Проектирование и исследование композиционных шлифовальных кругов, технологий их изготовления и применения при круглом наружном шлифовании

Появление новых все более труднообрабатываемых материалов, ужесточение с целью повышения производительности режимов механической обработки заготовок, повышение требований к качеству изготавливаемых деталей обусловливает необходимость разработки принципиально новых ресурсосберегающих экологически чистых технологий и средств технологического оснащения для их реализации. В этих условиях возрастает значение абразивной обработки и особенно наиболее распространенного ее вида — шлифования, как основного в современной механической обработке способа получения окончательно обработанных, в том числе высокоточных деталей. Однако попытки повышения производительности шлифования, отличающегося весьма высокой теплосиловой напряженностью, часто встречают серьезные препятствия в связи с быстро возрастающей вероятностью появления дефектов поверхностного слоя материала шлифованной детали.

Общеизвестны существенные преимущества прерывистых шлифовальных кругов (ПШК), обеспечивающих снижение теплонапряженности шлифовальных операций и, соответственно, вероятности появления в поверхностном слое шлифованных деталей прижогов и растягивающих напряжений [1,2]. Однако в силу ряда причин ПШК находят пока весьма ограниченное применение на шлифовальных операциях. К числу этих причин можно отнести отсутствие достаточно эффективных промышленных технологий их серийного и массового изготовления, повышенный расход кругов вследствие ударного воздействия режущих выступов ПШК на обрабатываемую поверхность заготовки, сложность расчета и подбора геометрических параметров и количества конструктивных элементов (пазов, прорезей) ПШК при необходимости обеспечения их нормированной прочности и неуравновешенности, а также требований к качеству поверхностного слоя шлифованных деталей.

Ударное воздействие круга на заготовку можно существенно уменьшить за счет применения композиционных шлифовальных кругов (КШК), конструктивные элементы которых, в отличие от ПШК, заполнены в процессе их изготовления твердым смазочным материалом (ТСМ), плотность которого определяется физико-механическими свойствами и процентным соотношением связующего и антифрикционного наполнителя. Использование ТСМ позволяет усилить в зоне шлифования смазочное действие применяемых смазочно-охлаждающих технологических средств (СОТС). Охлаждающее и моющее действия при этом реализуются применением простейших по составу дешевых водных смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ), подаваемых в зону обработки традиционным способом — поливом свободно падающей струей.

При необходимости, в отдельных случаях можно легировать ТСМ химически активными присадками с целью усиления смазочного и диспергирующего действий. При этом отрицательное воздействие таких присадок на экологическую и санитарно-гигиеническую обстановку в рабочей зоне шлифовального станка будет сведено к минимуму, поскольку выделяться они будут в чрезвычайно малых количествах и непосредственно в зоне обработки.

К настоящему времени разработан ряд конструкций КШК, модели теплового взаимодействия КШК и обрабатываемой поверхности заготовки при внутреннем шлифовании, получены экспериментальные подтверждения высокой технологической эффективности применения КШК на шлифовальных операциях.

Однако, до настоящего времени не разработаны надежные и производительные способы выполнения в КШК прорезей и, тем более, радиальных пазов. Прорези выполняют, чаще всего, путем прорезания по разметке на заточных или алмазно-расточных станках, оснащенных делительными устройствами.

Естественно, применение КШК на операциях шлифования возможно только при условии обеспечения их нормированной прочности. Между тем, пока не выявлена связь количества и размеров пазов или прорезей и плотности материала СЭ с прочностью КШК.

Вследствие того, что КШК является несколько более сложным геометрическим объектом по сравнению со стандартным кругом (СК) из-за наличия в нем конструктивных элементов, заполненных ТСМ, особую важность приобретает назначение при проектировании КШК и обеспечение в процессе их изготовления требований к точности размеров, формы и расположения конструктивных элементов КШК. Связано это с тем, что погрешности изготовления конструктивных элементов могут приводить к смещению центра масс КШК относительно его геометрической оси, что вызовет дисбаланс круга, превышающий его нормированное значение по ГОСТ 3060–86. Это создаст определенные трудности при статической или динамической балансировке КШК и сделает проблематичной возможность их применения при шлифовании.

Чтобы обеспечить более широкое использование КШК на шлифовальных операциях, необходимо разработать научное обеспечение, позволяющее объективно и всесторонне оценить влияние различных факторов на прочность и неуравновешенность КШК, выявить специфику шлифования КШК по сравнению с СК, аналитически и экспериментально оценить влияние характеристики КШК, размеров и количества его конструктивных элементов, состава ТСМ на показатели технологической эффективности операции шлифования. Результатом этих исследований должны стать математические модели, позволяющие на количественном уровне на этапе проектирования КШК оценивать их прочность и неуравновешенность в зависимости от количества и размеров конструктивных элементов КШК, состава ТСМ и выбирать лучшие конструкции КШК для выполнения определенных операций шлифования заготовок из различных материалов.

Необходимо также разработать промышленные технологии изготовления КШК и применения их на шлифовальных операциях.

Для решения этих задач необходимо:

— исследовать прочностные свойства КШК, радиальные пазы которых заполнены ТСМ;

— выявить факторы, влияющие на неуравновешенность КШК с радиальными пазами;

— исследовать технологическую эффективность КШК с радиальными пазами на шлифовальных операциях;

— на основе полученной теоретической и экспериментальной информации разработать рекомендации по проектированию КШК;

— разработать технологии и рекомендации по организации серийного производства КШК с радиальными пазами и их применения при шлифовании.

С учетом вышеизложенного соискатель выносит на защиту:

— математические модели для оценки прочности и неуравновешенности КШК с радиальными пазами;

— методику и программу численного расчета неуравновешенной массы КШК с прямолинейными радиальными пазами;

— результаты лабораторных исследований технологической эффективности круглого наружного шлифования КШК с радиальными пазами;

— результаты опытно-промышленных испытаний и внедрения в производство КШК с радиальными пазами на операциях круглого наружного и плоского шлифования заготовок из различных материалов;

— технологии серийного изготовления КШК с радиальными пазами.

В основу диссертации положены аналитические и экспериментальные исследования, новые технологические процессы изготовления композиционных шлифовальных кругов и шлифования заготовок из различных материалов, новые конструкции композиционных шлифовальных кругов и пресс-форм для их изготовления, защищенные патентами на изобретения и свидетельствами на полезные модели, и другие разработки, выполненные автором совместно с сотрудниками лаборатории абразивной обработки Ульяновского государственного технического университета, в ОАО «Димитровградхиммаш» и на предприятиях авиационной и газоперерабатывающей промышленности.

Автор выражает искреннюю благодарность доценту УлГТУ, к.т.н. Н. И. Веткасову, начальнику технического отдела ОАО «Димитровградхиммаш» В. В. Плотцеву, научному сотруднику лаборатории абразивной обработки, к.т.н. A.B. Леонову, ведущим инженерам лаборатории В. Н. Агафонову и Е. К. Калагину и другим сотрудникам кафедры «Технология машиностроения» УлГТУ и ОАО «Димитровградхиммаш» за помощь в работе и творческое сотрудничество. и.

6.4. Выводы.

1. Разработанные совместно с лабораторией абразивной обработки УлГТУ и внедренные в ОАО «Димитровградхиммаш» рекомендации по проектированию и изготовлению КШК с радиальными пазами регламентируют требования к КШК с точки зрения обеспечения их нормированной прочности и неуравновешенности в соответствии с ГОСТ 3060–86 и геометрической точности в соответствии с ГОСТ 2424–83, а также дополнительные требования по точности изготовления радиальных пазов КШК.

2. Разработанные рекомендации по применению КШК позволяют выбирать характеристики абразивной части КШК, определять количество и размеры радиальных пазов и состав ТСМ с учетом теплосиловой напряженности операции шлифования, прочности круга и надежности удержания СЭ в радиальных пазах круга.

3. Предложенная технология промышленного производства КШК с радиальными пазами, освоенная в ОАО «Димитровградхиммаш», позволяет изготавливать круги различных характеристик с механическими свойствами, обеспечивающими их безопасную эксплуатацию с рабочей скоростью (35 — 40) м/с, соответствующие 2−4 классам неуравновешенности по ГОСТ 3060–86 и классам, А и Б точности геометрических размеров, формы и расположения поверхностей по ГОСТ 2424–83.

4. По предложенной технологии в ОАО «Димитровградхиммаш» изготовлено несколько партий КШК 1−250×25×76 различных характеристик с радиальными пазами. Результаты опытно-промышленных испытаний, проведенных в условиях действующего производства ОАО «Авиастар» (г. Ульяновск), опытного завода УНИПТИМАШ (г. Ульяновск), ОАО «Димитровградхиммаш» (г. Димитровград) на операциях круглого наружного и плоского шлифования периферией круга заготовок деталей из различных материалов, подтвердили более высокую работоспособность КШК по сравнению с СК соответствующих типоразмера и характеристики при выполнении требований к качеству шлифованных деталей. Применение КШК обеспечило повышение производительности шлифования в 1,2. 1,3 раза по сравнению с шлифованием стандартными кругами.

5. Источниками экономической эффективности использования в промышленности результатов диссертационной работы явились:

— увеличение периода стойкости шлифовальных кругов и правящих инструментов;

— сокращение расхода абразивных и правящих инструментов;

— повышение производительности обработки за счет интенсификации режимов шлифования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований прочности и неуравновешенности КШК с радиальными пазами и их работоспособности на операциях круглого наружного шлифования. В результате исследований получены следующие новые выводы и практические результаты:

1. Теоретически и экспериментально доказана выдвинутая гипотеза о зависимости прочности КШК с радиальными пазами от длины, ширины, глубины, количества пазов и плотности СЭ. Варьируя количеством и размерами радиальных пазов, плотностью СЭ, можно обеспечить коэффициент запаса прочности КШК, позволяющий безопасно их эксплуатировать с окружными скоростями порядка (35 — 40) м/с.

2. Численным моделированием с применением метода конечных элементов установлено, что напряжения, формирующиеся на поверхностях радиальных пазов, в ряде случаев соизмеримы с напряжениями на посадочной поверхности круга, а при небольших радиусах закругления дна паза и высокой плотности СЭ могут их превосходить.

3. Непосредственным экспериментом подтверждено, что коэффициенты запаса прочности КШК 1−250×25×76, изготовленных в абразивном цехе ОАО «Димитровградхиммаш», находятся в пределах 1,8. 2,2.

4. Разработана оригинальная методика расчета неуравновешенной массы КШК, учитывающая наличие на одном или обоих торцах круга радиальных пазов, заполненных ТСМ, плотность которого отличается от плотности абразивной части круга, и позволяющая установить влияние отклонений линейных и угловых размеров КШК на его неуравновешенность. Выполнена проверка разработанной методики путем численного моделирования неуравновешенности КШК 1−250×25×76 по оригинальной программе на ПЭВМ. Экспериментальные исследования неуравновешенной массы КШК 1−250×25×76, изготовленных ОАО «Димитровградхиммаш», подтвердили достаточную достоверность расчетов по предложенной методике.

5. На основе результатов теоретических и экспериментальных исследований впервые сформулированы требования к точности линейных размеров и расположения радиальных пазов КШК из условия обеспечения их нормированной неуравновешенности.

6. Экспериментально подтверждено, что работоспособность КШК с радиальными пазами на операции круглого наружного шлифования зависит от количества радиальных пазов и состава ТСМ, использованного для их заполнения. Показано, что с увеличением количества радиальных пазов, с одной стороны, наблюдается рост шероховатости шлифованной поверхности, с другой стороны, увеличение периода стойкости КШК по критерию появления прижогов на шлифованной поверхности, что необходимо учитывать при выборе КШК для конкретных условий шлифования.

7. Получены регрессионные зависимости критериев работоспособности КШК с радиальными пазами на операции круглого наружного врезного шлифования от скорости врезной подачи круга, его зернистости, твердости и количества радиальных пазов.

8. Разработаны совместно с лабораторией абразивной обработки УлГТУ и использованы в ОАО «Димитровградхиммаш» рекомендации по проектированию и изготовлению КШК с радиальными пазами, которые регламентируют требования к КШК с точки зрения обеспечения их нормированной прочности и неуравновешенности по 2−3 классам точности в соответствии с ГОСТ 3060–86.

9. Сформулированы рекомендации по применению КШК на операциях шлифования, позволяющие выбирать характеристику абразивной части КШК, определять число и размеры радиальных пазов, состав ТСМ с учетом теплосиловой напряженности операции шлифования, прочности круга и надежности удержания СЭ в пазах КШК.

10. Предложена технология промышленного производства КШК с радиальными пазами, освоенная абразивным цехом ОАО «Димитровградхиммаш», которая позволяет изготавливать КШК различных характеристик с механическими свойствами, обеспечивающими их безопасную эксплуатацию с рабочей скоростью (25 — 40) м/с, соответствующие 2−3 классам неуравновешенности по ГОСТ 3060–86 и классам, А и Б точности линейных размеров, формы и расположения поверхности по ГОСТ 2424–83.

11. Проведены опытно-промышленные испытания КШК 1−250×25×76 с радиальными пазами производства ОАО «Димитровградхиммаш» в условиях действующего производства предприятий ОАО «Авиастар», ООО «Сервис-Газ», опытного завода УНИПТИМАШ (г. Ульяновск), ОАО «Димитровградхиммаш» (г. Димитровград) на операциях круглого наружного и плоского шлифования периферией круга заготовок из различных материалов. Применение КШК вместо СК соответствующих типоразмера и характеристики обеспечило повышение производительности шлифования в 1,2. 1,3 раза при обеспечении требований к качеству шлифованных деталей.