ШЛИФОВАНИЕ С ПОПЕРЕЧНОЙ ПОДАЧЕЙ С НАИМЕНЬШИМИ ЭНЕРГОЗАТРАТАМИ

Н. Полянчиков, А. Н., Воронцова, В. В. Воронцов, Л. Г. Гильдебранд.

Волгоградский государственный технический университет

http://www.vstu.ru/research/pub/izvestiya/2006 2/17.pdf

Одним из важных параметров оценки качества шлифовального круга является его режущая способность, под которой подразумевается отношение производительного процесса к действующей радиальной составляющей сил резания.

Наиболее просто определить этот показатель, проводя исследования процесса шлифования методом обработки с непрерывной поперечной подачей под действием постоянной силы. Проводя исследования этим способом удобно оценивать и обрабатываемость материала шлифованием.

Такие исследования подробно описал в своей книге [1] С. Н. Кончак. Самые различные методы оптимизации различных способов абразивной обработки приведены в монографии[2] В. М. Оробинского. Содержащиеся в этой книге рекомендации могут существенно помочь на производстве оптимизировать важнейшие для повышения качества продукции методы механической обработки заготовок.

Развитие за последние годы рыночных отношений выдвигает перед производственниками еще одну задачу: всеми возможными способами снижать изготовления деталей и за счет этого повышать их конкурентоспособность.Одним из существенных направлений снижения себестоимости изготовления деталей машин является изыскание путей снижения впроцессе производства энергетических затрат.

Абразивная обработка заготовок деталей машин традиционно считалась малоэнергоемким производством, но все же затраты электрической энергии при этом методе обработки существуют и влияют на себестоимость обработки. Достаточно сказать, что мощность электродвигателя привода главного движения у круглошлифовального станка модели ЗТ160 составляет 17 кВт, а у станка модели 3М161Е, даже 18,5 кВт[3].

Очевидно, что проектирование станков с такими мощными двигателями не является случайным: в ряде случаев обработки мощность резания при шлифовании становится соизмеримой с мощностью, затрачиваемой при других методах механической обработки заготовок.

Все сказанное позволяет утверждать, что при оптимизации операций абразивной обработки становится необходимым анализировать энергетические затраты и искать пути их снижения.

Нами уже обсуждалось [4] предположение об использовании еще одного показателя для оценки качества шлифовального круга и совершенства способа его эксплуатации: рассматривать такой показатель как относительная минутная работа сил резания а, Дж/мм3.

(1)

где N – мощность резания, кВт; w – производительность шлифования, мм3/мин.

Для измерения этого показателя необходимо измерять мощность резания.

Если принять показатель относительной минутной работы за один из показателей оптимизации процессов абразивной обработки, то возникает необходимость, во-первых, установить влияние на этот показатель режимов резания,вносимых в технологическую документацию, и,во-вторых, установить методику определения влияния свойств абразивного инструмента на этот показатель.

Так как шлифование, как правило, – завершающая операция обработки поверхности заготовки, то естественно следует рассматривать этот показатель в самый тесной связи с качеством обработки.По ряду исследований [5, 6] и других качество профилированной поверхности существенно зависит от величины и постоянства силы, с которой инструмент прижимается к обрабатываемой поверхности, поэтому и оценку соответствующих свойств абразивного инструмента лучше всего изучать проводя исследования методом шлифования с постоянной составляющей силы резания Ру.

В справочной литературе [3, 7] приводятся формулы для вычисления мощности резания при шлифовании в зависимости от принятого режима резания, но отсутствуют такие зависимости для случая шлифования с непрерывной поперечной подачей под действием постоянной силы.

Подобная зависимость может оказаться полезной для определения направления оптимизации процесса шлифования с использованием показателя относительной работы сил резания.

Установлению вида функциональной зависимости мощности резания от принимаемого режима испытания шлифовального круга методом шлифования образца с постоянной силой прижима инструмента к заготовки и посвящена настоящая статья.

Проведенные предварительно опыты позволили предположить, что мощность резания в этом случае должна существенно зависеть от тех же параметров, которые влияют на производительность обработки: скорости резания действующей величины постоянной силы и продольной подачи.Предварительные опыты показатели, что производительность обработки в первую очередь зависит от этих параметров. В указанных выше литературных источниках формулы для вычисления мощности резания включают еще один параметр – скорость вращения заготовки (круговую подачу). Наши предварительные опыты показатели, что в случае шлифования с непрерывной поперечной подачей под действием постоянной силы производительность обработки не зависит от скорости вращения заготовки. Собственно этот вывод можно легко прогнозировать. При описываемом способе шлифования производительность зависит от скорости врезания инструмента в обрабатываемую поверхность. При изменении скорости вращения заготовки изменяется скорость подвода обрабатываемого материала в зону резания, но одновременно изменяется и время контакта данного участка поверхности заготовки с инструментом, т. е. получается следующая зависимость: при уменьшении скорости вращения заготовки уменьшается скорость перемещения зоны резания по поверхности заготовки, зато увеличивается глубина врезания. (Иначе говоря, увеличивается толщина сошлифованного в единицу времени слоя поверхности заготовки, но пропорционально уменьшается его длина).

На основании сказанного, для случая наружного круглого шлифования с непрерывной поперечной подачей под действием постоянной силы была гипотетически принята форма зависимости мощности резания от режима обработки:

(2)

После линеаризации указанной зависимости методом логарифмирования было получено:

(3)

Коэффициент СN и показатели степени Kv,Ks, KP в этой зависимости было принято решение определить по методу многофакторного планируемого эксперимента. Опыты было решено провести с использованием специального приспособления, позволяющего шлифовать образец с непрерывной поперечной подачей под действием постоянной силы, установленного на круглошлифовальный станок.

Многофакторный эксперимент проводился при варьировании исследуемых параметров на двух уровнях: при наибольшем и наибольшем значениях. В соответствии с этим для проведения эксперимента были приняты режимы обработки: скорость резания vK = 42 – 21 м/с (достигалась варьированием скорости резания за счет использования специально изготовленных сменных шкивов на электродвигателе привода главного станка); продольная подача S = 12 – 24 мм/об; действующее усилие, т. е. сила, обеспечивающая шлифование с непрерывной поперечной подачей, отнесенная к единице высоты шлифовального круга,

Ру/В=0,5-1 Н/мм

Известно, что количество опытов в полном факторном эксперименте значительно превосходит число определяемых коэффициентом линейной модели [7], т. е. полный факторный эксперимент обладает большой избыточностью опытов. Помимо этого, при проведении описываемого исследования не ставилась задача получить нормативный справочный материал, пригодный для повседневного промышленного использования.

Как указывалось выше, ставилась задача установить тенденции влияния отдельных факторов на мощность резания при данном способе обработки.На основании всего этого, было принято решение использовать матрицу из четырех опытов, т. е. провести дробный многофакторный эксперимент.

Матрица из четырех опытов для трехфакторного планирования имеет вид [8], представленной таблице.Матрица включает семь столбцов: номер опыта, столбцы для каждого фактора: X1 = vK;

X2 = S и X3 = Py /B, дополнительный столбец значений Xo и столбец, включающий найденные в результате опытов значения NОП мощности резания и расчетный столбец с записью логарифма функции y.

Опыты выполнялись на круглошлифовальном станке 3М150 со следующей организацией опытов.

Шлифовались образцы из каленой стали марки 45 (HRC 43), имеющие форму вала с рабочей шейкой длиной 80 мм и начальным диаметром 50 мм.Обработка велась кругом ПП 400х40х203 24А 40 СМ2 6 К8. Образец устанавливался на приспособлении и шлифовался "на верность", после чего шлифовальный круг правился алмазно-металлическим карандашом СК-1 на режиме: три прохода с поперечной подачей 0,02 мм/ход; два прохода с поперечной подачей 0,01 мм/ход: два прохода без поперечной подачи. Продольная подача во всех случаях была 0,19 мм/об. круга. После правки круга проводится сам опыт.

При каждом опыте режимы резания устанавливались согласно данным приведенной матрицы эксперимента. Если при проведении очередного опыта на строке матрицы, соответствующей номеру данного опыта, стоит знак "+", то принималосьнаибольшее значение соответствующего данному столбцу фактора, если "-" – то наименьшее. Так, например, первый опыт проводился со скоростью круга vK=21м/c, продольной подачей S=12 мм/об и при действии постоянной силы PY/B=1 Н/мм, (что соответствовало силе 40 Н, которая и создавала необходимое соотношение при высоте круга 40 мм).

На установленном режиме образец шлифовался две минуты без замеров, затем начинался собственно эксперимент: образец шлифовался непрерывно три минуты и измерялась мощность резания. После этого круг правился, и опыт повторялся снова. На каждом режиме выполнялось по три опыта. Средние арифметические значения измеренной мощности заносились в таблицу матрицы эксперимента. После этого устанавливался режим резания, соответствующий второй строке матрицы, и опыт повторялся три раза и т. д.

Результаты этой серии опытов представлены в таблице матрицы эксперимента. Дальнейшая математическая обработка результатов эксперимента проводилась в следующей последовательности.

Коэффициенты в формуле (3) определялись с использованием матрицы эксперимента.Известно, что

соответствующие столбцу параметра vk; s или y P B, с которым следует взять для расчета значение функции yi, соответствующей данному опыту. Использование специального столбца Хо позволяет определить величину свободного члена уравнения (3). Для описываемой серии опытов расчеты привели к следующим результатам:

Аналогично были вычислены значения коэффициентов bs=0,00493, bp=0,21464.

Затем определяются промежуточные величины:

Показатели степеней Kv; Ks; Kp в исходной аналитической зависимости определяются по полученным значениям:

Размерный коэффициент С определяется по зависимости:

где индексом "в" обозначено наибольшее, а индексом "н" – наименьшее значение соответствующего параметра.

Подставляя значения параметров получим:

Таким образом искомая аналитическая зависимость эффективной мощности резания при шлифования с непрерывной поперечной подачей под действием постоянной силы имеет вид:

В ы в о д ы

1. В случае испытания качества шлифовального круга по величине его режущей способности при проведении эксперимента методом шлифования с непрерывной поперечной подачей действием постоянной силы мощность резания зависит от принятого режима шлифования.

2. В наибольшей степени мощность резания зависит от отношения величины действующей силы прижима инструмента к заготовке к величине высоты круга.

3. Установленная продольная подача очень мало влияет на мощность резания, поэтому при проведении опыта может быть установлена подача, исходя из требования к качеству поверхности.