слоя различают прижоги отпуска, имеющие с труктуру троостита, и прижоги закалки. Крупные прижоги отпуска приводят к уменьшению твердости с HRC 61…64 до HRC 45…55. Прижоги закалки имеют структуру мартенсита (слой толщиной 50 мкм у крупных прижогов и 10 мкм у мелких), под которой лежит более мягкая трооститовая подушка (толщиной до 1 мм у крупных и до 0,07 мм у мелких прижогов). Мелкие прижоги закалки также вызывают снижение твердос ти поверхностного слоя детали. Возникновение прижогов обусловливается целым рядом технологических факторов. Так, например, прижоговые пятна возникают в основном в результате вибраций шпинделя бабки изделия и круга, неравномерной или завышенной скорости подачи круга, неравномерного припуска на обработку, неоднородной структуры и качества круга. Штриховые прижоги возникают в основном в результате неоднородности качества круга, его засаливания, завышенных скоростей подач, при недостаточном количес тве (расходе) или некачественной очистке СОЖ. Для устранения прижогов следует использовать все известные методы и способы снижения температуры шлифования. Трещины и микротрещины – это разрывы поверхностного слоя материала деталей под воздейс твием остаточных напряжений (рис. 3.1). Трещины на поверхнос ти детали появляются только в том случае, когда величина остаточных напряжений на этих учас тках выше предела прочности материала детали на разрыв. Появление трещин на поверхностях деталей резко снижает их износостойкос ть и ус талостную прочность, так как они разрушают целость поверхнос тей деталей, а также снижают прочность и сопротивляемость разрушению поверхнос тного слоя детали вследствие концентрации в нем больших напряжений. 18

19

Рис. 3.1. Шлифовочные трещины на торцах незакаленных монокристаллических магнитов из сплава ЮНДК35Т5АА [3]

По глубине проникновения в деталь трещины разделяют на два вида : микротрещины (глубиной до 0,01 мм) и трещины (глубиной свыше 0,01 мм). По форме трещины делят на линейные и сетчатые. По расположению относительно поверхности трещины разделяют на поверхностные и подповерхностные. Последние можно обнаружить только при снятии с поверхнос ти детали слоя металла. На шлифованных поверхностях деталей образуются, в основном, трещины двух видов: шлифовочные и термомеханические. Шлифовочные трещины образуются в результате больших контактных давлений, температур и сил трения абразивных зерен и связки круга по поверхности шлифуемой заготовки. Термомеханические трещины образуются в результате наложения шлифовочных напряжений на имеющиеся в металле термические напряжения. Кроме того, на операциях шлифования могут появиться трещины вследствие дефектов обрабатываемого материала заготовки: флокенов, волосовин, неметаллических включений и др. Появление шлифовочных трещин всегда сопровождается прижогами : при локальных нагревах металл расширяется в пределах малой нагретой зоны; окружающий эту зону холодный металл оказывает сопротивление ее расширению; в результате по границам зоны возникают сжимающие напряжения, а в ее центре – растягивающие; при охлаждении нагретого учас тка до температуры основного металла его объем сокращается, и по краям зоны возникают растягивающие, а внутри зоны – сжимающие напряжения; если значения напряжений превысят предел прочности металла на разрыв или сжатие, произойдет разрыв поверхностного слоя материала детали в центре или на границах прижогового участка. Непосредственными факторами, вызывающими появление трещин, являются: концентрация напряжений; необратимые изменения микроструктуры в поверхностном слое заготовок; наличие дефектов и неоднородности структуры материала заготовок, а также низкая теплостойкость легирующих элементов, повышающих склоннос ть металла к трещинообразованию. Поэтому причинами появления трещин при обработке заготовок являются все показатели процесса обработки, способствующие появлению данных факторов. К причинам появления трещин непосредственно при шлифовании относятся: завышенные режимы обработки или неравномернос ть съема 19

20 припуска в процессе шлифования; неоднородность структуры и качества материала заготовки; завышенная твердос ть или уменьшенная пористость шлифовальных кругов; малый расход или неравномерная подача СОЖ и др. *)

3.3. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

3.3.1. Исследование влияния скорости врезной подачи шлифовального круга на прижогообразование в поверхностном слое заготовки На первом этапе экспериментов исследуется влияние скорости врезной подачи шлифовального круга при круглом наружном шлифовании на шероховатость шлифованной поверхнос ти и образование прижогов. Используют образцы из стали ШХ15, которые обрабатывают с базированием на оправке в центрах при неизменных параметрах шлифования. Варьируют только величиной врезной подачи. После шлифования образцов измеряют шероховатость (по Ra) каждого образца в трех сечениях, после чего образцы подвергают холодному травлению с целью определения наличия прижогов на обработанной поверхнос ти. В табл. 3.1 приведены составы травящих растворов, их назначение, время и порядок их прохождения контролируемой заготовкой. 3.1. Технология выявления прижогов в поверхностных слоях шлифованных заготовок № Состав травящего раствора ванны 1 Кальцинированная сода – 400 г Вода – 1000 мл Промывка в проточной воде 2 Ацетон – 1000 мл HNO3 – 50 мл Промывка в проточной воде 3 H2SO4 – 2,5 мл Хромистый ангидрид – 100 г Вода – 1000 мл Промывка в проточной воде 4 HCl – 300 мл Вода – 1000 мл Промывка в проточной воде 5 Кальцинированная сода – 200 г Нитрит натрия – 200 г Вода – 1000 мл

Назначение раствора Обезвоживание заготовки Травление

Время выдержки, мин 2 2…4

Осветление поверхности заготовки

0,5…1

Осветление поверхности заготовки

0,5…1

Предотвращение корродирования заготовки

0,5…10

*)

Ввиду большой трудоемкости лабораторной работы, отдельные серии опытов могут быть исключены преподавателем.

20

21 Метод травления основан на различной растворимос ти структурных составляющих прижога: прижоги отпуска после травления становятся темнее основного металла; крупные прижоги отпуска имеют вид темных пятен, мелкие – темных тонких штрихов; крупные прижоги закалки имеют вид светлых пятен, мелкие – светлых штрихов. После травления каждого образца обработанную поверхность осматривают и делают выводы о наличии, характере, причинах и количестве прижогов. Результаты оформляют в виде отчета. 3.3.2. Исследование влияния условий шлифования на некруглость обработанных деталей Этот этап работы посвящен исследованию влияния цикла шлифования и теплового режима работы станка на некруглость обработанной поверхности детали (образца). Студентам выдают шесть заранее подготовленных (самими студентами на предыдущих занятиях или при проведении самостоятельных исследований) образцов из стали ШХ15. В качестве образцов используют кольца подшипников или другие шлифованные заготовки. Образцы обработаны по различным циклам шлифования: один и тот же припуск снимали нa предварительной (черновой) подаче; на черновой и окончательной (чистовой) подачах; на черновой и чис товой подачах с последующим выхаживанием. Три обработанных по разным циклам образца шлифуют непосредственно после начала работы станка, а три – спустя 2,5 часа. Некруглость измеряют на кругломере мод. ВЕ-20. Получив круглограммы образцов, студенты с помощью масштабной линейки определяют величины некруглости, заносят их в отчет и делают выводы. 3.3.3. Выявление шлифовочных трещин Эксперименты выполняются с целью выявления влияния режима шлифования на трещинообразование образцов из высококоэрцитивных магнитных сплавов. Студентам выдаются три образца из магнитного сплава ЮНДК35Т5АА, режим обработки которых сообщает преподаватель. Выявление трещин производится по методу магнитных порошков с использованием дефектоскопа ПМД-70. В процессе выявления шлифовочных трещин контролируемые образцы намагничивают постоянным или переменным током. Затем их погружают в ванну с суспензией магнитного порошка (железный сурик или крокус) в трансформаторном масле: на 1 л масла вводят 25…35 г порошка и тщательно размешивают до получения однородной консистенции. Время пребывания образца в ванне – около 1 мин. При этом порошок располагается на краях дефектов. Наличие дефектов в металле искажает магнитный поток, что визуально обнаруживается при рассмотрении порошка на поверхности образца с помощью лупы. 21

22 В зависимости от величины поперечного сечения образца сила тока намагничивания колеблется в пределах от 2000 до 3000 А. Увеличение напряженности магнитного поля и использование постоянного тока для намагничивания обеспечивают более точные результаты. Метод магнитных порошков дает возможность выявить трещины только в том случае, если они препятс твуют потоку силовых магнитных линий. Деталь может быть намагничена циркулярным, полюсным или комбинированным способом (рис. 3.2). Циркулярное намагничивание (А–А1 ) позволяет обнаружить только продольные трещины на контролируемых деталях, полюсное намагничивание (Б–Б1 ) – только поперечные трещины. Комбинированное намагничивание (В–В1 ) используют для выявления как продольных, так и поперечных трещин. При выполнении лабораторной работы схему намагничивания назначает преподаватель.

A

Б

В

A1

Б1

В1

Рис. 3.2. Основные схемы намагничивания деталей для контроля наличия микротрещин методом магнитных порошков: А–А1 – циркулярное; Б–Б1 – полюсное; В–В1 – комбинированное

Величина микротрещины и глубина ее залегания оказывают существенное влияние на искажение формы потока силовых магнитных линий. Чем меньше ширина трещины и глубина ее залегания, тем слабее исказится картина силовых линий магнитного потока над соответствующим участком поверхности. Изучив картины силовых линий всех образцов, студенту необходимо сделать заключение о характере, причинах и количес тве микротрещин. Результаты оформляют в виде отчета. 3.4. СРЕДСТ ВА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОСНАЩЕНИЯ – Станок мод. 3М151. – Профилометр мод. 283. – Кругломер мод. ВЕ-20. – Масштабная линейка. – Ванны с растворами для травления. – Секундомер «Агат». 22

23 – Прибор для определения шлифовочных трещин – дефектоскоп ПМД-70. – Лупа (8-кратное увеличение) 3.5. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТ Ы 1) Ознакомиться с устройством экспериментальной установки, созданной на базе круглошлифовального станка 3М151. 2) Прошлифовать три группы образцов (по 3 шт.) из стали ШХ15 на разных врезных подачах шлифовального круга (0,4; 0,8 и 1,2 мм/мин), сохраняя пос тоянными остальные элементы режима шлифования. 3) Провести измерения шероховатости образцов (по Ra) в трех положениях на профилометре мод. 203. Результаты измерений оформить в виде таблицы. 4) Провести травление прошлифованных образцов в травящих растворах по методике, изложенной в п. 3.3.1. Обработку двух первых образцов осуществляет учебный мастер, остальных студенты. ) 5) Записать круглограммы* прошлифованных образцов на кругломере мод. ВЕ-20. 6) При помощи масштабной линейки (прозрачного шаблона) оценить некруглосгь прошлифованных образцов. 7) В соответствии с методикой, изложенной в п. 3.3.3, провести контроль прошлифованных образцов из магнитных сплавов на наличие шлифовочных трещин. 8) На основании выполненных исследований сделать выводы по работе и составить отчет. 3.6. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА Отчет (см. приложения А и Б) по лабораторной работе должен содержать титульный лис т, краткое изложение цели и состава работы, таблицы с результатами измерения шероховатости и некруглости образцов, эскизы протравленных поверхностей образцов с прижогами, эскизы картин силовых магнитных линий образцов и выводы. В выводах необходимо объяснить причины полученных результатов. 3.7. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПОДГОТ ОВКИ Назовите основные показатели качества шлифованных деталей. Какие элементы режима и условия шлифования оказывают основное влияние на параметры шероховатос ти шлифованных поверхностей деталей машин? ) * Запись круглограммы осуществляет преподаватель.

23

24 Какими факторами определяется возникновение погрешностей формы (в частности, некруглости) шлифованных деталей? Назовите основные пути уменьшения некруглости. Что такое шлифовочные прижоги? Назовите основные виды прижогов. Отчего возникают шлифовочные прижоги? В чем причины возникновения микротрещин при шлифовании заготовок? Дайте классификацию шлифовочных микротрещин. Существует ли взаимосвязь между прижогами и микротрещинами на шлифованных поверхностях деталей машин? На чем основана методика определения шлифовочных прижогов путем холодного травления заготовок? БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Кулаков, Ю. М. Предотвращение дефектов при шлифовании / Ю. М. Кулаков, В. А. Хрульков, И. В. Дунин-Барковский. – М. : Машинос троение, 1975. – 240 с. 2. Попов, С. А. Шлифовальные работы: учеб. для проф. учеб. заведений / С. А. Попов. – М. : Высшая школа, 1999. – 384 с. 3. Худобин, Л. В. Технология обработки высокоэрцитивных магнитных сплавов / Л. В. Худобин, А. М. Бударин, Ф. М. Сальковский и др. – М. : Энергия, 1979. – 184 с.

24

25 4. УЧЕБНО -ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ ЛАБО РАТОРНАЯ РАБО ТА № 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ НЕПРЕРЫВНОЙ ПРАВКИ ШЛИФОВАЛЬНОГО КРУГА АЛМАЗНЫМ РОЛИКОМ НА СИЛОВУЮ НАПРЯЖЕННОСТЬ ПЛОСКОГО ШЛИФОВАНИЯ И ШЕРОХОВАТОСТЬ ШЛИФОВАННЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ 4.1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ Выявление взаимосвязи элементов режима непрерывной правки круга алмазным правящим роликом с силовой напряженнос тью процесса плоского шлифования и параметрами шероховатости шлифованных поверхностей заготовок. 4.2. ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ НАЗНАЧЕНИЕ ПРАВКИ ШЛИФОВАЛЬНЫХ КРУГОВ Правка необходима для восстановления геометрической формы шлифовального круга в продольном и поперечном сечениях, режущей способности абраз ивных зерен на макро-, микро- и субмикроуровнях и круга в целом. От условий правки зависят расход круга и правящего инс трумента и состояние их рабочих поверхнос тей, а следовательно, период стойкости круга, производительнос ть и себестоимос ть обработки, качество шлифованных деталей. Только за счет варьирования элементами режима правки параметры шероховатости шлифованной поверхнос ти можно изменить в несколько раз. Расход шлифовальных кругов на правку составляет 90…95 % от общего их расхода, а затраты на правку достигают 70 % от себестоимости технологических операций (табл. 4.1). 4.1. Затраты на правку при круглом наружном шлифовании [1] Условия шлифования Черновое шлифование Чистовое шлифование

Материал заготовки Сталь 45 НRC 38...46 Сталь 20Х23Н18 HRC 55...58 Сталь Р9Ф5 HRC 64...66

Время правки в процентах от машинного времени 50

Затраты на правку в процентах от себестоимости операции 30…40

50 80

30…40 60…70

При этом прослеживается взаимосвязь затрат на правку с шлифуемостью материала заготовки: чем труднее обрабатывается материал заготовки, тем большую долю составляют затраты на правку в себестоимости операции. Учитывая, что в современном машиностроении труднообрабатываемые материалы (коррозионностойкие и жаростойкие стали, титановые и жаропроч25

26 ные никелевые сплавы и др.) все шире используются для изготовления деталей машин, вопросы совершенствования технологии правки становятся все более актуальными. Абсолютное большинс тво шлифовальных кругов подвергают правке алмазными правящими инс трументами. Исключение составляют некоторые узкоспециальные способы правки − электроэрозионная, электроискровая, лазерная и др., не получившие пока широкого распространения в промышленности. Известны два основных способа правки, различающихся совокупностью формообразующих движений правящего инструмента и шлифовального круга: точением и шлифованием. К первому относят правку алмазом в оправе, алмазной иглой, алмазным карандашом, алмазной пластиной, ко второму − правку алмазным кругом или роликом. При правке способом точения происходит сверхскоростное точение хрупкого абразивного материала шлифовального круга алмазным резцом (правящим инс трументом). Вследствие незначительной площади контакта алмаза с кругом (рис. 4.1, а) возникающие в процессе правки радиальные силы невелики – порядка 20…100 Н, и не могут вызывать заметных упругих деформаций технологической системы, влияющих на точность формы круга. Поэтому способ точения обеспечивает удовлетворительную точность правки при небольшой глубине разрушения поверхностного слоя и благодаря простоте конструкций и надежности в работе правящих инструментов и приспособлений получил широкое распространение на операциях шлифования. Однако вследствие низкой производительности и относительно невысокой точности при правке фасонных (в том числе при торцекруглом шлифовании) кругов область применения данного способа все более ограничивается универсальными шлифовальными станками, работающими в условиях единичного и мелкосерийного производства.

а

б

Рис. 4.1. Схема сил, действующих при правке круга: а) правка точением; б) правка шлифованием; 1 − шлифовальный круг; 2 − алмазная игла; 3 − алмазный ролик; zп к − припуск, снимаемый с круга во время правки; Ру п , Рzп − соответственно радиальная и кассательная составляющие силы правки; Р'уп, Р'zп − силы реакции

26

27 Прогрессивным инструментом для правки шлифовальных кругов являются многокристальные вращающиеся алмазные ролики, осуществляющие правку способом шлифования (рис. 4.1, б). Алмазные ролики получают все более широкое применение в промышленности благодаря присущим им преимуществам: а) повышение производительнос ти шлифования до 1,5…6 раз за счет совмещения вспомогательного времени на правку с основным, особенно при фасонном врезном шлифовании одновременно нескольких поверхностей заготовки; б) повышение точности правки и, следовательно, точности шлифованных деталей по сравнению с правкой однокристальным инструментом; в) сокращение расхода шлифовальных кругов; г) период стойкос ти алмазных роликов значительно превышает период стойкости алмазных инструментов, работающих по способу точения. Схема действующих в процессе правки шлифованием сил аналогична схеме действия сил при правке точением (рис. 4.1, б). Несмотря на существенно большую площадь контакта правящего инс трумента с шлифовальным кругом, радиальная составляющая силы правки не превышает 100…300 Н. Вследствие этого упругих деформаций технологической системы, которые могли бы оказать заметное влияние на точность формы круга, не наблюдается. Имеются данные о том, что правка шлифовальных кругов алмазными роликами в сравнении с правкой другими инс трументами приводит к уменьшению высотных параметров шероховатости шлифованных деталей и повышению их усталос тной прочности, повышению режущей способности кругов и уменьшению их расхода в процессе правки. Шлифовальные с танки, оснащенные алмазными роликами, реализуют полный автоматический цикл правки и шлифования и легко встраиваются в автоматические линии. Диаметр алмазного ролика выбирают с таким расчетом, чтобы по периферии его рабочего слоя можно было поместить такое количество алмазных зерен, которое необходимо для обеспечения требуемых параметров шероховатости поверхности детали и достаточно длительного периода с тойкости ролика, а также с учетом технологических возможностей их изготовления и эксплуатации. Алмазные ролики изготавливают путем спекания, электрогальваническим способом, а также путем металлизионного напыления. Алмазы на поверхности правящих роликов могут располагаться в упорядоченном и, чаще всего, в неупорядоченном виде. В первом случае крупные (диаметром 0,8…1,5 мм) алмазы укладывают на рабочей поверхности ролика вручную. В неупорядоченном виде в алмазосодержащем слое ролика располагаются мелкие алмазные зерна. Правящие ролики в этом случае выполняют, как правило, многослойными. После электроалмазной или электроэрозионной доводки обеспечивается точность профиля ролика в пределах 2…3 мкм, а после шлифования − среднее арифметическое отклонение профиля Ra шлифованных поверхнос тей деталей не превышает 0,63 мкм. Отечественная промышленность производит алмазные правящие инс трументы дос таточно широкой номенклатуры. Наиболее распространены од27

28 нокристальные (алмазы в оправе, ГОСТ 22908-78 и алмазные иглы, ГОСТ 17564-85) и многокристальные (алмазные карандаши, ГОСТ 607-80 и правящие ролики, ГОСТ 16014-78) правящие инс трументы. Все они оснащаются техническими природными или высококачественными синтетическими алмазами. В однокристальных правящих инс трументах алмазные зерна закрепляются в корпусе инструмента с помощью пайки, зачеканки или механического крепления. В многокристальных инс трументах алмазы закрепляют с помощью связки, в качестве которой используют порошки вольфрама, никеля, твердого сплава и др., а в качестве смачивателя − металлы (серебро, медь). В тех случаях, когда необходимо изготовить однослойный алмазный инструмент, алмазы закрепляют с помощью осажденного методами электрохимии никеля, хрома или железа. В ИСМ НАН Украины разработана специальная металлическая адгезионно-активная связка (МААС) для прочного удержания алмазов в алмазных карандашах (ТУ 88 УССР ИСМ 663-80). Прогрессивным методом концентрации технологических переходов в структуре операций шлифования заготовок, получающим все более широкое применение в крупносерийном и массовом производстве (особенно при обработке заготовок из труднообрабатываемых материалов), является применение непрерывной правки абразивного круга алмазным правящим роликом. Первые сообщения об использовании непрерывной правки – методе глубинного шлифования ADAM (Advanced Abrasive Machining), появились в 1977 г. в Великобритании. Непрерывная правка, предусматривающая пос тоянное в процессе шлифования врезание правящего ролика в абразивный круг, обеспечивает сохранение режущей способности абразивных зерен и квазистационарнос ть основных показателей процесса шлифования (силы резания, контактной температуры, параметров шероховатос ти шлифованной поверхности). При этом из штучного времени операции исключается вспомогательное время, связанное с необходимостью прекращать процесс шлифования для восстановления режущей способности круга при периодической правке. Учитывая, что на современных высокопроизводительных шлифовальных станках, особенно при обработке фасонных поверхностей (например, при обработке колец подшипников, фаски клапана автомобильного двигателя, иглы распылителя дизельной или инжекторной аппаратуры и др.), правку круга осуществляют после обработки одной-двух заготовок, применение непрерывной правки приводит к резкому повышению производительности обработки. На сегодняшний день основной областью применения непрерывной правки остается шлифование заготовок из труднообрабатываемых и высокопрочных материалов, обработка которых обычным способом (с периодической правкой) характеризуется малыми значениями съема припуска. Так по сравнению с глубинным шлифованием с периодической правкой круга применение непрерывной правки обеспечивает увеличение производительности шлифования в несколько раз [4]. Кроме того, столь значительное сокращение цикловых потерь и уменьшение себестоимости обработки с непрерывной 28

29 правкой делает экономически целесообразной замену таких операций, как фрезерование, точение, протягивание, строгание и других шлифованием. При этом одновременно обеспечивается существенно большая точность изготовленных деталей. Высокая эффективнос ть непрерывной правки при шлифовании заготовок из труднообрабатываемых и высокопрочных материалов несомненна и подтверждена многочисленными исследованиями отечес твенных и зарубежных специалис тов. Последними исследованиями, выполненными в Ульяновском государственном техническом университете, установлена целесообразность использования непрерывной правки и при шлифовании заготовок из широко распространенных легкошлифуемых конструкционных материалов, если она применяется в совокупности с устройствами для ультразвуковой подачи СОЖ через полуоткрытые клиновые насадки с торцев круга и при наложении ультразвука на алмазный правящий ролик. В этом случае появляется возможность обеспечить сохранение остроты абразивных зерен и квазистационарнос ть основных показателей шлифования при очень малых значениях врезной подачи алмазного ролика (до 3…5 мкм/мин). Как показали выполненные исследования, расход абразивных кругов за один цикл шлифования при этом не превышает аналогичного расхода при периодической правке, при существенно большей производительности [3, 5]. Наложение ультразвуковых колебаний на правящий инструмент може т изменить механизм образования микропрофиля рабочей поверхности шлифовального круга, а следовательно, − шероховатости и волнистости шлифованных поверхностей заготовки и теплосиловой напряженнос ти процесса шлифования [2, 3]. Общеизвестно, что если каким-либо образом в одном из соприкасающихся объектов возбудить ультразвуковые колебания, то сила трения в контакте существенно уменьшится. При этом на абразивных зернах при ультразвуковой правке (по сравнению с обычной) образуется субмикрорельеф с существенно меньшими высотными и шаговыми характерис тиками. Учитывая наличие взаимосвязи между субмикро- и микрорельефом абразивных зерен шлифовального круга и шероховатостью шлифованных поверхностей, наложение ультразвуковых колебаний на правящий инструмент способствует уменьшению высотных и шаговых параметров последней. Кроме того, наложение ультразвука на СОЖ через правящий инструмент в контактной зоне приводит к возникновению кавитации, что способствует интенсивной гидроочистке пор абразивного инс трумента и уменьшению его засаливания. Большинс тво шлифовальных кругов представляет собой пористые тела, в связи с чем даже подаваемая по внешним трактам СОЖ, вследствие капиллярного эффекта, пропитывает их поровое пространство. Наложение ультразвука способствует более интенсивной пропитке круга.

29

30 4.3. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Учебно-исследовательская лабораторная работа выполняется в два этапа. Опыты первого этапа посвящены выявлению взаимосвязи параметров шероховатости (Ra, Rmax) шлифованных поверхнос тей и силовой напряженности (P z, Py ) процесса плоского шлифования образцов из коррозионностой) ких сталей или труднообрабатываемых жаропрочных и титановых сплавов* с рабочей скоростью алмазного ролика. На втором этапе устанавливается взаимосвязь параметров шероховатости шлифованной поверхности и силовой напряженнос ти процесса шлифования со скоростью врезной подачи алмазного ролика. Все опыты выполняют при подаче водной СОЖ в зоны шлифования и 3 правки с суммарным расходом 15…20 дм /мин. Экспериментальная установка, созданная на базе плоскошлифовального станка 3Г71М, включает в себя универсальный динамометр УДМ-100 с усилителем 8АНЧ-26М и ус тройство для непрерывной правки абразивного круга алмазным роликом (рис. 4.2). Устройство оснащено ультразвуковым генератором Техма-2М и пьезоэлектрическим преобразователем, обеспечивающими возбуждение ультразвуковых колебаний в зоне правки. 1

Б

М 2

УЗК А = 3 мкм Vвр

4

3

7 Vпр

8 5 Б М

5 Vp СОЖ

СОЖ

9 Рис. 4.2. Кинематическая схема устройства к 6 плоскошлифовальному станку для непрерывной правки абразивных кругов алмазным роликом: 1, 6 – электродвигатели; 2 – цилиндрическая зубчатая передача; 3 – передача «винт-гайка»; 4 – клиновая передача; 5 – алмазный правящий ролик; 7 – абразивный круг; 8 – пьезоэлектрический преобразователь; 9 – заготовка

По указанию преподавателя опыты могут выполняться как с наложением ультразвуковых колебаний на правящий ролик, так и без них. Возможно также проведение обеих этих серий опытов с целью выявления эффективности наложения ультразвука на правящий инс трумент. *) Материал образцов указывает преподаватель. 30

31 4.4. СРЕДСТ ВА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОСНАЩЕНИЯ – Станок мод. 3Г71М, оснащенный устройс твом для непрерывной правки абразивного круга алмазным роликом с наложением ультразвуковых колебаний. – Универсальный динамометр УДМ-100. – Усилитель 8АНЧ-26М. – Показывающий прибор (щиток с микроамперметрами, ПЭВМ или осциллограф Нева-МТ). – Профилометр мод. 283. – Секундомер «Агат». – Штангенциркуль ШЦ-III с пределом измерения до 250 мм, ГОСТ 162-90. – Образцы из коррозионностойкой стали, титанового или жаропрочного сплава. – Ультразвуковой генератор Техма-2М. 4.5. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТ Ы 1) Ознакомиться с устройством экспериментальной установки, созданной на базе плоскошлифовального станка 3Г71М. 2) Определить требуемый для проведения экспериментальных исследований ряд чисел оборотов алмазного ролика пр, используя формулу пк =

60 ⋅ 1000V р

πd р

,

где V р – рабочая скорость алмазного ролика, м/с; dр – наружный диаметр ролика, мм. Значения V р следует принять из данных табл. 4.1. 4.1. Состав опытов при выполнении учебно-исследовательской лабораторной работы № 3 (в каждой серии 3 параллельных опыта) № этапа 1

№ серии

Наличие УЗК*)

Рабочая скорость ролика Vр , м/с 1 2 3 5

Рабочая скорость круга Vк , м/с

Vк Vр

nк nр

Скорость врезной подачи ролика V sр , мкм/мин

1 2 0,02 3 4 Определяются расчетом 0**) 2 5 6 0,01 2 7 0,02 8 0,04 *) Определяет преподаватель. **) При периодической правке круга алмазным роликом ( V tр = 0 ) осуществлять три врезания роликом в круг на глубину 0,03 мм и править за три прохода стола станка со скоростью продольной подачи, указанной в табл. 4.2.

31

32 4.2. Условия проведения экспериментальных исследований Скорость Вертикальная (врезная) поподачи дача, мм/дв.х стола, м/мин 2…4 0,01…0,015

Длина шлифования, мм 12…15

Ширина Операционный шлифоваприпуск, мм ния, мм 10…15

0,2

СОЖ способ расход, подачи л/мин полив

20

3) После каждого опыта определить соотношения Vк Vр и пк пр по выбранным пр , паспортным данным станка 3Г71М ( пк ) и диаметру шлифовального круга (первое определение диаметра круга выполнить путем прямого измерения штангенциркулем, второе и последующие – расчетом по времени и скорости врезания алмазного ролика в круг при выполнении опыта). 4) Выполнить эксперименты в соответствии с данными табл. 4.1 и 4.2. 5) Результаты всех измерений оформить в табличном виде. 6) Обработать результаты экспериментальных исследований и пос троить графики зависимостей Ra = f (V р ) , Ra = f (пк п р ) , Ra = f (V sр ) , Rmax = f (Vр ) , Rmax = f (пк пр ) , Rmax = f (Vsр ) , Pz , Py = f (Vр ) , Pz , Py = f (пк пр ) , Pz , Py = f (Vsр ) . 7) Проанализировать результаты и сделать выводы по работе. 8) Составить отчет по работе. 4.6. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА Отчет (см. приложения А и Б) по лабораторной работе должен содержать титульный лис т, краткое изложение цели работы, таблицы состава опытов (см. табл. 4.1), таблицы с результатами измерений, графики полученных зависимостей и выводы. В выводах необходимо объяснить причины полученных результатов. 4.7. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПОДГОТ ОВКИ В чем состоит функциональное назначение правки абразивных кругов? Приведите основные методы и инс трументы для правки абразивных кругов, их преимущества и недостатки. В чем заключаются причины изменения механизма образования микропрофиля рабочей поверхности шлифовального круга при наложении ультразвуковых колебаний на правящий инструмент? Каким образом располагаются и укладываются алмазные зерна на рабочей поверхности правящих роликов? Назовите основные причины расхода шлифовальных кругов. Каким образом обеспечивается точность профиля алмазных правящих роликов? 32

33 Какой вид правки шлифовальных кругов называют непрерывной? Назовите ее преимущества, недостатки и области рационального применения. Каким путем удается расширить область применения непрерывной правки абразивных кругов алмазными роликами? От чего зависят затраты на правку абразивных кругов алмазными роликами? БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Филимонов, Л. Н. Стойкость шлифовальных кругов / Л. Н. Филимонов. – Л. : Машиностроение, 1979. – 136 с. 2. Киселев, Е. С. Теплофизика правки шлифовальных кругов с применением СОЖ / Е. С. Киселев. – Ульяновск : УлГТУ, 2000. – 170 с. 3. Киселев, Е. С. Интенсификация процессов механической обработки использованием энергии ультразвукового поля: учебное пособие / Е. С. Киселев. – Ульяновск : УлГТУ, 2003. – 186 с. 4. Pearce, T.R.A. The application of continuous dressing in creep feed grinding / T.R.A. Pearce, T.D. Howes, T.V. Stuart // Proc. 20-th Int. MIDR Conf., Birmingham, 1980. – Р. 383 – 393. 5. Киселев, Е. С. Интенсификация технологических операций механической обработки на основе новых способов использования энергии ультразвуковых колебаний / Е. С. Киселев // Вопросы технологии машинос троения : материалы выездного заседания головного совета «Машиностроение» Минобразования РФ. г. Ульяновск. 23 – 30 сентября 2003 г. – Ульяновск : УлГТУ, 2003. – С. 20 – 27.

33

34 5. УЧЕБНО -ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ ЛАБО РАТОРНАЯ РАБО ТА № 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОСИЛОВОЙ НАПРЯЖЕННОСТИ ПЛОСКОГО ТОРЦОВОГО ШЛИФОВАНИЯ ЗАГОТОВОК ИЗ РАЗЛИЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ 5.1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ Оценка степени влияния технологических условий плоского торцового шлифования на тепловое состояние заготовки и шлифовального круга. 5.2. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ Т ЕОРИИ И ПРАКТ ИКИ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКОГО АНАЛИЗА ШЛИФОВАЛЬНЫХ ОПЕРАЦИЙ

Шлифование всегда сопровождается повышенным теплообразованием в зоне контакта инс трумента с заготовкой. Выделившаяся теплота нередко оказывает определяющее влияние на температурное состояние заготовки и инструмента и, как следствие, на производительность обработки, работоспособность и стойкость инс трумента, точность обработки и качес тво поверхностных слоев обработанных деталей (включая распределение технологических остаточных напряжений, структурно-фазовые изменения, прижоги и микротрещины в поверхностном слое). Все это требует от инженеров, технологов и исследователей умения точно прогнозировать тепловое состояние заготовки и инс трумента в процессе шлифования, а также управлять этим тепловым состоянием путем рационального назначения технологических условий обработки. Значимость этих задач возрастает в связи с такими тенденциями и закономерностями технического прогресса в машиностроении, как переход на высокопроизводительное резание лезвийными инструментами со сверхвысокими скоростями, ужесточение требований к качес тву поверхностного слоя деталей, переориентация на ограниченное применение СОЖ, увеличение доли труднообрабатываемых конструкционных материалов со специальными свойствами. Многие задачи теплофизического анализа процессов механической обработки не поддаются точному аналитическому решению либо требуют огромных затрат на экспериментальную реализацию. Эффективной (а зачастую единс твенной) возможностью решения таких задач является компьютерное математическое моделирование. Рост возможностей и быстродействия современной вычислительной техники наряду с развитием численных методов и соответствующего программного обеспечения позволил существенно расширить круг задач, решаемых с помощью компьютерного моделирования. В соответствии с современными представлениями, теплофизический анализ технологических операций должен быть основан на совместном решении дифференциальных уравнений теплопроводности каждого из контактирующих объектов (инс трумента и заготовки), с общим граничным 34

35 условием в зоне контакта [1]. Это позволяет исключить использование в расчетах информации о распределении тепловых потоков между контактирующими объектами, вносящей существенную погрешность в результаты анализа. Именно такой подход реализован в Ульяновском государственном техническом университете в виде программного комплекса для расчета температурных полей в заготовке и шлифовальном круге при плоском торцовом шлифовании, отличающемся повышенной теплосиловой напряженностью [2]. 5.3. ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ РАСЧЕТ А ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОЛЕЙ В ЗАГОТ ОВКЕ И ШЛИФОВАЛЬНОМ КРУГЕ ПРИ ПЛОСКОМ Т ОРЦОВОМ ШЛИФОВАНИИ

Программный комплекс реализует численное решение методом конечных элементов системы из двух дифференциальных уравнений нестационарной теплопроводнос ти (заготовки и шлифовального круга) с учетом геометрических, физических, начальных и граничных условий однозначнос ти [1]. Сущность этого метода заключается в том, что исследуемую континуальную систему тел заменяют дискретным множеством конечных элементов, для каждого из которых составляют баланс энергии (в нашем случае, тепловой), представляющий собой алгебраическое уравнение. Совокупнос ть (систему) полученных таким образом алгебраических уравнений считают аналогом исходной дифференциальной задачи. При этом доказано, что решение этого аналога является приближенным решением дифференциальной задачи, тем более близким к нему, чем больше количество и чем мельче конечные элементы. Подробное описание математической модели и расчетной методики дано в справочном руководстве к программному комплексу, статье [2] и монографии [1]. Программный комплекс состоит из двух модулей: интегрированного в систему трехмерного моделирования SolidWorks модуля пре- и пос тпроцессора, а также расчетного модуля. Первый модуль обеспечивает возможность создания геометрических моделей шлифовального круга и заготовки, генерации расчетных элементов и визуализации результатов расчета. Второй модуль собственно реализует методику численного решения системы дифференциальных уравнений, а также позволяет изменять исходные данные (физические, начальные и граничные условия однозначнос ти). Для работы программного комплекса требуется наличие операционной системы Windows-95, 98 и пакета SolidWorks версии 2000 и выше. Ниже изложен порядок работы с программным комплексом. После установки программного комплекса в стандартном меню SolidWorks появляется меню «Теплоанализ» (рис. 5.1). В режиме препроцессора необходимо выполнить следующие этапы: создать геометрические модели шлифовального круга и заготовки, сгенерировать расчетные элементы и сохранить результаты работы препроцессора в файл данных. 35

36

Рис. 5.1. Главное окно SolidWorks с раскрытым меню «Теплоанализ»

Для создания геометрической модели шлифовального круга следует выбрать пункт меню «Создать круг…», после чего в открывшемся окне (рис. 5.2, а) задать параметры шлифовального круга и нажать кнопку ОК. Созданная в соответствии с заданными параметрами модель круга отобразится в главном окне SolidWorks. Для создания геометрической модели заготовки следует выбрать пункт меню «Создать заготовку…», после чего в открывшемся окне (рис. 5.2, б) задать параметры заготовки и нажать кнопку ОК. Созданная в соответствии с заданными параметрами модель заготовки отобразится в главном окне SolidWorks. Для генерации расчетных элементов следует выбрать пункт меню «Генерировать сетку…», после чего в открывшемся окне (рис. 5.2, в) задать параметры сетки и нажать кнопку ОК. Поскольку процесс генерации расчетных элементов может оказаться продолжительным, текущее состояние этого процесса отображается в окне (рис. 5.2, г), которое по завершению процесса автоматически закрывается. Сгенерированные расчетные элементы можно просмотреть в главном окне SolidWorks, выбрав пункты «Отображать расчетные элементы» или «Отображать тепловое состояние» в меню «Теплоанализ». Во втором случае, расчетные элементы отображаются раскрашенными в соответствии с их текущей температурой. 36

37

б а

г

в

Рис. 5.2. Окна модуля препроцессора для задания параметров инструмента (а), заготовки (б) и разностной сетки (в), а также отображения остояния генерации расчетных элементов (г)

Для сохранения результатов следует выбрать пункт меню «Сохранить проект…», после чего указать имя сохраняемого файла. Далее этот файл (в котором хранится информация о параметрах расчетных элементов) необходимо открыть в расчетном модуле (рис. 5.3).

37

38

Рис. 5.3. Фрагмент главного окна модуля расчета с раскрытым меню «Расчет»

Процесс расчета включает следующие этапы: открытие файла, сгенерированного препроцессором, задание (изменение) исходных данных, собственно расчет и сохранение результатов расчета. Для открытия файла следует выбрать пункт «Открыть…» меню «Файл» главного окна расчетного модуля и указать имя этого файла. Для просмотра и изменения исходных данных следует выбрать соответствующие пункты меню «Расчет» и при необходимости изменять нужные параметры в открывающихся окнах (рис. 5.4). Для удобства пользователя исходные данные сгруппированы по следующим блокам: начальные условия, технологические условия, физические условия, граничные условия и параметры расчета. В блоке технологических условий (см. рис. 5.4, а) задают элементы режима торцового шлифования и параметры, определяющие траектории перемещения заготовки, шлифовального круга и зоны контакта в процессе обработки. В блоке начальных условий (см. рис. 5.4, б) задают начальное условие однозначнос ти в виде однородного распределения температуры либо иного, взятого из открытого файла данных. Блок физических условий позволяет пользователю выбрать из внутренних баз данных программного комплекса материалы заготовки (см. рис. 5.4, в), шлифовального круга, его смазочных элементов (при необходимости) и СОЖ, задав тем самым их теплофизические свойства (физические условия однозначности). В блоках граничных условий (см. рис. 5.4, г, д) пользователь может просмотреть рассчитанные автоматически по справочным данным [2 – 6] значения плотнос тей соответствующих тепловых потоков и коэффициентов теплоотдачи, либо задать иные значения этих параметров. Последнее обеспечивает программному комплексу свойство эвристичности, т. е. возможности прогнозирования теплового состояния контактирующих объектов при новых условиях обработки. В окне граничного условия в зоне контакта (см. рис. 5.4, г) пользователь может также увидеть значение касательной составляющей силы шлифования, рассчитанное по справочным данным, и при необходимости скорректировать его. Наконец, в блоке параметров расчета (см. рис. 5.4, е) пользователь может задать продолжительность моделируемого теплового процесса. 38

39

б)

а

в

г д

е

Рис. 5.4. Окна расчетного модуля для изменения исходных данных: технологических (а), начальных (б), физических (в), граничных (г, д) условий и параметров расчета (е)

Для начала расчета следует выбрать пункт меню «Начать расчет» меню «Расчет». Текущее состояние выполняемого расчета отображается в строке состояния в нижней части главного окна решателя. По окончании расчета выдается сообщение «Расчет окончен». После этого результаты расчета необходимо сохранить в файл (желательно под новым именем) с помощью пунктов «Сохранить» или «Сохранить как…» меню «Файл». 39

40 Для визуализации результатов расчета необходимо вновь запустить SolidWorks и в меню «Теплоанализ» последовательно выбрать пункты «Открыть проект…» (файл с результатами) и «Отображать тепловое состояние». Более подробные инструкции по работе с программным комплексом даны в контекс тной справке каждого из программных продуктов. 5.4. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТ Ы 1) Согласовать с преподавателем исходные данные для численного исследования: - геометрические параметры шлифовального круга (см. рис. 5.2, а) и заготовки (рис. 5.2, б); - марку (или марки) обрабатываемого материала, характеристику круга и состав (составы) СОЖ; - диапазоны и шаги варьирования в исследовании элементами режима плоского торцового шлифования (см. рис. 5.2, в). 2) С учетом исходных данных по п. 1 разработать план исследования по форме табл. 5.1. 5.1. План исследования № расчета

Марка материала заготовки

Характеристика круга

Состав СОЖ

Параметры Рабочая Скорость скорость стола, круга, м/с м/мин

Подача на ход, мм

Угол между заготовкой и кругом, град

1 2 …

Согласовать разработанный план с преподавателем. 3) Подготовить бланк таблицы результатов исследования по форме табл. 5.2. 5.2. Результаты исследования № расчета 1 2 …

Результаты расчета Касательная составляющая силы Максимальная температура шлифования Рz, Н Tmax, К

4) Запустить программу SolidWorks и создать геометрические модели шлифовального круга и заготовки по данным п. 1. 40

41 5) Сгенерировать расчетные элементы, руководствуясь при назначении параметров расчетной сетки (рис. 5.2, в) следующими правилами: а) общее число расчетных элементов в каждом из анализируемых объектов (круг и заготовка) должно быть не менее 1000; б) число расчетных элементов вдоль каждой из координатных осей должно быть пропорционально габаритному размеру анализируемого объекта в этом направлении и не менее 5. 6) Сохранить данные о расчетных элементах в файл, закрыть SolidWorks и запустить модуль расчета. Последующие пять пунктов (с 7 по 11) выполнить для каждой точки разработанного плана исследований по п. 2. 7) Открыть в модуле расчета файл, сохраненный в п. 6. 8) Изменить технологические и физические условия однозначности в соответс твии с текущей точкой плана исследований. 9) Установить в параметрах расчета продолжительность теплового процесса, равную 60 с. 10) В окне граничного условия в зоне контакта определить значение касательной составляющей силы шлифования, соответствующей анализируемым условиям, и зафиксировать его в табл. 5.2. 11) Выполнить расчет, просмотреть температуры расчетных элементов, определить максимальную из них Tma x и зафиксировать ее значение в табл. 5.2. 12) Сохранить результаты расчета в файле с уникальным именем с помощью команды «Сохранить как…» (при необходимости сохраненные результаты расчета можно просмотреть в виде тепловой картины, запус тив SolidWorks и в меню «Теплоанализ» последовательно выбрав пункты «Открыть проект…» и «Отображать тепловое состояние»). 13) Закрыть модуль расчета. 14) По данным заполненной табл. 5.2 построить диаграммы или графики зависимостей касательной составляющей силы шлифования и максимальной контактной температуры от анализируемых параметров технологических условий обработки (см. табл. 5.1). 15) Проанализировать полученные результаты, сформулировать выводы и составить отчет по работе. 5.5. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА Отчет (см. приложения А и Б) по работе должен содержать титульный лист, исходные данные к исследованию, план исследования, таблицу результатов, диаграммы, графики и выводы. 5.6. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПОДГОТ ОВКИ Какие показатели технологической эффективности шлифования зависят о т тепловой напряженности в зоне обработки? 41

42 Как влияет переориентация на резание со сверхвысокими скоростями на тепловую напряженность в зоне обработки? Какая из схем шлифования наиболее теплонапряженная? В чем преимущества компьютерного моделирования перед натурным экспериментом? В чем заключается сущность метода конечных элементов для решения дифференциальных уравнений и систем? Как связано число расчетных элементов с точностью и скоростью расчета теплового состояния системы «шлифовальный круг–заготовка»? Какие исходные данные задают в блоке физических условий? Какие технологические методы и приемы воздействия на температурный режим обработки позволяет моделировать изученный программный комплекс? Перечислите основные этапы численного исследования теплосиловой напряженности процесса шлифования посредством изученного программного комплекса. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Киселев, Е. С. Теплофизический анализ концентрированных операций шлифования / Е. С. Киселев, В. Н. Ковальногов. – Ульяновск : УлГТУ, 2002. – 140 с. 2. Ковальногов, В. Н. Теплофизический анализ как основа проектирования композиционных шлифовальных кругов / В. Н. Ковальногов, С. М. Михайлин // Изв. вузов. Машиностроение. – 2006. – № 3. – С. 53 – 65. 3. Попов, С. А. Шлифовальные работы: учеб. для проф. учеб. заведений / С. А. Попов. – М. : Высшая школа, 1999. – 384 с. 4. Справочник шлифовщика / Л. М. Кожуро, А. А. Панов, Э. И. Ремизовский, П. С. Чистосердов; под общ. ред. П. С. Чистосердова. – Минск : Вышэйшая школа, 1981. – 287 с. 5. Кащук В. А. Справочник шлифовщика / В. А. Кащук, А. Б. Верещагин. – М. : Машиностроение, 1988. – 480 с. 6. Термодинамика и теплопередача / А. В. Болгарский, Г. А. Мухачев, В. К. Щукин. – М. : Высшая школа, 1975. – 495 с.

42

43 6. УЧЕБНО -ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ ЛАБО РАТОРНАЯ РАБО ТА № 5. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ ПРИ ПЛОСКОМ ШЛИФОВАНИИ ЗАГОТОВОК ИЗ РАЗЛИЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ 6.1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ Приобретение практических навыков измерения технологических остаточных напряжений неразрушающим методом и оценка влияния технологических условий шлифования на ос таточные напряжения в поверхностном слое детали. 6.2. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОСТ АТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЯХ Технологическими остаточными напряжениями называют механические напряжения, существующие в поверхностном слое детали машины при отсутс твии внешних силовых, тепловых и других воздействий и являющиеся результатом неравномерного пластического деформирования поверхностного слоя материала в технологическом процессе изготовления детали. В зависимости от знака различают сжимающие (отрицательные) и растягивающие (положительные) остаточные напряжения. Технологические остаточные напряжения часто оказывают определяющее влияние на эксплуатационные свойства деталей машин, прежде всего на усталостную прочность, износостойкость, контактную жесткость, коррозионную с тойкость, а также на точность их размеров и формы [1 – 3]. Из анализа научно-технической литературы следует, что в одних случаях (для стабилизации точности прецизионных маложестких и тонкостенных деталей, для уменьшения вероятнос ти возникновения микротрещин в поверхностном слое детали) целесообразно уменьшать абсолютную величину остаточных напряжений и их градиент по глубине поверхностного слоя, в других (для повышения усталостной прочнос ти, износостойкости и коррозионной стойкости) – формировать в поверхностном слое сжимающие технологические остаточные напряжения, распространяя их при этом на максимально возможную глубину. Во всех случаях формирование рас тягивающих технологических остаточных напряжений в поверхностном слое деталей машин нежелательно. Вмес те с тем высокая вероятность образования именно растягивающих остаточных напряжений в поверхностном слое заготовок характерна для целого ряда заключительных, прежде всего шлифовальных, операций технологического процесса изготовления деталей машин. Основная причина этого – доминирующее воздействие теплового фактора, проявляющееся в мгновенном локальном нагреве и охлаждении тонких поверхностных слоев металла под зоной резания. 43

44 Наиболее распространен метод Н. Н. Давиденкова - И. А. Биргера измерения технологических ос таточных напряжений [1]. В соответствии с ним измеряют и фиксируют деформации анализируемого тела, возникающие в результате послойного травления его поверхнос ти. Дело в том, что до снятия слоя, напряжения в нем уравновешиваются напряжениями в нижележащем слое, а после снятия слоя (и напряжений в нем) неуравновешенные напряжения в нижележащем слое деформируют тело. Полученные данные о деформациях затем пересчитывают в остаточные напряжения путем решения уравнений классической механики. Наряду с трудоемкостью метода, существенным его недостатком является разрушение образца вследствие послойного его травления. В последнее время все большее распространение получают так называемые неразрушающие методы [4] измерения остаточных напряжений, основанные на корреляционной связи между ними и теми или иными электромагнитными свойствами образца. 6.3. ИЗМЕРИТ ЕЛЬНО-ВЫЧИСЛИТ ЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС СИТОН-АРМ ДЛЯ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО ИЗМЕРЕНИЯ Т ЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОСТ АТ ОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ

Измерительно-вычислительный комплекс (ИВК) СИТОН-АРМ (рис. 6.1) предназначен для автоматизированного неразрушающего измерения остаточных напряжений в поверхностном слое изделий из металлов и сплавов. Остаточные напряжения определяются путем измерения удельной электропроводности поверхностного слоя посредством регистрации и математической обработки его амплитудо-фазо-частотной характеристики (АФЧХ).

1

2

3

4

5

Рис. 6.1. Общий вид ИВК СИТОН-АРМ: 1 – электроконтактный датчик; 2 – образец; 3 – источник бесперебойного питания; 4 – электронный блок; 5 – монитор персонального компьютера

44

45 Укрупненно процесс измерения остаточных напряжений состоит из трех основных этапов : 1) сканирование поверхностного слоя образца с целью получения АФЧХ поверхностного слоя путем сообщения ему серии высокочастотных импульсов электрического тока и регистрации их искажений; 2) калибровка, состоящей в задании (или подборе) корреляционной зависимости для преобразования полученной АФЧХ в эпюру остаточных напряжений; 3) идентификация АФЧХ с построением эпюры остаточных напряжений. Для реализации этого процесса в состав комплекса входят (см. рис. 6.1): электронный блок 4 с источником бесперебойного питания 3, набор электроконтактных датчиков 1, персональный компьютер 5 со специальным программным обеспечением, а также соединительные кабели. Электроконтактный датчик 1 служит для сообщения поверхнос тному слою образца задающих импульсов тока и снятия с него откликов (в наборе имеются датчики нескольких типоразмеров для сканирования образцов разного размера). Электронный блок 4 генерирует задающие импульсы и накапливает отклики. Блок бесперебойного питания 3 обеспечивает с табилизацию и бесперебойность питания электронного блока. Персональный компьютер 5 служит для сбора, расшифровки и хранения АФЧХ, поступивших с электронного блока, построения, отображения и распечатки эпюр напряжений и др. Подробное описание устройства ИВК СИТОН-АРМ и его эксплуатации дано в Инструкции пользователю (размещена в каталоге с программным обеспечением ИВК). Ниже приведена типовая последовательнос ть действий для измерения остаточных напряжений: 1. Подготовить прибор к работе и зафиксировать электроконтактный датчик на поверхнос ти образца в соответствии с Инс трукцией по эксплуатации ИВК СИТОН-АРМ. 2. Запустить программный интерфейс SITONMain.exe (рис. 6.2). Выбрать вкладку «АФЧХ-тестирование. Протоколы». 3. Создать новый протокол измерений, нажав кнопку «Создать», в открывшемся окне «Редактирование/создание протокола» (рис. 6.3) указав сведения об измеряемом образце и нажав кнопку «Создать протокол по введенным параметрам». 4. Запустить процесс сканирования поверхностного слоя образца, нажав кнопку «Запустить процесс измерения» в главном окне и следуя появляющимся инструкциям. 5. Выполнить калибровку измерения, выбрав вкладку «Калибровки по ОН» в главном окне интерфейса и отметив в списке калибровок подходящую (рис. 6.4). 6. Выполнить идентификацию результатов сканирования поверхнос тного слоя, выбрав вкладку «Скан-идентификация ОН» в главном окне интерфейса (рис. 6.5). 45

46

Рис. 6.2. Главное окно интерфейса СИТОН-АРМ с выбранной вкладкой «АФЧХ – тестирование. Протоколы»

Рис. 6.3. Окно «Редактирование/создание протокола»

46

47

Рис. 6.4. Главное окно интерфейса СИТОН-АРМ с выбранной вкладкой «Калибровки по ОН»

Рис. 6.5. Главное окно интерфейса СИТОН-АРМ с выбранной вкладкой «Скан-идентификация ОН»

47

48 7. Сгенерировать отчет об измерении, последовательно нажав кнопки «Калибровку в протокол» и «Отчет» в главном окне интерфейса (см. рис. 6.5) и выбрав в открывшемся окРис. 6.6. Окно «Подготовка отчета» не (рис. 6.6) шаблон отчета. После нажатия кнопки «Отчет в выбранный шаблон» будет сгенерирован и открыт в Microsoft Word файл отчета в формате rtf, содержащий результаты измерения остаточных напряжений, который может быть распечатан. 8. Закрыть все окна программного интерфейса СИТОН-АРМ, снять образец и выключить ИВК в соответствии с Инструкцией по эксплуатации ИВК СИТОН-АРМ. 6.4. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТ Ы 1) Получить у преподавателя образцы для исследований, поверхнос ти которых обработаны в различных технологических условиях. 2) Изучить устройство ИВК СИТОН-АРМ и Инс трукцию по его эксплуатации. 3) Выполнить измерения, сгенерировать и распечатать отчеты по ним. 4) Проанализировать полученные результаты, сформулировать выводы и составить отчет по работе. 6.5. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА Отчет (см. приложения А и Б) по работе должен содержать титульный лист, исходные данные к исследованию (описание образцов для исследования и технологических условий их получения), отчеты по измерениям, сгенерированные ИВК СИТОН-АРМ по их результатам, анализ этих отчетов и выводы. 6.6. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПОДГОТ ОВКИ Что такое технологические остаточные напряжения? Под воздействием каких факторов формируются технологические ос таточные напряжения? 48

49 Могут ли повлиять остаточные напряжения на коррозионную стойкость детали? В чем преимущества и недос татки неразрушающих методов измерения остаточных напряжений? Какого знака остаточные напряжения, как правило, формируются при шлифовании? Как повлияет увеличение скорости врезной подачи шлифовального круга на величину и глубину распространения в поверхностном слое технологических остаточных напряжений? Какой характер распределения остаточных напряжений в поверхностном слое предпочтительнее с позиции исключения образования микротрещин? Из каких основных этапов состоит процесс измерения технологических остаточных напряжений на ИВК СИТОН-АРМ? В чем заключается калибровка ИВК СИТОН-АРМ? БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Биргер, И. А. Остаточные напряжения / И. А. Биргер. – М. : Машгиз, 1963. – 232 с. 2. Суслов, А. Г. Качество поверхностного слоя деталей машин / А. Г. Суслов. – М. : Машиностроение, 2000. – 320 с. 3. Подзей А. В. Технологические остаточные напряжения / А. В. Подзей – М. : Машиностроение, 1973. – 305 с. 4. Экспериментальные методы исследования деформаций и напряжений / Б. С. Касаткин, А. Б. Кудрин, Л. М. Лобанов и др. – Киев : Техника, 1981. – 232 с.

49

50 ПРИЛОЖЕНИЕ А Образец титульного листа отчета по учебно-исследовательской лабораторной работе Федеральное агентство по образованию ГОУ ВПО Ульяновский государственный технический университет Кафедра «Технология машиностроения»

Лабораторная работа № 1 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ОКРУЖНЫХ СКОРОСТЕЙ КРУГА И ЗАГОТОВКИ ПРИ КРУГЛОМ НАРУЖНОМ ШЛИФОВАНИИ НА ЕГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКУЮ ЭФФЕКТИВНОСТЬ

Выполнил:

студент гр. МТМд-51 ______________/Иванов И.И./

Проверил:

доцент, к.т.н. ______________/ Петров П.П./

Ульяновск 2006

50

51 ПРИЛОЖЕНИЕ Б Типовое содержание отчета по учебно-исследовательской лабораторной работе 1. 2. 3. 4.

Цель работы. Состав опытов, выполненных в ходе исследования Результаты исследования в виде графиков, диаграмм, таблиц. Анализ результатов и выводы.

Учебное издание КИСЕЛЕВ Евгений Степанович, КОВАЛЬНОГОВ Владислав Николаевич Научные основы и технология шлиф ования заготовок Сборник учебно-иссл едовательских лабораторных работ Корректор Подписано в печать 30.11.2006. Формат 60×84/16. Бумага офсетная. Усл. печ. л. 3,25. Тираж 100 экз. Заказ Ульяновский государственный технический университет, 432027, г. Ульяновск, Сев. Венец, 32. Типография УлГТУ, 432027, г. Ульяновск, Сев. Венец, 32.

51