Факультет: Інженнерна механіка та машинобудування
Спеціальність: Металорізальні верстати і системи
МЕТА Й ЗАДАЧІ МАГІСТЕРСЬКОЇ РОБОТИ . Ціль - забезпечення режимів внутрішнього шліфування колами зі НТМ, при яких забезпечується необхідна якість поверхневого шару оброблюваних отворів у заготівлях зі складнолегованних інструментальних і конструкційних сталей.
Задачі:
1. Огляд проблем, які виникають при рішенні проблеми забезпечення якості поверхневого шару оброблюваних отворів при внутрішнім шліфуванні складнолегованних інструментальних і конструкційних сталей колами зі НТМ.
2. Огляд і аналіз шляхів рішення проблеми забезпечення якості поверхневого шару оброблюваних отворів при внутрішнім шліфуванні сталевих заготівель колами зі НТМ.
3. Визначення стану поверхневого шару оброблюваної заготівлі при його взаємодії зі шліфувальним колом у процесі внутрішнього шліфування.
4. Розробити рекомендації із призначення режимів внутрішнього шліфування колами зі НТМ, при яких забезпечується необхідна якість поверхневого шару оброблюваних отворів у заготівлях зі складнолегованних інструментальних і конструкційних сталей.
АКТУАЛЬНІСТЬ. У цей час при шліфуванні важко одержати поверхню без дефектів, тому знаходження оптимальних режимів обробки, при яких забезпечується необхідна якість поверхні актуально й зараз.
НАУКОВА НОВИЗНА. У ході виконання роботи будуть отримані нові закономірності між режимами обробки і якістю поверхневого шару оброблюваних отворів.
ПЛАНОВАНИЙ ПРАКТИЧНИЙ РЕЗУЛЬТАТ. Рекомендації з вибору режимів внутрішнього шліфування залежно від необхідної якості оброблюваних отворів.
Шліфувальний інструмент - різальний інструмент, що складається із зерен шліфувального матеріалу, зцементованих в одне ціле тим або іншій зв'язувальній речовині (зв'язуванням), застосовуваний для шліфування матеріалів.
Шліфувальний інструмент характеризують: геометрична форма й розміри, матеріал, зв'язування, зернистість, твердість, структура й концентрація зерна.
У якості шліфувальні матеріали застосовують:
1. природні - природний алмаз, корунд, кремінь і ін.;
2. синтетичні - синтетичний алмаз, кубічний нітрид бору, электрокорунд, карбід кремнію, карбід бору й різні композиції з них.
Матеріали, що шліфують, повинні мати хімічну інертність до оброблюваного матеріалу при високій температурі, що розвивається в зоні шліфування. В окремих випадках ця умова не виконується.
Рисунок 1.1. Схема робітника шару шліфувального кола.
Ріжуча частина шліфувального кола, зображена на рисунку 1.1, характеризується наступними поняттями.
Зовнішня поверхня 1 - поверхня геометрично правильної форми, проведена через вершини найбільш виступаючих зерен. Поверхня зв'язування 2 – поверхня геометрично правильної форми, що заміняє фактичну поверхню зв'язування в межзерновом просторі. Робочий шар – шар, розташований між зовнішньою поверхнею кола й поверхнею зв'язування. Робоча поверхня – будь-яка поверхня кола геометрично правильної форми, розташована на однакових відстанях від зовнішньої його поверхні в межах робітника шару.
Робоча поверхня кола складається з окремих зерен, розташованих у випадковому порядку, як зображено на малюнку, і не має суцільний ріжучої поверхні. Знімання металу виробляється найбільш виступаючими крайками зерен.
Алмазне зерно на відміну від різця не має певної форми і його геометричних параметрів коливаються досить значно залежно від зернистості, наприклад при зернистості 40 (розмір зерна 400мкм) середній радіус скругления коливається від 6,3 до 100 мкм, а при зернистості від 2,8 до 56 мкм.
Робота алмазного зерна залежить також від форми й розміру металу, що зрізує, у першу чергу від товщини зрізу [1].
Надійність, довговічність і інші експлуатаційні властивості деталей машин у значній мірі залежить від якості оброблених поверхонь. Під якістю поверхні мають на увазі весь комплекс параметрів, що визначають точність обробки, шорсткість поверхні й фізико-механічні властивості, одержувані в результаті обробки поверхні тим або іншому технологічному способу.
Питанням впливу параметрів процесу шліфування на шорсткість поверхні присвячена велика кількість досліджень, для багатьох параметрів установлені кількісні зв'язки з показниками точності й шорсткості. Виконання вимог по шорсткості забезпечується за рахунок вибору кінематики й режимів шліфування, підбора характеристик кола, вибору виду й способу підведення СОТС, придушення або використання вібрацій [2].
Вплив параметрів шліфування на фізико-механічні властивості оброблюваної поверхні більшою мірою досліджено якісно, причому ступінь впливу різні дослідники характеризують по-різному.
Розглянемо наявні в науково-технічній літературі відомості про вплив параметрів процесу шліфування, на стан поверхневого шару оброблюваних деталей.
Основні параметри процесу можна об'єднати в 4 групи:
- Показники ступеня деформації.
Процес шліфування металів супроводжується пластичними деформаціями й виділенням у зоні різання великої кількості тепла. У результаті одночасної дії - силового й теплового факторів остаточний розподіл залишкових напруг по глибині поверхневого шару здобуває досить складний характер. Розрізняють тимчасові термоупругі й залишкові напруги. Тимчасові напруги в міру вирівнювання температур по перетині деталі зникають, а залишкові, які виникли в результаті наявності пластичних деформацій, залишаються. Величина, знак, характер і глибина поширення залишкових напруг залежать від режимів шліфування, марки матеріалу і його вихідного стану після термічної обробки.
- Характеристики стану робочої поверхні шліфувального кола.
Кола зі СТМ при шліфуванні піддаються періодичному й перманентному силовому, тепловому й фізико-хімічному впливам, у результаті яких їхні робочі поверхні зношуються, затуплюються й засолюються.
Під зношуванням розуміють поступове відділення часток робітника шару шліфувального кола, що приводить до зменшення його розмірів і маси.
Зношування шліфувальних кіл відбувається, в основному, за рахунок: механічного стирання вершин ріжучих крайок зерен і появи на них площадок зношування; викрашування (сколювання) часток зерен під дією силових навантажень або циклічного чергування їхнього швидкого нагрівання й охолодження, що створює термоудары; адгезионного зношування зерен, пов'язаного з періодичним відривом налиплі на них металу заготівлі разом із частками абразиву й утворенням на зернах дрібних кратерів; дифузійного зношування, що полягає в розчиненні зерен у матеріалі оброблюваної заготівлі або утворення їхніх хімічних сполук; окислювання зерен киснем повітря при високій температурі; виривання зі зв'язування цілих зерен.
Під засолюванням розуміють процес переносу на робочу поверхню шліфувального кола часток шламу в процесі обробки. Однак варто мати на увазі, що частки шламу здатні проникнути й удержатися в просторі між зерен і в порах кола, а на зерна налипає матеріал оброблюваної заготівлі.
Затуплення й засолювання є основною причиною втрати ріжучої здатності шліфувальних кругів.
-Кінематичні параметри процесу шліфування.
До кінематичних показників процесу шліфування відносять: площа перетину шаруючи матеріалу, що видаляє за один оборот кола й товщина зрізу. Наведені кінематичні показники залежать від довжини дуги контакту, часу й режимів шліфування.
Довжина дуги контакту алмазного зерна з деталлю перебуває з урахуванням рівнянь його траєкторії в межах кута контакту, тобто від моменту входу зерна в деталь і до моменту його виходу із зони обробки [3].
-Показники стану контактуючих поверхонь у зоні різання.
У зоні обробки окремими зернами розвиваються високі контактні температури, що часто перевищують температуру плавлення стали, а поверхневі шари оброблюваної заготівлі, що поглинають більшу частку теплоти, що утвориться, протягом тисячних часток секунди нагріваються до 150-1250C, а потім настільки ж швидко прохолоджуються до 20-350С. Загальна кількість теплоти, що утвориться при шліфуванні, набагато перевищує теплотворення при обробці лезвийними інструментами. Ці пояснюється необхідність введення шаруючи змащення між шліфувальним інструментом і оброблюваною заготівлею з метою зниження сил різання й тертя, зменшення виділення теплоти, а також її швидкого відводу [4].
Зміна значень перерахованих показників з різних груп приводить до зміни параметрів якості обробки поверхні, але сила такого впливу може істотно розрізнятися.
Точність обробки, що представляє собою ступінь наближення дійсних розмірів деталі до її номінального розміру, по-різному залежить від первинних джерел погрішності. На точність обробки впливають: неточність установки інструмента, силові й теплові деформації, внутрішні напруження, погрішність виміру, зношування інструмента й ін.
При шліфуванні розрізняють сили різання: шліфувальним колом (сумарну) (рис. 1.3) і одним зубом, що шліфує(рис. 1.2).
Схема мікрорізання при поступальному переміщенні елемента, що дряпає, що має округлену вершину радіуса , на який діє зовнішня сила Р:
Рисунок 1.2. Система сил при мікрорізанні [1].
Розкладаючи силу Р на складові Pz і Py, установлюємо, що сила Pz зрізує стружку, а сила Py притискає елемент, що дряпає, до оброблюваної поверхні. На передню, поверхня елемента, що дряпає, діють елементарні нормальні сили (N1, N2…,Nn) і елементарні реактивні сили тертя (T1, T2,…,Tn).
Рисунок 1.3. Сила різання Р при шліфуванні.
Сумарна сила різання Р шліфувальним колом уважається складеної із сил: нормальної або радіальної Py, тангенціальної Pz і подачі Px (рис. 1.3).
Результати, отримані при дослідженні динаміки шліфування, використаються для розрахунків, пов'язаних з визначенням точності обробки, потужності верстатів, необхідної твердості технологічної системи СПІД, для аналітичного визначення інтенсивності теплотворення в зоні шліфування й температурного поля в шліфує детали, що, і інших технологічних рішень.
Дослідження дозволили встановити закономірність зміни сили різання в процесі шліфування. Така закономірність, для сили Р при роботі кола із затупленням, може характеризуватися кривій АБВГ (рис. 1.4).
Зміна величини сили різання в процесі шліфування. 1 - із затупленням круга; 2 - із самозагострюванням круга.
Як видно з рисунка сили різання помітно менше в шліфувальних кіл із самозагострюванням.
При врізанні з постійною або прискореною подачею відбувається досить інтенсивне зростання сили й моці різання (ділянка АБ). Інтенсивність збільшення сили різання на цьому етапі залежить в основному від режиму шліфування й твердості технологічної системи СНІД. Такий ріст сил у міру тривалості шліфування спочатку пояснили тільки зміною стану робочої поверхні кола, в основному зношуванням зерен, що шліфують, і збільшенням сил тертя зв'язування кола внаслідок викрашування невигідно орієнтованих і слабко утримуваних на поверхні зерен. Більше пізні дослідження показали, що цей етап характеризується несталим режимом знімання металу, коли фактична глибина різання безупинно зростає в міру збільшення натягу в системі СПІД. При сталому зніманні металу, коли подача на глибину практично постійна, величина сили різання стабілізується (ділянку БВ), а вплив інших факторів незначно.
При наявності на деталі вихідних неточностей форми обумовлених попередніми операціями, величина сил різання періодично убуває або зростає відповідно до зміни фактичної глибини різання. При затупленні зерен, що шліфують, і засолювання робочої поверхні кола сили різання різко зростають (ділянка ВГ).
Сили, що виникають при шліфуванні, деформують систему СНІД, у зв'язку із чим фактичне знімання матеріалу tф виявляється менше номінальної глибини шліфування to. Якщо не враховувати лінійне зношування інструмента (що правомірно робити при чистовому шліфуванні деталей алмазними й эльборовыми колами), то різниця 
буде значною мірою обумовлювати точність обробки. Величину 
, що прийнято називати недозніманням або втратою знімання матеріалу, можна представити у вигляді:
де К- коефіцієнт втрати знімання, обумовлений по формулі:
Сила шліфування:
де j- твердість системи СПІД.
Для зменшення погрішностей обробки треба глибину шліфування наступного ходу зменшувати до величини погрішності обробки попереднього ходу, або застосуванням виходжування. Задану точність обробки можна забезпечити також шляхом раціонального підбора характеристик кіл, режимів шліфування й способу підведення СОТС у зону контакту кола з деталлю.
Досить перспективним методом забезпечення високої (до 1-2- го класів) точності обробки є використання систем автоматичного керування (САУ) або автоматичного регулювання (САР) процесу шліфування. САР має зворотний зв'язок, у якій через дію, що обурює (зміна взаємного положення вузлів верстата, теплові або силові деформації деталі й т.д.) прийнятого джерела відбувається відхилення регульованої величини від його заданого значення, що приводить до відповідної зміни регульованого впливу. У цьому зв'язку САР є більше перспективною.
Досить важливим показником якості обробки, що робить істотний вплив на експлуатаційні властивості деталей, є шорсткість оброблених поверхонь. Мікрорельєф поверхні залежить від кінематики й режиму шліфування, властивостей оброблюваного матеріалу, характеристики кола, вібрацій, що супроводжують процес шліфування, ступеня пластичної деформації що зрізує й поверхневого шарів матеріалу, виду й способу подачі СОТС у зону обробки.
Перелік основних параметрів, що впливають на стан поверхневого шару оброблюваних заготівель при шліфуванні колами зі НТМ, і результати їхнього попереднього ранжирування по ступені впливу, зводимо в таблицю 1.
Таблиця 1. Ранжирування параметрів шліфування по ступені впливу на стан оброблюваної поверхні.
З таблиці 1 видно, що найбільший вплив на стан поверхневого шару оброблюваних отворів роблять силові й температурні деформації, а також довжина дуги контакту й затуплення зерен кола.
У ході проведеної роботи був виконаний аналіз наявних у науково-технічній літературі відомостей про вплив процесу шліфування, на стан поверхневого шару оброблюваних деталей і їхнє ранжирування за ступенем впливу.
При написанні даного автореферату магістерська робота ще не закінчена. Остаточне завершення: грудень 2010 р. Повний текст роботи та матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його керівника після вказаної дати.