книги из ГПНТБ / Корчак, С. Н. Производительность процесса шлифования стальных деталей

деталей вследствие изменения силы резания Р, жесткости станка (/„ — жесткость передней бабки и /3— жесткость задней бабки), режущего инструмента (/р —-жесткость режущего инструмента) и других действующих факторов [2]. Аналогичные явления с отдельными изменениями их характера имеют место при всех видах обработки деталей на станках и других видах оборудования (например, прессах), а также в процессе эксплуатации подавляющего большинства современных машин.

Анализ равенства [3] показывает, что на появление отклонений размера партии обработанных деталей, изме­ ряемого у всех деталей в одном и том же поперечном сече­ нии, наиболее существенное влияние оказывает отклоне­ ние силы резания, так как жесткость системы может быть практически принята постоянной для каждого из выбран­ ных сечений детали, т. е.

Из этого равенства следует, что для уменьшения откло­ нения размера динамической настройки А д , для повы­ шения точности размера партии деталей, т. е. для выпол­ нения условия Ад = const, необходимо стабилизировать силу резания Р или чтобы АР = 0. Эти положения яв­ ляются определяющими для операций механической об­ работки, в частности для шлифования [2, 3]. Произво­ дительность шлифования для определенных условий об­ работки (характеристика круга, режимы, жесткость и состояние станка) ограничивается точностью геометри­ ческих форм и размеров детали, а также требуемой шеро­ ховатостью поверхности.

При определенной жесткости станка и детали требуе­ мая точность и производительность шлифования могут быть обеспечены только при условии, что величина и колебания радиальной силы не будут превышать некото­ рого определенного значения.

При работе с ручной подачей осуществляется управле­ ние упругими перемещениями инструмента, поддерживая заданную чертежом точность обработки путем стабили­ зации средней радиальной силы шлифования или силы прижима круга к детали. Таким образом, стабилизация силы Ру на протяжении времени цикла обработки детали приводит к автоматическому поддержанию заданной точ­ ности и качества обработки (рис. 1).

20

В реальном (неуправляемом адаптивно) процессе обра­ ботки все факторы могут быть переменны. Однако для изготовления детали, годной по техническим условиям чертежа, даже при ручном управлении станками, опре-

Рис. 1. Влияние колебаний радиальной силы на точ­ ность и качество обработки при шлифовании с ра­ диальной подачей

деленные технологические параметры поддерживаются в возможных пределах постоянными на предельно допу­ стимом уровне. Обычно это сила резания в направлении размера детали, т. е. Ру. В адаптивном процессе обработки (САУ), как известно, поддерживается режим обработки на предельно допустимой стабилизированной силе, с авто­

21

матическим обеспечиванием наивысшей для данной си­ стемы СПИД производительности процесса.

При переменности всех факторов, действующих в про­ цессе обработки, для установления закономерностей сле­ дует часть из них отнести к задаваемым, управляемым или стабилизированным величинам, определяющим изго­ товление годной (по техническим условиям чертежа) детали. Тогда появляется возможность исследовать влия­ ние остальных факторов (неуправляемых и изменяющихся по объективным физическим условиям конкретных условий обработки) на производительность процесса. Следова­ тельно, стабилизация радиальной силы по уравнению равновесия (2) позволяет оценивать влияние ряда техно­

где /г, — коэффициент, учитывающий долю напряжений, действующих в направлении силы РУз, для

данной геометрии инструмента.

Оценивая производительность процесса шлифования по толщине среза ау, искомую зависимость можно за­ писать

Эта зависимость справедлива в том случае, если инструмент не затупляется. Однако на зерне в процессе работы появляется площадка затупления по задней грани, непрерывно увеличивающаяся во времени l3 (t), в соответствии с теми или иными закономерностями из­ носа, характерными для рассматриваемых условий об­ работки. Вместе с ростом площадки /3 на ней будут расти и силы радиального отжатия и трения, возникающие от напряжений под площадкой износа (на рис. 29 эта зона ограничена гиперболой). Таким образом в направле­ нии радиального отжатия инструмента будут действовать две радиальных составляющих силы: Р^ — от среза

толщиной ау и ри — от напряжений нормальных к пло­ щадке износа /3. Последняя составляющая для плоской

22

схемы резания (см. рис. 29) может быть выражена

При затуплении зерна круга и увеличении /3 величина толщины среза (ay) при Ру = const уменьшается или при ау = const увеличивается Ру. Учитывая этот фактор, общая структурная зависимость взаимосвязи производи­ тельности процесса шлифования (выраженная через тол­ щину среза) с технологическими факторами приобретает вид:

А. Я- Малкин отмечал, что весь комплекс вопросов, изучаемых в современном учении о резании металлов, наиболее правильно будет разделить на два фактора. Первый фактор связан с изучением физико-механических и химических процессов, происходящих в материале при его механической обработке. Второй фактор заключается в изучении физико-механических и химических процессов, происходящих на поверхности режущего лезвия инстру­ мента при различных внешних условиях.

Эти факторы нашли определенное отражение в фор­ муле (6): обрабатываемость — в виде интенсивности на­ пряженного состояния, зависящего от механических свойств материала при скорости деформации и темпера-

23

туре металла, характерных для исследуемого процесса обработки, а износ инструмента — в виде текущего зна­ чения износа по задней грани, т. е. в функции времени — 4 (t). Установление общей зависимости (6) позволяет количественно определять меру относительного воздей­ ствия тех или иных параметров процесса на производи­ тельность обработки и прогнозировать изменение ее от изменения основных факторов.

Таким образом, формула (6) устанавливает в самом общем виде функциональную связь между производитель-

Рис. 2. Обобщенные факторы, влияющие на измене­ ние относительной производительности шлифования

ностью процесса (в функции s) и тремя факторами: ра­ диальной силой или силой любого другого направления, которая может быть использована для стабилизации или управления процессом; геометрией и величиной затупле­ ния инструмента за время его работы и сопротивлением металла пластическому деформированию, оцениваемому интенсивностью напряжений в условиях температурно­ скоростных интервалов деформаций, присущих рассма­ триваемому процессу обработки.

Перечисленные факторы являются обобщающими (рис. 2), так как основаны на многих из возможных изме­ нений исходных технологических параметров процесса обработки. Действие любых частных факторов (например, СОЖ на стойкость инструмента, свойств материала на силы) может быть исследовано под углом влияния их на

24

Использование обобщенных факторов позволяет мате­ матически формализовать взаимосвязь различных тех­ нологических условий обработки. Полученная зависи­ мость отражает самые общие физические (в контактной зоне) и технологические (в системе СПИД) связи между наиболее общими, определяющими производительность обработки, факторами. При исследовании конкретных процессов резания металлов формула (6) будет соответ­ ствующим образом изменяться в зависимости от особен­ ностей процесса нагружения инструмента, деформации (или иного вида разрушения) металла и поведения режу­ щего инструмента.

Определение производительности шлифования сталей

Процесс шлифования отличается от резания лезвийным инструментом тем, что срезание припуска производится не одной режущей кромкой, а совокупностью режущих кромок ограниченного размера — абразивными зернами круга, причем под действием радиальной силы в зоне дуги контакта по всей высоте круга (или его рабочей части) работает одновременно несколько зерен, которые внедряются в металл на меньшую глубину по сравнению с единичным режущим лезвием. Поэтому формула (6) применительно к процессу шлифования претерпевает некоторые изменения по форме.

Применительно к работе единичного зерна круга формула (6) сохраняет свой вид, при этом подача является шириной среза s от единичного зерна (рис. 3). Тогда

1Чш л^

Взависимости от радиальной силы Ру будет изме­ няться длина дуги контакта L (рис. 3), и на 1 см высоты круга будет изменяться количество зерен, одновременно находящихся в контакте с деталью. Например, с увели­

чением радиальной силы наряду с углублением зерен в металл будет изменяться площадь зоны контакта в ре­ зультате роста длины дуги (рис. 3, а и б). Следовательно, одновременно с увеличением L возрастает количество одновременно работающих зерен п (при росте L), пока суммарная площадь сечения среза от всех участвующих

25

в одновременном контакте зерен не уравновесит внешнюю нагрузку. Тогда при Fc = as (от одного зерна) и от суммы

Следовательно, увеличение Ру будет вызывать соот­ ветственное увеличение площади суммарного среза от

Рис. 3. Схема изменения одновременно работаю­ щих в зоне дуги контакта зерен п круга и толщины среза а с увеличением радиальной силы:

Р У\ < Р У -’ < П * < П 2- ° 1 < “ 2. Sl S2

всех зерен, находящихся одновременно в контакте (т. е.

^ Fc = asn). Если площадь контакта возрастет в 2 раза, то количество зерен увеличивается также в 2 раза. При этом заглубление зерен также должно увеличиться при­ мерно в 2 раза (так как длину дуги контакта увеличивали в 2 раза). Следовательно, суммарная площадь среза от всех зерен при увеличенной нагрузке возрастет в 4 раза (при s = const). Так как s при этом несколько увеличится,

то - j Fc может возрасти в 5— 6 раз, т. е. при двукратном увеличении а суммарная площадь среза от всех зерен ^ F c,

26

среза а от одного зерна значительно отстает от роста Ру. Кроме того, можно ожидать, что с увеличением L насту­ пает критическое значение величины а, больше этого значения толщина среза не увеличивается, так как пре­ дыдущие зерна оставляют последующим уже частично срезанный металл и в этом случае изменение L (с ростом Ру)

приводит к увеличению 2 только в результате роста количества одновременно работающих в зоне контакта зерен (при ятах = const).

В связи с этим можно полагать, что а изменяется при шлифовании от 0 до атах. Последняя величина зависит от зернистости круга, его твердости и структуры (расстоя­ ния между работающими зернами). В работах Л. А. Глей­ зера отмечается незначительное увеличение а при суще­ ственном росте радиальной силы (для зернистостей 25— 50 при различной радиальной силе а изменяется в пре­ делах 5—7 мкм). Это подтверждается при визуальном изучении под бинокулярным микроскопом шлифовочных стружек, которые заметно не изменяют своей толщины с изменением поперечной подачи.

Таким образом, оценка производительности шлифова­

ния по Yi Fс = asn формулы (8) оказывается сложной и неудобной по сравнению с формулой (1) для однолез­ вийной обработки вследствие изменения всех трех со­ ставляющих суммарного сечения среза (a, s и особенно п) при изменении Ру.

Для построения расчетной физической модели про­ цесса шлифования следует или учесть одновременную обработку металла несколькими зернами в зоне контакта с кругом, или рассматривать плоскую схему резания одним зерном с учетом действия силы, приходящейся на 1 мм длины условной режущей кромки зерна. В действи­ тельности кромка зерна гораздо меньше. Эта последняя схема исключает необходимость одновременного учета п, s и а, позволяя в то же время производить относительную расчетную оценку изменения производительности врез­ ного шлифования по толщине среза ау от условного еди­ ничного зерна.

Тогда величина ау будет соответствовать заглублению одного условного зерна (хотя реально в работе могут участвовать несколько) с шириной среза s = 1 мм от

27

кромки зерна. Эту величину ау примем в качестве числен­ ного критерия для оценки производительности шлифова­

метрии режущей части зерен и характера пластического течения металла в зоне деформации (т. е. в основном от поля скоростей деформаций), возможен на основе анализа напряженного состояния в зоне резания.

Расчетная производительность шлифования по фор­ муле (9) определяется в зависимости от величины сопро­ тивления сталей внедрению зерен круга в условиях шлифования (а не от условных показателей прочности стали, например, аь или ат), а также от степени затупле­ ния зерен круга (4), изменяющегося во времени с разной интенсивностью для сталей разных марок.

Химический состав сталей и сплавов оказывает опре­ деляющее влияние на оба эти фактора. Во-первых, хими­ ческий состав влияет на производительность через те или иные изменения в структуре стали. Это качественное влия­ ние широко изменяющихся химических составов сталей и сплавов оценивается в формуле (9) интенсивностью

\е/шлУ 1

шлифованием. Во-вторых, химический состав сталей влияет на изменение производительности через изменение интенсивности износа зерен круга за определенное время шлифования /3 (/)• Последняя величина зависит, в свою очередь, как от сопротивления сталей шлифованию и наличию в структурах сталей твердых карбидов и вклю­ чений, определяющих механический износ зерен, так и от активности диффузионно-окислительных процессов,

28

протекающих между окислами и гидратами окислов эле­ ментов, входящих в состав сталей (которые образуются в зоне шлифования наповерхностях резания под дей­ ствием высокой температуры шлифования, СОЖ и термо­ электрических потенциалов), и материалом абразивных зерен, например, окисью алюминия (для зерен электро­ корунда).

Различная химическая активность окислов элементов, входящих в состав сталей разных марок, но имеющих даже близкие по величине сопротивления сталей шлифо­ ванию (т. е. имеющие схожую обрабатываемость шлифо­ ванием), может оказывать решающее влияние на интен­ сивность износа зерен и, следовательно, на изменение общей производительности за определенное время шлифо­ вания. Так, стойкость электрокорундовых кругов при шлифовании сталей, дающих окислы элементов, химически более активных к окиси алюминия, будет очевидно меньше, чем при шлифовании сталей, содержащих элементы, дающие более нейтральные окислы по отношению к зер­ нам электрокорунда.

По формуле (9) можно определить производительность для'различных условий чистового круглого врезного шли­ фования (без существенного самозатачивания кругов) деталей 1—4-го классов точности, 7—5-го классов чистоты поверхности, изготовленных из сталей разных марок, а также выполнить экспериментальную и производственно­ статистическую проверку полученных расчетных данных

ВЗАИМОСВЯЗЬ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ШЛИФОВАНИЯ СТАЛЕЙ С ИНТЕНСИВНОСТЬЮ НАПРЯЖЕНИЙ

Сложная пластическая деформация металлов, харак­ терная для большинства технологических’процессов формо­ изменения (прокатки, давления, резания), вызывает не­ обходимость вначале проанализировать механику про­ цесса резания с учетом особенностей шлифования для возможности последующего использования данных стан­ дартных механических испытаний разных сталей (напри­ мер, на разрыв или сжатие) для оценки их обрабатывае­ мости шлифованием. При этом не ставится цель совер­

29