ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ГринЬОВ Артем Олександрович

УДК 621.923

ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ АЛМАЗНОГО ШЛІФУВАННЯ

ВАЖКООБРОБЛЮВАНИХ ІНСТРУМЕНТАЛЬНИХ СТАЛЕЙ ПРИ

ОБРОБЛЕННІ ЗІ ЗБІЛЬШЕНИМИ ДУГАМИ КОНТАКТУ Круга

ІЗ ЗАГОТОВКОЮ

Спеціальність 05.03.01 - Процеси механічної обробки,

верстати та інструменти

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Донецьк - 2005

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі “Металорізальні верстати та інструменти” Донецького національного технічного університету Міністерства освіти та науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Матюха Петро Григорович,

Донецький національний технічний

університет, завідувач кафедри

“Металорізальні верстати та

інструменти”

Офіційні опоненти: доктор технічних наук,

старший науковий співробітник

Лавріненко Валерій Іванович,

Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України, м. Київ,

завідувач лабораторії шліфування матеріалів, інструменту із надтвердих матеріалів

кандидат технічних наук, доцент

Русанов Віктор Васильович,

Національний технічний університет “ХПІ”, м. Харків,

доцент кафедри “Інтегровані технології машинобудування” ім. М.Ф. Семко

Провідна установа: Донбаська державна машинобудівна академія, кафедра “Металорізальні верстати та інструменти” Міністерства освіти та науки України, м. Краматорськ

Захист відбудеться “ 15 “ грудня 2005 р. о 14.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 11.052.04 Донецького національного технічного університету за адресою: 83000, м. Донецьк, вул. Артема, 58, ДонНТУ, 6-й навчальний корпус, ауд. 6.202.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці ДонНТУ за адресою: 83000, м. Донецьк, вул. Артема, 58, ДонНТУ, 2-й навчальний корпус.

Автореферат розісланий “ 14 “ листопада 2005 р

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради, к.т.н., доцент ІвченкоТ. Г.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Розвиток інструментальної промисловості є однією з умов успішного рішення завдань, пов'язаних з підвищенням конкурентноздатності продукції машинобудування в умовах ринкових відносин. Як результат, у цей час для виготовлення інструментів усе ширше застосовуються нові інструментальні матеріали та прогресивні процеси їх оброблення, які забезпечують необхідну якість виробів при низькій собівартості і відповідають рівню високих технологій. Широке використання при виготовленні різальної частини інструментів дістали швидкорізальні сталі підвищеної продуктивності, тверді сплави, мінералокераміка, надтверді матеріали. Механічне оброблення цих матеріалів пов’язане з певними труднощами, обумовленими високою твердістю компонентів, яка дорівнює твердості абразивних матеріалів. Тому перераховані матеріали обробляються алмазним шліфуванням, а висока різальна здатність круга підтримується за допомогою електро-фізикохімічних дій на робочу поверхню круга (РПК).

Операція заточування поверхонь інструмента або шліфування поверхонь багатогранних непереточуваних пластин (БНП) має особливу рису, яка відрізняє її від звичайного багатопрохідного шліфування периферією шліфувального круга, а саме, збільшеною довжиною дуги контакту круга з деталлю, яка в 10-20 разів перевищує аналогічний параметр при багатопрохідному шліфуванні периферією круга. Довжина дуги контакту при операціях заточування визначена розміром поверхні, що заточується, у напрямку вектора швидкості різання. Оскільки при заточуванні інструмента і шліфуванні поверхонь БНП вся оброблювана поверхня контактує з робочою поверхнею круга, то збільшені дуги контакту круга з деталлю змінюють умови видалення стружки із зони оброблення, що відбивається на різальній здатності круга.

Сьогодні пошук оптимальних режимів заточування інструментів або шліфування БНП здійснюється експериментальними методами, що дає лише часткові рішення і не розкриває причин погіршення різальної здатності круга, знання яких дозволяє знайти менш трудомісткі та більш точні способи пошуку оптимальних режимів шліфування.

У цьому зв'язку робота, яка спрямована на зниження собівартості алмазного шліфування ванадієвих інструментальних сталей при обробленні зі збільшеними дугами контакту круга із заготовкою за рахунок оптимізації режимів шліфування та електроерозійних керуючих дій на робочу поверхню круга, є актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана на кафедрі “Металорізальні верстати та інструменти” Донецького національного технічного університету в рамках науково-дослідних тем “Розвиток теорії керуючих дій на робочу поверхню круга з метою стабілізації вихідних технологічних показників шліфування”, номер держреєстрації 0197 U008203, і “Теоретичні основи стабілізації показників шліфування за пружною схемою за допомогою керуючих дій на робочу поверхню круга”, номер держреєстрації 0100 U001053 (напрямок – 10 “Енергозберігаючі технології”). Замовник – Міністерство освіти та науки України.

Мета і задачі досліджень. Мета дослідження – зниження собівартості алмазного шліфування ванадієвих інструментальних сталей при обробленні зі збільшеними дугами контакту круга із заготовкою за рахунок оптимізації режимів шліфування та режимів електроерозійних керуючих дій на РПК.

Об'єктом дослідження є процес алмазного шліфування ванадієвих інструментальних сталей в умовах збільшених дуг контакту круга із заготовкою.

Предметом дослідження є різальна здатність РПК при шліфуванні зі збільшеними дугами контакту круга із заготовкою та режими оброблення з урахуванням явищ засалювання мікрорельєфу контактних площадок алмазних зерен.

Методи дослідження: теоретичні методи, які базуються на фундаментальних положеннях теорії різання, математичне моделювання, експериментальні методи.

Для досягнення вищевказаної мети необхідно вирішити наступні задачі:

1. Розробити математичну модель процесу алмазного шліфування за пружною схемою зі збільшеними дугами контакту круга із заготовкою, що дозволить описати зміну швидкості занурення РПК у заготовку у різні періоди часу роботи круга.

2. Установити причину зниження швидкості занурення РПК у заготовку при шліфуванні інструментальних сталей за пружною схемою при обробленні зі збільшеними дугами контакту круга з заготовкою.

3. Розробити розрахунково-експериментальну методику визначення оптимальних режимів алмазного шліфування зі збільшеними дугами контакту круга із заготовкою за критерієм мінімальної питомої собівартості оброблення.

4. Визначити оптимальні режими шліфування та керуючих дій на РПК при алмазному шліфуванні заготовок з ванадієвих інструментальних сталей з використанням пружної схеми оброблення.

5. Експериментально перевірити оптимальність розрахованих за запропонованою методикою режимів шліфування та режимів керуючих дій.

6. Розробити методику розрахунку режимів оброблення зі збільшеними дугами контакту круга із заготовкою для жорсткої схеми шліфування з використанням режимів шліфування за пружною схемою. Результати досліджень впровадити у виробництво та навчальний процес.

Наукові положення, які виносяться на захист:–

товщина одиничних зрізів, яка визначає силу опору оброблюваного матеріалу впровадженню РПК у поверхню заготовки при шліфуванні за пружною схемою, залежить від висоти нерівностей на поверхні різання, що сформовані РПК у процесі оброблення із заданим зусиллям підтискання заготовки до круга;–

різальна здатність круга при шліфуванні за пружною схемою ванадієвих інструментальних сталей в умовах збільшених дуг контакту погіршується в міру заповнення мікрорельєфу контактних площадок зерен оброблюваним матеріалом, а її максимальне значення обмежене різальною здатністю робочої поверхні, на якій мікрорельєф контактних площадок алмазних зерен не заповнений оброблюваним матеріалом;–

температура на поверхні різання при шліфуванні за пружною схемою є однаковою з температурою на поверхні різання при шліфуванні за жорсткою схемою ідентичного оброблюваного матеріалу кругами аналогічних характеристик, якщо параметри одиничних зрізів і час оброблення будуть ідентичні.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Уперше розроблена математична модель процесу алмазного шліфування зі збільшеними дугами контакту за пружною схемою як нестаціонарного процесу по продуктивності та температурі різання. Модель дозволяє аналітично розрахувати швидкість занурення РПК у зразок у будь-який момент часу оброблення без урахування процесів засалювання РПК при відсутності фазово-структурних перетворень у поверхневому шарі заготовки і, таким чином, визначити режими, що забезпечують максимальну продуктивність оброблення.

2. Установлено, що причиною аномально швидкої втрати різальних властивостей РПК при шліфуванні зі збільшеними дугами контакту круга з зразком є заповнення оброблюваним матеріалом мікрорельєфу контактних площадок на алмазних зернах.

3. Уперше розроблена методика розрахунку перемінної складової технологічної собівартості станко-години шліфування зі збільшеними дугами контакту за пружною схемою з урахуванням явищ засалювання мікрорельєфу контактних площадок алмазних зерен.

4. Уперше розроблена методика розрахунку оптимальних за критерієм мінімальної питомої собівартості оброблення режимів алмазного шліфування і електроерозійних керуючих дій при обробленні ванадієвих швидкорізальних сталей із збільшеними дугами контакту.

5. Установлено, що в процесі електроерозійних керуючих дій на РПК зміна різальної здатності круга відбувається циклічно з чергуванням періодів її зниження та підвищення.

Обґрунтованість і достовірність отриманих результатів, а також зроблених висновків підтверджується порівнянням результатів теоретичних розрахунків з експериментальними даними і аналізом отриманих експериментально величин за допомогою методів математичної статистики.

Практичне значення отриманих результатів.

1. Розроблено новий спосіб шліфування (Патент України № 61437А), який дозволяє визначити режими оброблення для жорсткої схеми шліфування за даними режимів для пружної схеми на базі ідентичності глибини різання і часу шліфування, що веде до скорочення трудомісткості пошуку оптимальних режимів оброблення в 4-6 разів.

2. Розроблені методики і програми для ПЕОМ дозволяють розрахувати режими оброблення і електроерозійних керуючих дій на РПК при шліфуванні ванадієвих швидкорізальних сталей зі збільшеними дугами контакту круга з заготовкою при шліфуванні заготовок за пружною і жорсткою схемами.

3. Технологічний регламент на процес шліфування зі збільшеними дугами контакту пропонує виробництву схеми модернізації обладнання для здійснення шліфування з електроерозійними діями на РПК, режими шліфування та електроерозійних дій, що дозволяють підвищити продуктивність більше чим у 5 разів і знизити собівартість оброблення в 2,2 - 5,8 рази в порівнянні зі звичайним алмазним шліфуванням.

4. Розроблена математична модель процесу алмазного шліфування зі збільшеними дугами контакту та програми для ПЕОМ на її основі можуть використовуватися як елементи математичного і програмного забезпечення САПР технологічних процесів шліфування.

5. Результати досліджень впроваджені на ВАТ “Харцизький трубний завод” з очікуваним економічним ефектом 13000 гривень на рік і використовуються в навчальному процесі ДонНТУ при читанні лекцій з дисципліни “Теорія різання” та у лабораторному практикумі з дисципліни “Фізико-механічні методи оброблення”.

Особистий внесок здобувача.

Особисто автором:–

розроблена математична модель процесу шліфування за пружною схемою зі збільшеними дугами контакту круга із заготовкою, яка дозволяє визначити швидкість занурення РПК у поверхню заготовки в будь-який момент часу оброблення без урахування процесів засалювання РПК при відсутності фазово-структурних перетворень у поверхневому шарі заготовки;–

розроблені програми для розрахунків силових і кінематичних характеристик процесу шліфування на ПЕОМ за запропонованою математичною моделлю;–

розроблений пристрій для експериментального дослідження різальної здатності круга при шліфуванні зі збільшеними дугами контакту за пружною схемою, який забезпечує заданий час шліфування та постійну силу підтискання зразка до РПК;–

розроблені методики для визначення перемінних складових технологічної собівартості при шліфуванні зі збільшеними дугами контакту за пружною схемою;–

розроблена методика і програма для ПЕОМ для визначення оптимальних режимів керуючих електроерозійних дій за критерієм мінімальної питомої собівартості;–

розроблений новий спосіб шліфування, який дозволяє визначити режими для жорсткої схеми шліфування за даними режимів для пружної схеми.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися та обговорювалися на:–

VIII Міжнародній науково-технічній конференції “Машинобудування і техносфера на рубежі XXI сторіччя” (м. Севастополь, 2001 р.);–

4-й Міжнародній науково-технічній конференції „Фізичні та комп’ютерні технології в народному господарстві”, 23-24 жовтня 2001 р. (м. Харків, 2001 р.);–

Міжнародній науково-технічній конференції “Важке машинобудування, процеси металооброблення, верстати, інструменти” 3-5 червня 2003 р. (м. Краматорськ, 2003 р.).

Публікації. За результатами досліджень по темі дисертації опубліковано 7 основних робіт, з яких 6 опубліковані у виданнях, рекомендованих ВАК України, та патент України. Одна робота підготовлена одноосібно, 5 статей та 1 патент – у співавторстві.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, шести розділів, загальних висновків. Робота викладена на 222 сторінках, містить 15 ілюстрацій на 16 сторінках, 11 рисунків по тексту, 5 таблиць на 5 сторінках, 17 таблиць по тексту, список літератури з 120 найменувань на 13 сторінках і 5 додатків на 39 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

Вступ містить загальну характеристику роботи. Обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, приведені новизна і практичне значення отриманих результатів, указаний особистий внесок здобувача у виконану роботу, сформульовані мета і задачі досліджень.

У першому розділі проаналізовані особливості алмазного шліфування зі збільшеними дугами контакту за пружною схемою, які характерні для операцій заточування і шліфування поверхонь багатогранних непереточуваних пластин для збірного інструмента (рис. 1), а також сучасні способи математичного опису процесу шліфування за пружною схемою.

В сучасному машинобудуванні, як різновид шліфування, використовується оброблення, коли поверхня заготовки по всій площі контактує із РПК. У цьому випадку довжина контакту в 10-20 разів перевищує довжину контакту при шліфуванні периферією круга.

До особливостей шліфування зразків зі збільшеними дугами контакту за пружною схемою варто віднести: інтенсивне зниження різальної здатності круга зі збільшенням часу оброблення; високу теплонапруженість процесу, яка обумовлена збільшеною довжиною контакту круга із заготовкою; вплив на продуктивність оброблення і зношування зерен площі контакту круга з оброблюваною заготовкою і орієнтації зразка щодо вектора швидкості різання. У цьому випадку ефективність оброблення може бути підвищена за рахунок застосування алмазних кругів. При цьому необхідно створити такі умови різання, при яких виключалися б несприятливі механічні, хімічні й теплові взаємодії РПК із оброблюваними матеріалами або значно знижувалася їх інтенсивність. Останнє може бути забезпечене за рахунок електроерозійних керуючих дій в автономній зоні на робочу поверхню круга в процесі оброблення.

Сьогодні для розрахунку технологічних показників процесу шліфування з керуванням параметрами РПК використовуються математичні моделі, що базуються на припущенні про стаціонарність теплових процесів. При шліфуванні зразків зі збільшеними дугами контакту за пружною схемою теплові процеси є нестаціонарними, що вимагає уточнень математичної моделі.

У зв'язку з вищевикладеним поставлені мета й задачі досліджень, які наведені в загальній характеристиці роботи.

У другому розділі описані методики експериментальних досліджень, використане обладнання, пристосування, інструмент і оброблювані матеріали, наведена методика статистичного аналізу отриманих результатів.

Для здійснення алмазного шліфування з керуванням параметрами РПК електроерозійним способом і формування параметрів РПК на стадії правки був використаний модернізований плоскошліфувальний верстат моделі 3Г71 і блок електроживлення моделі ІТТ-35.

Шліфування зразків за пружною схемою з постійною силою підтиску заготовки до круга Pн виконували із застосуванням оригінального пристрою, який дозволяє регулювати час безперервного шліфування і установлювати необхідну величину сили підтиску зразка до круга. При шліфуванні використовували круги профілю 1А1 250 76 15 5 із синтетичних алмазів наступних характеристик: АС6 100/80-4-М2-01, АС6 160/125-4-М2-01, АС6 250/200-4-М2-01.

Зразки з ванадієвої швидкорізальної сталі Р6М5Ф3 мали розміри поверхні контакту 514 мм. Сталь Р6М5Ф3 є представником групи важкооброблюваних ванадієвмісних швидкорізальних сталей марок: 11Р3АМ3Ф2, Р6АМ5Ф3, Р6М5Ф3, Р12Ф3, Р14Ф4, Р18К5Ф2, Р18М5Ф2.

Робоче середовище – 0,3 %-ний водяний розчин кальцинованої соди.

Визначення величини зношування круга, швидкості занурення РПК у зразок, кількості зшліфованого матеріалу, питомої витрати алмазів здійснювали на розроблених для вимірів цих величин пристроях за відомими методиками.

У третьому розділі розроблена математична модель процесу алмазного шліфування зразка зі збільшеними дугами контакту за пружною схемою, яка враховує нестаціонарність процесу по температурі і різальній здатності круга.

Основу математичної моделі складають залежності, які дозволяють визначити припустиму величину тангенціальної складової сили різання Рzдоп за величиною температури, яка визначає поріг фазово-структурних перетворень у поверхневому шарі заготовки; розрахувати зусилля підтискання зразка до РПК, яке задовольняє даному обмеженню; визначити швидкість занурення РПК у поверхню заготовки та з її використанням, визначити кількість матеріалу, який є зішліфованим в будь-який момент часу.

Використовуючи теплофізичну модель шліфування периферією круга зі збільшеною дугою контакту (рис. 2), і вирішивши диференціальне рівняння теплопровідності при початковій умові Т(у, 0) = 0 і граничних умовах q (0, ) = q і q(, ) = 0, за допомогою методу джерел, після виконання двох інтегральних переходів отримаємо формулу для визначення температури на поверхні різання при шліфуванні з постійною силою підтискання

а б

Рис. 2. Шліфування периферією круга зі збільшеною дугою контакту:

а – фізична модель; б – теплофізична модель.

,

де Pz – тангенціальна складова сили різання, Н; Vк – швидкість круга, м/с; в – коефіцієнт, що враховує частку тепла, яка поступає у зразок; S – площа зони контакту деталі з кругом; – коефіцієнт теплопровідності, Вт/мК; – коефіцієнт температуропровідності оброблюваного матеріалу, м2/c; – час безперервного шліфування заготовки, с.

Як видно із цієї формули, температура поверхні різання залежить від часу оброблення, у зв'язку із чим тепловий процес є нестаціонарним.

Приймемо за температуру порога фазово-структурних перетворень у поверхневому шарі зразка температуру відпуску, що дорівнює 833 К. Вище неї відбувається зниження твердості обробленої поверхні. Тоді Ткр = 0,98833 = 815 К, що гарантує виключення припалів на обробленій поверхні.

Припустиме значення тангенціальної складової сили різання Рzдоп визначається за формулою

, (1)

де Ткр – температура порога фазово-структурних перетворень у поверхневому шарі заготовки, К; В, Н – відповідно ширина і висота зразка, м.

Тоді умови оброблення без припалів можуть бути описані наступною нерівністю

1,00 Pzдоп > Pz > 0,98 Pzдоп, (2)

де Рz – поточне значення тангенціальної складової сили різання, Н.

Поточні значення складових сил різання при шліфуванні зразків зі збільшеними дугами контакту за пружною схемою з урахуванням впливу на допустимі напруження зсуву в температурно-швидкісних умовах деформування розраховуються за допомогою формул

; (3)

,(4)

де – кут дії сили стружкоутворення; – кут нахилу умовної площини зсуву; – товщина й ширина зрізу одиничним зерном, мкм; – коефіцієнт, що враховує закон розподілу нормальних напружень на площадці зношування; – довжина площадки контакту зерна із заготовкою, мкм; М – співвідношення нормальних і дотичних напружень уздовж умовної площини зсуву, – кількість одночасно контактуючих зерен; – коефіцієнт тертя задньої поверхні зерна по поверхні різання; Т – температура, модифікована по швидкості різання, К; – початкова ордината, МПа, і кутовий коефіцієнт, МПа/К, відповідно, в рівнянні Макгрегора - Фішера, яке описує залежність припустимого дотичного напруження оброблюваного матеріалу від температури, модифікованої по швидкості різання при шліфуванні; – час безперервного шліфування; t – час роботи круга.

Час роботи круга

,

де n – кількість актів безперервного шліфування;

Використовуючи параметри РПК, сформовані під час електроерозійної правки, за формулою (4), змінюючи tфср, покроковим методом визначаємо максимально припустиму глибину шліфування tфср.доп, при якій виконується нерівність (2). Потім за формулою (3) розраховуємо складову сили різання Рy, що виключає припали, підставивши в неї знайдені значення tфср доп і Рz. У такий спосіб визначається сила підтиску зразка до робочої поверхні круга Рн яка дорівнює розрахованому значенню Рy.

За знайденим зусиллям підтиску Рн, використовуючи формули (3) і (4), визначимо глибину шліфування в різні моменти часу оброблення t, обумовлену зміною параметрів РПК, викликаною зношуванням зерен, і опишемо її рівнянням регресії виду

, (5)

де tуст – стала глибина шліфування; t = t0 – tуст – амплітуда зниження глибини шліфування; t0 – вихідна глибина шліфування рельєфом, параметри якого сформовані після електроерозійної правки; – емпіричний коефіцієнт.

Швидкість занурення РПК у зразок залежить від величини сили підтискання Рн. Відповідно до наукового положення, за яким опір зануренню робочої поверхні круга в зразок визначається висотою нерівностей на поверхні контакту РПК зі зразком, яка сформована в процесі шліфування, визначимо середню глибину шліфування при якій Рy = Рн. Для цього зв'яжемо максимальну висоту нерівностей на поверхні різання із середньою глибиною шліфування співвідношенням

,

де k – коефіцієнт, що враховує збільшення товщини зрізу за рахунок занурення зерна в суцільний матеріал.

Розіб'ємо зразок висотою Н0 і робочу поверхню круга, представлену у вигляді нескінченної стрічки, у напрямку всередину деталі і алмазовмісного шару на інтервали величиною R (рис. 3, а, б).

Для розрахунку сумарної довжини ділянок РПК, що забезпечують видалення припуску товщиною R, робочу поверхню нескінченної стрічки розбиваємо також і по довжині у напрямку вектора швидкості різання на рівні ділянки довжиною l.

Довжина ділянки L, необхідна для зняття припуску R, розраховується шляхом визначення сумарної ширини зрізів, залишених зернами в досліджуваному перетині АВ (див. рис. 3). Для цього послідовно визначаємо ширини зрізів при проходженні ділянок 1,2,3...j РПК перетину АВ і підсумуємо їх до виконання умови повного перекриття зрізів

. (6)

Починаючи із другої ділянки, сумарну ширину визначаємо з урахуванням ймовірності поперечного перекриття зрізів, залишених на заготовці попередньою ділянкою РПК

. (7)

а б

Рис. 3. Положення РПК до оброблення (а) і схема нанесення

одиничних зрізів після проходження ділянки 1 РПК (б)

Сумарна ширина зрізів на поверхні контакту зразка з кругом після проходження j – х ділянок РПК визначається виразом

(8)

де j – номера ділянок РПК; j = 1, 2, … K; K – номер ділянки РПК, на якому відбувається повне перекриття зрізів; – базова довжина поверхні зразка, на якій визначається перекриття зрізів; – довжина ділянки робочої поверхні круга; – відстань між зернами на поверхні кола; – імовірність знаходження вершини зерна в i-тому інтервалі.

Довжину РПК, яка необхідна для зняття припуску величиною R, визначимо за формулою

. (9)

Оскільки видалення припуску R здійснюється рівномірно, у міру проходження ділянок РПК по поверхні зразка, за швидкістю круга знайдемо час, необхідний для зняття припуску величиною R

(10)

Тоді швидкість занурення РПК у поверхню зразка буде дорівнювати

мм/хв. (11)

За величиною швидкості занурення РПК у зразок, а також площі зразка можна визначити кількість зшліфованого матеріалу

, (12)

та різальну здатність круга в будь-який момент часу, яка оцінюється кількістю матеріалу, що зшліфовано в одиницю часу.

У четвертому розділі досліджений вплив часу безперервного шліфування на температуру на поверхні різання, вплив часу оброблення на фактичну глибину різання та швидкість занурення РПК у поверхню зразка. Установлено причину втрати різальної здатності РПК в умовах шліфування зі збільшеними дугами контакту.

Аналітичні розрахунки температури, глибини шліфування, сил підтискання зразка до поверхні круга, швидкості занурення РПК у зразок виконані для умов шліфування зразка зі швидкорізальної сталі Р6М5Ф3 з розміром робочої поверхні = 5  мм кругами 1А1 2501575 з алмазів АС6 зернистістю 100/80, 160/125, 250/200 на зв'язці М2-01 100% - ї концентрації. Швидкість круга дорівнювала 35 м/с.

Було встановлено, що при шліфуванні кругом зернистістю 100/80 із тангенціальною складовою силою Рz яка дорівнює 10 Н, температура порога фазово-структурних перетворень (Т = 815 К) досягається за 15 секунд.

Вплив часу оброблення на фактичну глибину різання і швидкість занурення РПК у зразок досліджували при = 2 с. При цьому часі безперервного шліфування припустима сила підтискання Рн для зернистості 100/80 з умови відсутності припалів дорівнює 72 Н (середня фактична глибина шліфування на початку оброблення = 8,2 мкм); для зернистості 160/125 – 70 Н ( = 9,9 мкм); зернистості 250/200 – 93 Н ( = 8,1 мкм). У результаті були отримані рівняння регресії, які описують зміну фактичної глибини шліфування і швидкості занурення РПК у заготовку в залежності від часу оброблення.

Експериментальна перевірка рівнянь регресії, отриманих за допомогою даних математичної моделі, яка описує швидкість занурення РПК у заготовку показала, що швидкості занурення РПК у заготовку, які розраховані за допомогою математичної моделі і отримані експериментально, співпадають лише в початковий момент оброблення. Швидкість занурення РПК у зразок, що знайдена експериментально, різко зменшується в перші дві хвилини оброблення, після чого круг практично повністю втрачає різальну здатність. Причинами такого швидкого погіршення різальної здатності алмазного шліфувального круга при обробленні зі збільшеними дугами контакту є зношування зерен та засалювання мікрорельєфу контактних площадок алмазних зерен оброблюваним матеріалом, а також збільшення кількості одночасно контактуючих зерен у результаті зниження їх різновисотності, викликаної видаленням зерен, слабко закріплених у зв'язці, а також їх зношуванням, що приводить до зменшення фактичного зусилля Рнз на окремому зерні.

Ці висновки були підтверджені розрахунком сил, необхідних для впровадження в оброблюваний матеріал моделей зерен із плоскою площадкою контакту, а також хімічною дією на контактні площадки, після якої швидкість занурення РПК у зразок збільшувалася до величин, визначених математичним моделюванням. Наявність продуктів засалювання на контактних площадках підтверджується профілографуванням зерен з виділенням електропровідних ділянок.

У п'ятому розділі приведена методика експериментально-теоретичного розрахунку питомої собівартості оброблення зразків зі збільшеними дугами контакту, теоретично визначені режими електроерозійних керуючих дій на РПК, оптимальні за критерієм мінімальної питомої собівартості, експериментально підтверджена оптимальність значень режимів, знайдених розрахунком.

Питома собівартість оброблення – це відношення собівартості оброблення за певний період часу шліфування до кількості матеріалу, що видаляється з поверхні заготовки за цей період.

Кількість зшліфованого матеріалу розраховується за формулою

(13)

де B, H – розміри оброблюваного зразка, мм; W1(tм), W2(tм) – функції (експоненціальна при to 2 хв; лінійна при to > 2 хв), що описують зміну швидкості занурення РПК у поверхню зразка відповідно в перший (після правки) і наступні періоди оновлення РПК після електроерозійних дій; to – час оновлення контактних площадок на зерні; tм – машинний час.

Час оновлення контактних площадок на зерні визначали за об'ємом продуктів засалювання, які підлягають видаленню в процесі електроерозійних керуючих дій, та за режимами електроерозійних дій з використанням моделі контактної площадки у вигляді сукупності чотиригранних пірамід

, (14)

де Iср – середня величина сили струму, А; Usm – розрахункова величина напруги на МЕП, В; Ро – загальна ймовірність видалення продуктів засалювання безпосередньо з контактних площадок; lз – довжина площадки контакту; а – довжина ребра піраміди; – кут при вершині піраміди; zркр – кількість активних зерен на всій поверхні алмазного круга.

Загальна ймовірність видалення продуктів засалювання з контактних площадок є добутком ймовірностей наступних подій:

, (15)

де Р1 – ймовірність появи імпульсу напруги на виході джерела технологічного струму при проходженні по поверхні електроду-інструменту (ЕІ) зерен за час, рівний періоду імпульсів;

Р2 – ймовірність утворення токопровідних містків між контактною площадкою на зерні та зв'язкою;

Р3 – ймовірність того, що при проходженні по поверхні ЕІ однієї із засалених контактних площадок у міжелектродному проміжку виникають умови, які забезпечують збудження робочого електричного розряду.

Технологічна собівартість оброблення визначалася поелементним методом. Постійні складові собівартості розраховували за загальноприйнятими методиками, змінні складові – за формулами, що відображають особливості шліфування з електроерозійними діями на РПК.

Витрати на технологічну електроенергію

. (16)

де Wшл – електроенергія, яка споживається при шліфуванні, кВт; Wупр – електроенергія, яка затрачується на підтримку різальних властивостей РПК, кВт; Цэ – вартість 1 кВтгоделектроенергії, грн/(кВтгод).

Хвилинні витрати на відшкодування витрат алмазів

. (17)

З використанням описаної методики, для реалізації якої розроблена програма на ПЕОМ, була теоретично розрахована питома собівартість оброблення при різних електричних режимах електроерозійних дій, за якою отримані рівняння регресії для питомої собівартості оброблення

Суд 100/80 = ;

Суд 160/125 = .

Дослідження цих рівнянь на екстремум показало, що мінімум собівартості відповідає величинам струму Iсропт100/80 = 5,25 А; Iсропт160/125 = 5 А.

У процесі експериментів по перевірці оптимальності теоретично визначених режимів оброблення було виявлено, що при шліфуванні із електроерозійними діями на РПК відносна стабілізація різальної здатності круга наступає після другої хвилини оброблення, а в період 2-15 хвилин оброблення спостерігається коливання швидкості занурення РПК у заготовку із чергуванням ії зменшення та збільшення відносно середньої величини. При цьому підвищення продуктивності оброблення з електроерозійними діями на РПК порівняно зі звичайним шліфуванням становить не менше 5 разів, а питома собівартість оброблення зменшується в 2,2 – 5,8 рази.

У шостому розділі запропонований новий спосіб визначення режимів шліфування зразків зі збільшеними дугами контакту за жорсткою схемою, розроблені технологічний регламент і рекомендації з режимів алмазного шліфування ванадієвмісних інструментальних сталей.

Особливістю призначення режимів шліфування за жорсткою схемою є використання квазіпостійної швидкості занурення різальної поверхні круга в поверхню заготовки при обробленні за пружною схемою, а також ідентичність навантажень на одиничному зерні.

Результати досліджень впроваджені на ВАТ “Харцизький трубний завод” з очікуваним економічним ефектом 13000 гривень на рік і використовуються в навчальному процесі при викладанні дисциплін “Теорія різання” та “Фізико-механічні методи оброблення”.

ОСНОВНІ ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі вирішена важлива народногосподарська задача, яка полягає в підвищенні продуктивності алмазного шліфування в умовах збільшених дуг контакту ванадієвих швидкорізальних сталей більш чим в 5 разів, і зниженні питомої собівартості оброблення в 2,2-4 рази за рахунок електроерозійних керуючих дій на робочу поверхню круга.

1. Уперше розроблена математична модель процесу алмазного шліфування за пружною схемою в умовах збільшених дуг контакту, яка дозволяє розрахувати швидкість занурення РПК у зразок залежно від зміни різальної здатності РПК за критерієм відсутності фазово-структурних перетворень у поверхневому шарі заготовки.

2. Кількість матеріалу, який зшліфований в будь-який момент часу, необхідно визначати з використанням комбінації експоненціальної (при часі оновлення контактних площадок на зерні to 2 хв) і лінійної (при to > 2 хв) функцій, рівняння яких враховують процес засалювання мікрорельєфу контактних площадок алмазних зерен.

3. Втрата різальних властивостей РПК при алмазному шліфуванні за пружною схемою зі збільшеними дугами контакту обумовлена заповненням мікрозападин поверхні зерен оброблюваним матеріалом, що приводить до зменшення фактичного тиску на контактних площадках зерна, якого недостатньо для впровадження зерна в оброблюваний матеріал.

4. Час оновлення РПК за допомогою електроерозійних керуючих дій повинен розраховуватися за об’ємом продуктів засалювання субмікрорельєфу контактних площадок алмазних зерен і загальної ймовірності видалення матеріалу з контактних площадок.

5. Оптимальними режимами шліфування ванадієвих швидкорізальних сталей (площа контакту 514 мм, = 2 с) кругом з алмазів АС6 зернистістю 100/80 є Рн = 72 Н, Vк =35 м/с, Iср. опт = 5,25 А; зернистістю 160/125 – Рн = 70 Н, Vк = 35 м/с, Iср. опт = 5 А.

6. Результати досліджень впроваджені у виробництво з очікуваним економічним ефектом 13 тис. гривень на рік і використовуються в навчальному процесі.

Основні положення дисертації опубліковані в наступних роботах:

1. Гринев А.А., Матюха П.Г. Температура поверхности резания при шлифовании неподвижного образца по упругой схеме // Прогрессивные технологии и системы машиностроения. Международный сб. научн. Трудов. – Донецк: ДонГТУ, 2000. – Вып.10. – С.58-63.

2. Матюха П.Г., Гринев А.А. Расчет максимально допустимой силы поджима заготовки к кругу при шлифова-нии неподвижного образца по упругой схеме // Вісник інженерної академії України. Теоретичний і науково практичний журнал інженерної академії України, № 3, 2001 (Частина 1). – С. 227-230.

3. Гринев А.А., Матюха П.Г. Определение скорости погружения рабочей поверхности круга в неподвижный образец при алмазном шлифовании по упругой схеме.// Прогрессивные технологии и системы машиностроения: Меж-дународный сб. научн. Трудов. – Донецк: ДонДТУ, 2001. – Вып.16. – С. 142-146.

4. Матюха П.Г., Гринев А.А. Режущая способность алмазного круга при шлифовании стали Р6М5Ф3 с большой площадью контакта // Сверхтвёрдые материалы. – 2003. – № 1. – С. 62-67.

5. Гринев А.А. Определение объемов материала, удаляемого в процессе управляющих воздействий на рабочую поверхность круга // Прогрессивные технологии и системы машиностроения: Международный сб. научн. Трудов. – Донецк: ДонНТУ, 2003. – Вып.24. – С. 41-46.

6. Матюха П.Г., Гринев А.А. Влияние зернистости алмазов на количество сошлифованного материала при обработке по упругой схеме // Надійність інструменту та оптимізація технологічніх систем. Збірник наукових праць. – Краматорськ: ДДМА, 2003. – Вип. № 13. – С. 183 – 187.

У статтях у співавторстві автору належить:

[1] – Виведення залежності для визначення температури в зоні різання при шліфуванні заготовки зі збільшеними дугами контакту з постійною силою підтискання.

[2] – Методика розрахунку сили підтискання заготовки до круга за критерієм відсутності фазово-структурних перетворень у поверхневому шарі заготовки.

[3] – Методика розрахунку швидкості занурення РПК у заготовку при алмазному шліфуванні за пружною схемою з урахуванням зміни різальної здатності круга, без урахування процесу засалювання контактних площадок зерен.

[4] – Дослідження впливу часу шліфування на зниження різальної здатності круга при обробленні за пружною схемою швидкорізальної сталі Р6М5Ф3 зі збільшеними дугами контакту круга з заготовкою.

[6] – Дослідження впливу зернистості алмазів на кількість зшліфованого матеріалу, оброблення експериментальних даних, визначення апроксимуючих функцій для опису швидкості занурення круга в заготовку.

АНОТАЦІЯ

Гриньов А.О. Підвищення ефективності алмазного шліфування важкооброблюваних інструментальних сталей при обробленні зі збільшеними дугами контакту круга із заготовкою. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.01 - Процеси механічної обробки, верстати та інструменти. - Донецький національний технічний університет, Донецьк, 2005.

Дисертація присвячена вирішенню актуальної задачі, що полягає в підвищенні продуктивності та зниженні собівартості алмазного шліфування зі збільшеними дугами контакту ванадієвих інструментальних сталей з електроерозійними керуючими діями на робочу поверхню круга (РПК) за допомогою пошуку оптимальних режимів оброблення з урахуванням погіршення різальної здатності круга за рахунок засалювання субмікрорельефу контактних площадок на зернах.

Розроблена математична модель шліфування за пружною схемою зі збільшеними дугами контакту, яка дозволяє описати зміну швидкості занурення РПК у заготовку під час оброблення. Запропоновано розрахунково-експериментальну методику пошуку оптимальних режимів шліфування за пружною схемою зі збільшеними дугами контакту за критерієм мінімальної питомої собівартості оброблення.

Визначено оптимальні режими шліфування та електроерозійних керуючих дій на РПК при обробленні за пружною схемою зі збільшеними дугами контакту матеріалів із групи ванадієвих інструментальних сталей. Експериментально підтверджена оптимальність режимів, знайдених за запропонованою методикою.

Запропоновано новий спосіб визначення режимів шліфування за жорсткою схемою зі збільшеними дугами контакту з використанням квазіпостійної швидкості занурення РПК у заготовку за пружною схемою.

Результати дослідження впроваджені у виробництво та у навчальний процес.

Ключові слова: алмазне шліфування, пружна схема, збільшені дуги контакту, електроерозійні керуючі дії, оптимальні режими оброблення, питома собівартість.

АННОТАЦИЯ

Гринев А.А. Повышение эффективности алмазного шлифования труднообрабатываемых инструментальных сталей при обработке с увеличенными дугами контакта круга с заготовкой. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.01 – Процессы механической обработки, станки и инструменты. – Донецкий национальный технический университет, Донецк, 2005.

Диссертация посвящена решению актуальной задачи повышения производительности и снижения себестоимости алмазного шлифования с увеличенными дугами контакта ванадиевых инструментальных сталей с электроэрозионными управляющими воздействиями на рабочую поверхность круга (РПК) посредством поиска оптимальных режимов обработки с учетом ухудшения режущей способности круга за счет засаливания субмикрорельефа контактных площадок на зернах.

Плохая обрабатываемость ванадиевых инструментальных сталей шлифованием абразивными кругами связана с наличием в составе сталей карбидов, твердость которых соизмерима с твердостью абразива. Для обработки материалов этого класса используется алмазное шлифование кругами на металлических связках, а эффективность процесса достигается оптимизацией режимов обработки и электроэрозионных управляющих воздействий на РПК, осуществляемых одновременно с обработкой.

В работе составлена математическая модель процесса алмазного шлифования по упругой схеме с увеличенными дугами контакта как процесса нестационарного по производительности и температуре резания. Модель позволяет описать изменение скорости погружения РПК в заготовку во время обработки без учета процессов засаливания РПК при отсутствии фазово-структурных превращений в поверхностном слое заготовки.

Проведены экспериментальные и аналитические исследования влияния времени непрерывного шлифования на температуру на поверхности резания, влияния времени обработки на фактическую глубину резания и скорость погружения РПК в поверхность заготовки. Установлено что причинами быстрого ухудшения режущей способности РПК в условиях шлифования с увеличенными дугами контакта заготовки с кругом являются образование площадок на зернах в результате их износа и засаливания микрорельефа зоны контакта алмазного зерна с поверхностью резания, а также увеличение количества одновременно контактирующих зерен в результате снижения разновысотности, вызванного удалением зерен, слабо закрепленных в связке, что приводит к уменьшению фактического усилия Рнз на отдельном зерне.

На основе опытных данных и полученной математической модели разработана расчетно-экспериментальная методика поиска оптимальных режимов шлифования по упругой схеме с увеличенными дугами контакта по критерию минимальной удельной себестоимости обработки, учитывающая явление засаливания контактных площадок алмазных зерен и вероятность удаления с них продуктов засаливания. Получены уравнения регрессии описывающие изменение удельной себестоимости обработки в зависимости от режимов электроэрозионных управляющих воздействий на рабочую поверхность круга.

Определены оптимальные режимы шлифования и управляющих воздействий на РПК при обработке по упругой схеме с увеличенными дугами контакта материалов из группы ванадиевых инструментальных сталей. Экспериментально подтверждена оптимальность режимов, найденных по предложенной методике.

Предложен новый способ определения режимов шлифования по жесткой схеме с увеличенными дугами контакта с использованием квазипостоянной скорости погружения РПК в заготовку по упругой схеме на базе идентичности глубины и времени шлифования по обеим схемам. Разработаны технологический регламент и рекомендации по режимам резания ванадийсодержащих инструментальных сталей марок 11Р3АМ3Ф2, Р6М5Ф3, Р12Ф3, Р14Ф4, Р18М5Ф2 и т.д.

Предложенные решения позволяют повысить производительность обработки более чем в 5 раз, снизить удельную себестоимость шлифования в 2,2 – 5,8 раза по сравнению с алмазным шлифованием без электроэрозионных управляющих воздействий на рабочую поверхность круга.

Результаты исследования внедрены в производство и в учебный процесс. Ожидаемый экономический эффект 13000 гривен в год.

Ключевые слова: алмазное шлифование, упругая схема, увеличенные дуги контакта, электроэрозионные управляющие воздействия, оптимальные режимы обработки, удельная себестоимость.

АNNOTATION

A.A. Grinev. Raise of Efficiency of Diamond