Технологическое обеспечение параметров состояния поверхностей деталей машин при шлифовании

С.Г. Бишутин, к.т.н.
Брянский государственный технический университет
Main ways of quality improving when grinding work under materials have been formulated and analyzed by the author.
http://www.ostu.ru/conf/tech2002/sect1/bishutin/bishutin.html

Принципиально возможны три метода обеспечения качества механической обработки различных материалов [1]: общепринятый - постановка лабораторных исследований по выявлению зависимостей между параметрами качества и режимами обработки в условиях, максимально приближенных к производственным, оптимизация режимов механической обработки на ЭВМ в вычислительных центрах, передача результатов оптимизации в производственные цеха и использование их при наладке технологического оборудования; нетрадиционный - постановка экспериментов непосредственно, например, на станке с ЧПУ в процессе его наладки, оптимизация режимов обработки встроенной в оборудование специализированной ЭВМ и автоматизированная наладка станка с ЧПУ по командам этой ЭВМ; наиболее перспективный - технологическое обеспечение качества механической обработки на основе математического моделирования процесса формирования параметров состояния поверхности.
Первые два метода описаны в работе [2], их достоинства и недостатки очевидны. А вот достоинства третьего метода таковы:
обеспечивается лучшее понимание, прогнозирование и управление процессом формирования качества поверхности;
отпадает необходимость в большом числе экспериментальных исследований;
появляется возможность проведения многокритериальной оптимизации режимов механической обработки;
обеспечивается значительная экономия материальных средств и времени на стадии технологической подготовки производства;
представляется возможным создание систем автоматизированного проектирования технологических процессов механической обработки.
Рассмотрим технологическое обеспечение качества механической обработки на основе математического моделирования процесса формирования параметров состояния поверхности при шлифовании.
В основу прогнозирования геометрических параметров состояния обработанной шлифованием поверхности положен следующий принцип. Если известно число вершин зерен, формирующих микропрофиль поверхности, геометрия вершин этих зерен и их распределения по высоте и длине профиля, то при совмещении контуров вершин зерен можно получить очертания неровностей обработанной поверхности. Влияние всех основных факторов абразивной обработки на формирование шероховатости поверхности можно объяснить изменением либо числа вершин зерен, формирующих микропрофиль поверхности, либо геометрических характеристик вершин этих зерен, либо закона распределения вершин зерен по высоте профиля. Например: чем выше скорость вращения круга и чем меньше продольная подача стола станка, тем влияние большего числа вершин зерен сказывается на геометрии неровностей поверхности, что, в конечном счете, приводит к уменьшению высоты этих неровностей. Подобным образом можно объяснить влияние и остальных основных факторов абразивного шлифования.
Вышеизложенный подход был реализован в исследованиях [3], на основе которых было получено следующее уравнение для расчета наибольшей высоты Rmax неровностей профиля при круглом наружном, плоском и внутреннем шлифовании периферией круга:

(1)

где r - среднее значение радиуса округления вершин зерен рабочей поверхности шлифовального круга (обуславливается материалом абразивных зерен, зернистостью и величиной линейного износа шлифовального круга); tФ – фактическая глубина шлифования (меньше глубины шлифования, установленной по лимбу станка, на величину упругих отжатий круга от заготовки); kв – расчетный коэффициент, учитывающий размах колебаний рабочей поверхности круга относительно обрабатываемой поверхности заготовки; mф/m0 – отношение фактического числа к максимально возможному числу абразивных зерен на рассматриваемой площади поверхности шлифовального круга [4]; Vк, Vз – соответственно скорости перемещений рабочей поверхности шлифовального круга и обрабатываемой поверхности заготовки в процессе обработки; А=Dк – для плоского шлифования периферией круга; А=DзDк/(Dз± Dк) – для круглого наружного (+) и внутреннего (-) шлифования периферией круга; Dк, Dз – соответственно диаметр шлифовального круга и заготовки; Н – величина, учитывающая многократное взаимодействие рассматриваемого участка поверхности заготовки с шлифовальным кругом (обуславливается кинематикой перемещений заготовки и инструмента, износом шлифовального круга, упругими перемещениями в системе СПИЗ); q – параметр, учитывающий многовершинность единичного абразивного зерна; N – зернистость шлифовального круга; V – объемное содержание зерен в круге; Fc(tф) – доля вершин зерен, находящихся на глубине от 0 до tф рабочей поверхности круга (за начало отсчета принята точка, принадлежащая поверхности, проведенной через вершины наиболее выступающих зерен шлифовального круга)[1,5]; d - высота металлических навалов, образующихся по краям шлифовочных царапин от вершин абразивных зерен.
Расхождение теоретических значений параметра Rmax, определенных по формуле (1), с результатами многочисленных экспериментов находятся в пределах от 0 до 27 %, что можно, на наш взгляд, считать приемлемым.
Остальные параметры шероховатости определяются на основе разработанной математической модели профиля шероховатой поверхности, учитывающей индивидуальные особенности процессов шлифования (форму зоны контакта шлифовального круга с заготовкой, кинематику перемещений инструмента относительно заготовки, распределения по высоте и длине профиля его впадин – шлифовочных царапин от вершин абразивных зерен, радиус округления вершин абразивных зерен). В соответствии с этой математической моделью между параметрами шероховатости существуют следующие соотношения:

(2)

где Ra, Rz, S, Sm, tp – параметры шероховатости поверхности, предусмотренные ГОСТ 2789-73; Rp, Rv – высота выступов и глубина впадин профиля (расстояния от средней линии и соответственно до линии выступов и линии впадин профиля).
Степень uн и глубину hc наклепа поверхностного слоя в условиях бесприжогового шлифования (когда доминирует силовой фактор над температурным) можно определить по следующим формулам:

(3)

где b*, kh – расчетные коэффициенты пропорциональности; s ти – предел текучести материала поверхностного слоя заготовки, сформированного до операции шлифования; s ви – истинный предел прочности материала поверхностного слоя заготовки; Q max – максимальная температура в зоне контакта шлифовального круга с заготовкой [6]; Тн – температура начала структурно-фазовых превращений в обрабатываемом материале; аz – среднее значение глубины внедрения вершины абразивного зерна в обрабатываемый материал в процессе шлифования.
Проведенные экспериментальные исследования убедительно подтверждают правомерность предложенных математических зависимостей (1)-(3) для расчета параметров состояния шлифованной поверхности.
Вышеприведенные зависимости дают возможность осуществить целенаправленный выбор условий шлифования, которые позволят технологически обеспечить требуемое состояние поверхностного слоя.

ЛИТЕРАТУРА
Горленко О.А., Бишутин С.Г. Методы управления процессом формирования качества поверхности при механической обработке заготовок деталей машин// Технологическое управление качеством поверхности деталей. – Киев: АТМ Украины, 1998. – С.51-60.
Рыжов Э.В., Горленко О.А. Математические методы в технологических исследованиях. – Киев: Наук. думка,1990. – 184с.
Бишутин С.Г. Прогнозирование и обеспечение параметров шероховатости шлифованной поверхности на основе моделирования процессов правки круга и обработки: Дис. … канд. техн. наук. – Брянск, 1998. – 172с.
Бишутин С.Г., Съянов С.Ю. Теоретическое определение параметров шероховатости поверхности при шлифовании и электроэрозионной обработке//Обработка металлов. – 2001. - №1(12). – С.16-18.
Горленко О.А., Бишутин С.Г. Взаимосвязь числа активных зерен с характеристиками и режимами правки абразивного инструмента// Проблемы машиностроения и надежности машин.–1999. - №1. – С. 62-66.
Якимов А.В. Алмазно-абразивная обработка фасонных поверхностей. – М.: Машиностроение, 1984. – 312с.