Актуальность работы. Развитие инструментальной промышленности является одним
из условий успешного решения задач, связанных с повышением конкурентоспособности
продукции машиностроения в условиях рыночных отношений. Как результат, в настоящее время
для изготовления инструментов все шире применяются новые инструментальные материалы и
прогрессивные процессы их обработки, отвечающие уровню высоких технологий. Широкое
распространение при изготовлении режущей части инструментов получили быстрорежущие стали
повышенной производительности, твердые сплавы, минералокерамика, сверхтвердые материалы.
Механическая обработка этих материалов сопряжена с определенными трудностями, обусловленными
высокой твердостью компонентов, сопоставимой с твердостью абразивных материалов. Поэтому
перечисленные материалы обрабатываются алмазным шлифованием, а высокая режущая способность
кругов поддерживается с помощью электрофизикохимических воздействий на рабочую поверхность
круга (РПК).
Операция затачивания поверхностей инструмента или шлифования поверхностей многогранных
неперетачиваемых пластин (МНП) обладает особенностью, отличающей ее от обычного
многопроходного шлифования периферией шлифовального круга, а именно, увеличенной длиной
дуги контакта круга с деталью, которая в 10-20 раз превышает аналогичный параметр при
многопроходном шлифовании периферией круга. Длина дуги контакта при операциях затачивания
определена размером затачиваемой поверхности в направлении вектора скорости резания. Так как
при затачивании инструмента и шлифовании поверхностей МНП вся обрабатываемая поверхность
контактирует с рабочей поверхностью круга, то большие дуги контакта круга с деталью изменяют
условия удаления стружки из зоны обработки, что сказывается на режущей способности круга.
В настоящее время поиск оптимальных режимов затачивания инструментов или шлифования МНП
осуществляется экспериментальными методами, что дает лишь частные решения и не вскрывает
причин ухудшения режущей способности круга, знание которых позволяют найти менее трудоемкие
и более точные способы поиска оптимальных режимов шлифования .
В этой связи работа, направленная на повышение производительности и снижение себестоимости
алмазного шлифования труднообрабатываемых материалов за счет наложения низкочастотных
колебаний на алмазный шлифовальный круг, является актуальной.
Цель и задачи исследований. Цель исследований – повышение
производительности и снижение себестоимости алмазного шлифования с увеличенными дугами
контакта при шлифовании труднообрабатываемых материалов за счет наложения низкочастотных
осевых колебаний на шлифовальный круг.
Объектом исследования является процесс алмазного шлифования труднообрабатываемых
инструментальных материалов в условиях низкочастотных колебаний шлифовальногокруга.
Предметом исследования является производительность алмазного шлифования с
осевыми колебаниями шлифовального круга и режимы обработки с учетом режимов колебательного
движения круга.
Методы исследования: теоретические методы, базирующиеся на фундаментальных
положениях теории резания, математическое моделирование, экспериментальные методы.
Для достижения вышеуказанной цели необходимо решить следующие задачи:
Математическое обоснование причин повышения производительности шлифования за
счет наложения осевых колебаний на алмазный шлифовальный круг.
Разработка устройства для реализации осевых колебаний шлифовального круга.
Обоснование вида сверхтвердых материалов для шлифования ванадиевой быстрорежущей стали
Р6М5Ф3 с управляющими электроэрозионными воздействиями на круг.
Описание модернизированного шлифовального станка модели 3Г71 с целью реализации
электроэрозионных воздействий на шлифовальный круг.
Исследования сложнонапряженного состояния деталей оправки для реализации осевых колебаний.
Математическое описание рельефа эльборовых шлифовальных кругов на металлической связке.
Использование алмазных кругов при заточке обусловлено уникальными физическими, механическими,
термическими, электрическими и химическими свойствами алмазных зерен, намного превосходящими
свойства обычных абразивных материалов, благодаря чему обеспечивается большая производительность и
лучшее качество обработки инструментов. Непревзойденные твердость, жесткость и износостойкость,
высокая режущая способность и острота режущих кромок алмазных зерен позволяют создавать такие
условия формирования поверхностного слоя инструмента при алмазной обработке, при которых, вследствие
снижения отрицательного влияния температурных и динамических факторов, поверхностный слой обладает
лучшими физико-механическими свойствами, что повышает качество и прочность режущих кромок инструмента.
Алмазная обработка инструмента обеспечивает также меньшие шероховатости рабочих поверхностей и
режущей кромки, её лучшую остроту и большую прочность. Благодаря этим преимуществам увеличивается
стойкость инструмента и сокращается его расход, снижается шероховатость, повышается точность и
производительность обработки деталей. Все это в конечном итоге обеспечивает рост производительности
труда, улучшение качества, надежности и снижение себестоимости выпускаемой продукции
[1].
Прочные металлические связки создают предпосылки эффективного использования потенциала режущих
свойств алмазных зерен шлифовальных кругов. Однако при алмазном шлифовании торцом чашечного
круга сталей и сталей совместно с твердым сплавом такие круги теряют режущую способность в
течение 1-6 минут. Объясняется это тем, что образующаяся в зоне резания мелкая стружка
частично остается на режущих кромках зерен, а более крупная располагается на передней поверхности
и схватывается со связкой. При повторных контактах число локальных заполнений межзеренного
пространства возрастает, а предыдущая стружка как бы размазывается по поверхности связки и через
одну минуту представляет сплошную массу.
Удалить продукты засаливания позволяют электрические разряды, направленные на рабочую поверхность круга.
Реализовать данную схему обработки можно несколькими способами. Наиюолее эффективным является способ,
при котором введение электроэрозионных воздействий осуществляется в автономной зоне. Данная схема обработки
была осуществлена на модернизированном с этой целью плоскошлифовальном станке модели 3Г71 (рис.1).
Рисунок 1 - Общий вид шпиндельной бабки плоскошлифовального станка модели 3Г71
с устройством правки круга в автономной зоне
Суть схемы обработки с электроэрозионными воздействиями заключается в следующем. Шлифовальный круг и
электрод 11 подключаются к источнику тока, который генерирует импульсы тока определенной мощности и частоты.
В результате между кругом и электродом проскакивают микродуговые разряды, которые плавят и частично испаряют
как продукты засаливания, так и материал связки. Продукты обработки вымываются охлаждающей рабочей средой.
Таким образом поддерживается рабочее состояние круга. Регулируя параметры электроэрозионных воздействий
можно управлять параметрами рабочей поверхности круга [1]. Компенсацию износа
электрода можна осуществлять
при помощи механизма подачи электрода 4. Воизбежание копирования погрешностей формы электрода и его
неравномерности износа, предусмотрен механизм перемещения электрода 3 вдоль оси шлифовального круга.
Рисунок 2 - Схема подвода технологического тока и золяции шлифовального круга
Вся система, связанная с электроэрозионными воздействиями была изолирована от конструкции станка.
Шлифовальный круг устанавливался на оправку 3 (рис. 2), посадочные поверхности на которой имели
диэлектрический слой 4. Подвод технологического тока положительной полярности к кругу осуществлялся
через токосъемник 1, установленный на оправке круга и через щетку 2, благодаря которой обеспечивался
скользящий контакт.
В качестве источников технологического тока использовали блок элек-тропитания ИТТ 35. Источник технологического
тока модели ИТТ – 35 имеет следующие технологические характеристики:
частота питающего напряжения 50 Гц;
частота выходных импульсов f = 50 Гц;
наибольшая потребляемая мощность 1 кВт;
диапазон регулирования выходного напряжения на холостом ходу:
амплитудного Uхх = 27 - 75 В;
среднего 0,5 - 1 В;
При шлифовании производительность и качество обработки зависят от условий контактирования зерна с
обрабатываемой поверхностью, определяемые формой единичных срезов и его параметров – толщиной среза,
длиной дуги контакта с заготовкой, а также количеством зерен, участвующих в процессе шлифования.
Изменить форму единичных срезов можно при помощи сообщения шлифовальному кругу колебательного движения
в направлении, перпендикулярном или параллельном оси круга. В первом случае, контактирование алмазных зерен
осуществляется в условиях переменной глубины резания. В итоге, при перемещении рабочей поверхности круга
(РПК) в направлении обрабатываемой поверхности, увеличиваются параметры единичных срезов и их количество.
При перемещении РПК от обрабатываемой поверхности, наоборот, уменьшаются как параметры среза,
так и количество одновременно работающих зерен. В результате радиальные колебания являются вредными,
их необходимо устранять, снижая до минимума их влияние на параметры шероховатости [2].
Процесс шлифования с колебаниями исследован, в основном, экспериментально. При этом установлено
повышение производительности и качества обработки как при наложении осевых колебаний на круг
[3], так
и создания эксцентрично расположенного относительно оси круга алмазоносного слоя, в результате чего при
обработке возникает осциллирующее движение РПК.
Для обоснования целесообразности использования предложенной схемы шлифования, определим несколько
закономерностей, позволяющих оценить влияние тех или иных параметров колебатльного движения и
параметров обработки.
Для определения условий, при которых в наибольшей мере будет проявляться положительное влияние
осевых колебаний шлифовального круга на производительность обработки, параметры шероховатости
обработанной поверхности, воспользуемся длительностью периода колебаний и продолжительностью рабочего
цикла алмазного зерна.
Длительность периода колебаний (рис. 3)
находится по формуле: Т=1/f , где f - частота колебаний, Гц.
Рисунок 3 - Траектория движения зерна вдоль оси Z за счет колебаний
Продолжительность рабочего цикла алмазного зерна:
где L – длина дуги контакта круга с деталью, мм;
V к - скорость круга, м/мин.
Для того, чтобы увеличилась производительность шлифования, необходимо, чтобы увеличился объем
единичного среза либо за счет увеличения длины траектории зерна в контакте с обрабатываемой
деталью, либо за счет изменения формы единичного среза с запятообразного, на сегментообразный.
Увеличение длины траектории зерна за время рабочего цикла за счет осевых колебаний возможно, если:
Причем, чем больше значение этого отношения, тем больше увеличение объема единичного среза за счет
увеличения длины траектории зерна в обрабатываемом материале.
Из последней формулы видно, с помощью каких параметров возможно увеличение значения этого отношения.
Увеличение длины дуги контакта круга с деталью. Очевидно, что увеличение диаметра круга
и глубины шлифования способствуют увеличению длины дуги.
Увеличение частоты осевых колебаний. Недостаток этого метода – необходимость в
наличии высокочастотных вибраторов.
Уменьшение скорости шлифовального круга. Этот прием имеет недостаток, заключающийся в
уменьшении количества зерен, находящихся в работе, что вызовет увеличение параметров шероховатости.
Таким образом, наиболее рациональным способом интенсификации шлифования с осевыми
колебаниями круга является шлифование, когда доминирующими являются сегментообразные или
неперекрытые срезы. Определим один из параметров, влияющих на производительность шлифования.
При выводе уравнения траектории движения абразивного зерна шлифовального круга, относительно
детали, при плоском шлифовании с осевыми колебаниями круга воспользуемся общим матричным уравнением,
описывающем движение детали и шлифовального круга [4].
Пусть репер 1 (система координат X1Y1Z1) связан со шлифовальным кругом,
вращается вокруг оси Z1 с
угловой скоростью и поступательно перемещается в плоскости X2О2Y2
относительно репера 2
(система координат X2Y2Z2), связанного с обрабатываемой поверхностью (рис.4).
Рисунок 4 -Положение репера 1 относительно репера 2 при плоском встречном шлифовании:
а - в начальный момент времени;
б – после поворота на некоторый угол и поступательного перемещения вдоль оси О2Z2 на
величину Sz и на величину Sx
за счет колебательного движения вдоль оси O1X1.
Перемещение детали Sz за время поворота круга на величину
для встречного шлифования:
для попутного шлифования:
где Vд - скорость детали, м/мин;
Vк - скорость шлифовального круга, м/с;
f - частота колебаний круга вдоль его оси, Гц;
Aк - амплитуда колебаний круга, мм.
Таким образом, траектория движения абразивного зерна шлифовального круга при плоском шлифовании
представляет собой трохоиду, у которой центр образующей окружности движется по синусоидальному
гармоническому закону. Уравнение траектории движения зерна окончательно имеет вид:
Верхние знаки относятся к случаю попутного шлифования, нижние – встречного.
С использованием полученных уравнений (2) выведем формулу для определения длины дуги контакта
единичного зерна шлифовального круга с обрабатываемой деталью.
Длина дуги контакта представляет собой определенный интеграл вида:
Пределы интегрирования соответствуют моменту входа и выхода зерна из детали.
Решая интеграл, получим формулу для определения длины дуги контакта с использованием точной
траектории движения зерна. При этом метод решения интеграла (путем разложения подинтегрального
выражения в биноминальный ряд и использования первых трех его членов) обеспечит точность
вычислений до 0,5%.
Рисунок 5 -Схема для определения длины дуги контакта единичного зерна с деталью:
а - в случае образования запятообразного среза;
б - в случае образования сегментообразного среза.
Таким образом, окончательно уравнение для определения длины дуги контакта
при попутном и встречном характере подачи в случае образования запятообразного среза имеет вид:
Угол контакта зерна круга можно определить, решив совместно уравнение
траектории движения единичного
зерна (2) и уравнение обработанной поверхности y=tф для случая образования
запятообразного среза,
где tф – фактическая глубина шлифования:
Для вышеприведенных режимов обработки и tф =0,01мм значение угла контакта составляет
0,012649 рад.
Выясним возможность определения длины дуги контакта единичного зерна шлифовального круга с деталью,
используя для упрощения расчетов в качестве уравнения траектории движения зерна круга – окружность.
Траектория движения зерна круга в пределах угла контакта с обрабатываемой деталью представляет собой
результирующую двух движений: вращения круга и осевого перемещения круга lx за время поворота на
угол контакта (рис.6). Найдем эти составляющие и определим их геометрическую сумму на примере
запятообразного характера среза.
Рисунок 6 – Схема к определению длины дуги контакта единичного
абразивного зерна с обрабатываемой деталью:
1 – дуга контакта единичного зерна с деталью без осевых колебаний круга;
2 - дуга контакта единичного зерна с деталью с учетом осевых колебаний круга
Длина дуги контакта зерна без колебаний шлифовального круга определится по формуле:
Величину осевого перемещения шлифовального круга lx за время поворота на угол контакта определим,
исходя из уравнения траектории движения зерна (2) и ранее найденного значения угла контакта, равна:
Рассмотрим криволинейный треугольник ABA' (рис.6). Развертка этого треугольника на плоскость будет
представлять собой прямоугольный треугольник с известными катетами lx и l0 .
Таким образом длина дуги
контакта единичного зерна круга с обрабатываемой деталью с учетом осевых колебаний круга будет иметь вид:
Ниже (табл.1) приведены результаты расчетов значений длин
дуги контакта единичного зерна
шлифовального круга для плоского шлифования с колебаниями и без колебаний круга при тех же режимах,
что и при выводе формулы (5), а также оценка величины относительной погрешности при расчете длины дуги
контакта по упрощенной траектории.
Таблица 1 – Влияние наличия осевых колебаний шлифовального круга и их частоты на величину длины
дуги контакта единичного зерна с обрабатываемой деталью при плоском шлифовании
УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ ШЛИФОВАНИЯ С ОСЕВЫМИ
КОЛЕБАНИЯМИ ШЛИФОВАЛЬНОГО КРУГА
Описание конструкции устройства для реализации
шлифования с осевыми
колебаниями шлифовального круга
Устройство для реализации шлифования с осевыми колебаниями шлифовального круга выполнено
в виде оправки (анимированное изображение 7), на которую устанавливается алмазный шлифовальный круг 1.
Анимированный рисунок 7 – Оправка для реализации шлифования с осевыми колебаниями
шлифовального круга
(15 кадров, 10-кратный цикл повторения)
Вместе с кругом оправка закрепляется на шпинделе 18 шлифовального станка и имеет соответствующую
коническую посадочную поверхность. Алмазный шлифовальный круг устанавливается на подвижную,
относительно всей конструкции оправки, часть – каретку 3, которая имеет диэлектрический слой
для изоляции круга от оправки и станка в целом. На каретке круг фиксируется гайкой 7, имеющей
левую резьбу для реализации эффекта самозатягивания в процессе работы. Гайка 7 поджимает
шлифовальный круг через диэлектрическую шайбу 6, и дополнительно фиксируется четырьмя, радиально
расположенными, винтами 16. диэлектрическая шайба 6 на наружной поверхности имеет резьбу, для
возможности подсоединения токосъемника при электроэрозионной правке круга.
Каретка 3 должна иметь возможность легко перемещаться вдоль оси оправки, и одновременно
необходимо обеспечить отсутствие зазоров и люфтов в подвижных соединениях. С этой целью
каретка 3 установлена на шариковых направляющих. Составными элементами направляющих являются
треугольные пазы в каретке 3, ответные пазы в регулируемых клиньях 5, установленных в пазах
конической втулки 2, и тела качения – шарики 13. оправка имеет четыре шариковые направляющие,
расположенные во взаимоперпендикулярных сечениях. Каждая шариковая направляющая имеет независимое
регулирование с помощью винтов 9 и контргаек 10.
Величина хода каретки 3 ограничена с одной стороны электромагнитной катушкой тороидного типа 4 с
токосъемником, с другой стороны – регулирующей гайкой 8, которая навинчена на коническую втулку 2
и зафиксирована винтами 17.
Каретка 3 находится в подпружиненном состоянии, благодаря четырем пружинам 12, упирающимся в
неподвижный корпус электромагнитной катушки 4.
Пружины 11 создают небольшой натяг при монтаже регулируемых клиньев 5 и их использование необходимо
лишь на этапе сборки о регулировки оправки.
Оправка устанавливается на шпинделе станка и фиксируется винтом 14 с левой резьбой, ввинчиваемым в
осевое отверстие шпинделя, через шайбу 15.
Описание принципа работы устройства для реализации шлифования с
осевыми колебаниями шлифовального круга
В процессе нормальной работы вся конструкция оправки для реализации осевых колебаний шлифовального круга
(рис.7) вращается с постоянной скоростью вместе со шпинделем станка. При этом каретка 3 вместе с
алмазным шлифовальным кругом 1 совершает постоянное колебательное движение вдоль оси оправки.
Источником колебательного движения является переменное электромагнитное поле определенной частоты,
которое создается электромагнитной катушкой 4.
При возникновении электромагнитного поля, чьи силовые линии направлены вдоль продольной оси оправки,
каретка 3 притягивается к корпусу катушки 4. при этом пружины 12 сжимаются и зазор между кареткой и
катушкой отсутствует. При исчезновении электромагнитного поля пружины 12 возвращают каретку 3 в исходное
положение, до упора в гайку 8. этот процесс повторяется многократно с частотой возникновения
электромагнитного поля.
Источником тока для электромагнитной катушки является блок питания, генерирующий импульсы заданной частоты,
прямоугольной формы. Подвод тока осуществляется через токосъемник катушки 4 посредством графитной щетки,
закрепленной на корпусе шпиндельной бабки шлифовального станка и через корпус самой оправки. Напряжение
импульса – 24 В, сила тока при наибольшей частоте колебаний – 0,25 А.
Несмотря на прямоугольную форму электрических импульсов, поступающих на катушку, характер движения
каретки носит синусоидальный характер. Это обусловлено наличием сил инерции и, как следствие,
запаздыванием реакции механизма на появление или исчезновение электромагнитного импульса.
Шпиндель шлифовального станка вращается с высокой скоростью и имеет большой пусковой момент.
Контакт тел качения в шариковых направляющих с опорной поверхностью происходит в точке. Следовательно,
при больших значениях сил инерции, возникающих в момент пуска и останова станка, будут возникать большие
контактные напряжения в точках контакта шариков с опорной поверхностью. Для уменьшения этих напряжений
и во избежание больших пластических деформаций в местах контакта, число используемых шариков максимально,
на сколько позволяет конструкция оправки. Ввиду небольшой величины хода тел качения и неизбежных
контактных деформаций, на этапе приработки обеспечится полноценный контакт всех шариков в направляющих.
Порядок сборки и регулировки оправки для реализации шлифования с
осевыми колебаниями шлифовального круга
Корпус электромагнитной муфты 4 по посадке с натягом установлен на конической втулке 2 (рис. 7).
В пазы втулки устанавливаются регулировочные клинья 5, поджимаемые пружинами 11, и создается натяг
винтами 9. В горизонтальном положении на коническую втулку 2 надевается каретка 3 с пружинами 12.
В образованные треугольными пазами клиньев 5 и каретки 3 зазоры засыпаются шарики. Фиксацию каретки,
и во избежание выпадения шариков, осуществляют закручиванием гайки 8. предварительно собранная
конструкция закрепляется на шпинделе станка и затягивается винтом 14.
На зеркало стола устанавливается индикаторная стойка. Ножка индикатора подводится к поверхности
установки круга. Проворачивая шпиндель станка, и постепенно затягивая винты 9, выбирается зазор
в направляющих. При этом одновременно следят за отсутствием радиального биения каретки 3 относительно
оси шпинделя по индикатору. Оправка позволяет регулировать смещение каретки относительно оси шпинделя
в пределах 0,5 мм. Причем регулируется каждая направляющая индивидуально. Регулировка осуществляется
благодаря наклонной поверхности клиньев и ответной поверхности конической втулки 2. перемещение клина
вдоль оси приводит к увеличению межцентрового расстояния направляющих. После выборки зазора, создания
необходимого натяга и устранения радиального биения, регулировочные винты 9 фиксируются гайками 10.
Регулировка перемещения каретки 3 вдоль оси производится гайкой 8. затягивая ее, добиваются
уменьшения величины колебаний каретки с кругом. Отметим, что при высоких частотах колебаний,
их амплитуда минимальна ( при 100 Гц, А=0,3 мм). Это связано с влиянием сил инерции при движении
каретки. Отрегулированное положение гайки 8 фиксируется винтами 16.
Далее на оправку устанавливается алмазный шлифовальный круг, диэлектрическая шайба 6.
Шлифовальный круг затягивается гайкой7, которая дополнительно фиксируется винтами 16.
После вышеперечисленных операций оправка снимается со станка и осуществляется ее балансировка
в сборе. Ввиду особенностей конструкции, не предусматриваются балансировочные сухарики.
Балансировку можно осуществлять, накручивая дополнительные грузики на стопорные винты 16, или
засверливанием корпуса шлифовального круга.
Сбалансированную оправку устанавливают на шпиндель станка. После чего осуществляют пробный пуск.
Все регулировки можно осуществлять не снимая оправки со станка.
Выполнен торетический анализ метода алмазного шлифования с осевыми колебаниями шлифовального круга.
Рассчитаны параметры резания и теоретически обоснованы причины роста производительности обработки
на примере конкретных показателей (длины дуги контакта единичного абразивного зерна круга, формы среза
единичным зерном).
Разработаны несколько вариантов конструкций устройств для реализации колебаний шлифовального круга.
В условиях лаборатории изготовлены их образцы и проверена их работоспособность. Практически подтверждена
возможность существования такого вида обработки, как шлифование с осевыми колебаниями круга.
Выполнен анализ и описание оборудования для поддержания рабочей способности круга в процессе обработки.
План выполнения работы на ближайшее время
Проведение эксперимента с целью подтверждения роста производительности алмазного шлифования
труднообрабатываемых материалов при наличии осевых колебаний круга.
для встречного шлифования: 
можно определить, решив совместно уравнение
траектории движения единичного
зерна (2) и уравнение обработанной поверхности y=tф для случая образования
запятообразного среза,
где tф – фактическая глубина шлифования:
