Факультет: Инженерная механика и машиностроение
Специальность: Металлорежущие станки и системы
Цель и задачи магистерской работы. Цель – обеспечение режимов внутреннего шлифования кругами из СТМ, при которых обеспечивается необходимое качество поверхностного слоя обрабатываемых отверстий в заготовках из сложнолегированных инструментальных и конструкционных сталей.
Задачи:
1. Обзор проблем, которые возникают при решении проблемы обеспечения качества поверхностного слоя обрабатываемых отверстий при внутреннем шлифовании сложнолегированных инструментальных и конструкционных сталей кругами из СТМ.
2. Обзор и анализ путей решения проблемы обеспечения качества поверхностного слоя обрабатываемых отверстий при внутреннем шлифовании стальных заготовок кругами из СТМ.
3. Определение состояния поверхностного слоя обрабатываемой заготовки при его взаимодействии со шлифовальным кругом в процессе внутреннего шлифования.
4. Разработать рекомендации по назначению режимов внутреннего шлифования кругами из СТМ, при которых обеспечивается необходимое качество поверхностного слоя обрабатываемых отверстий в заготовках из сложнолегированных инструментальных и конструкционных сталей.
Актуальность. В настоящее время при шлифовании тяжело получить поверхность без дефектов, поэтому нахождение оптимальных режимов обработки, при которых обеспечивается необходимое качество поверхности актуально и сейчас.
Научная новизна. В ходе выполнения работы будут получены новые закономерности между режимами обработки и качеством поверхностного слоя обрабатываемых отверстий.
Планируемый практический результат. Рекомендации по выбору режимов внутреннего шлифования в зависимости от требуемого качества обрабатываемых отверстий.
Шлифовальный инструмент – режущий инструмент, состоящий из зерен шлифовального материала, сцементированных в одно целое тем или иным связующим веществом (связкой), применяемый для шлифования материалов.
Шлифовальный инструмент характеризуют: геометрическая форма и размеры, материал, связка, зернистость, твердость, структура и концентрация зерна.
В качестве шлифовальных материалов применяют:
1. природные – природный алмаз, корунд, кремень и др.;
2. синтетические – синтетический алмаз, кубический нитрид бора, электрокорунд, карбид кремния, карбид бора и различные композиции из них.
Шлифующие материалы должны обладать химической инертностью к обрабатываемому материалу при высокой температуре, развивающейся в зоне шлифования. В отдельных случаях это условие не выполняется.
Рисунок 1. Схема рабочего слоя шлифовального круга.
Режущая часть шлифовального круга, изображенная на рисунке 1.1, характеризуется следующими понятиями.
Наружная поверхность 1 - поверхность геометрически правильной формы, проведенная через вершины наиболее выступающих зерен. Поверхность связки 2 – поверхность геометрически правильной формы, заменяющая фактическую поверхность связки в межзерновом пространстве. Рабочий слой – слой, расположенный между наружной поверхностью круга и поверхностью связки. Рабочая поверхность – любая поверхность круга геометрически правильной формы, расположенная на одинаковых расстояниях от наружной его поверхности в пределах рабочего слоя.
Рабочая поверхность круга состоит из отдельных зерен, расположенных в случайном порядке, как изображено на рисунке, и не имеет сплошной режущей поверхности. Съем металла производится наиболее выступающими кромками зерен.
Алмазное зерно в отличие от резца не имеет определенной формы и его геометрические параметры колеблются довольно значительно в зависимости от зернистости, например при зернистости 40 (размер зерна 400мкм) средний радиус скругления колеблется от 6,3 до 100 мкм, а при зернистости от 2,8 до 56 мкм.
Работа алмазного зерна зависит также от формы и размера срезаемого металла, в первую очередь от толщины среза [1].
Надежность, долговечность и другие эксплуатационные свойства деталей машин в значительной степени зависит от качества обработанных поверхностей. Под качеством поверхности подразумевают весь комплекс параметров, определяющих точность обработки, шероховатость поверхности и физико-механические свойства, получаемые в результате обработки поверхности тем или иным технологическим способом.
Вопросам влияния параметров процесса шлифования на шероховатость поверхности посвящено большое количество исследований, для многих параметров установлены количественные связи с показателями точности и шероховатости. Выполнение требований по шероховатости обеспечивается за счет выбора кинематики и режимов шлифования, подбора характеристик круга, выбора вида и способа подвода СОТС, подавления или использования вибраций [2].
Рисунок 1.2.Анимация внутреннего шлифования, температура: 7 кадров, 144 кб.
Влияние параметров шлифования на физико-механические свойства обрабатываемой поверхности в большей степени исследовано качественно, причем степень влияния разные исследователи характеризуют по-разному.
Рассмотрим имеющиеся в научно-технической литературе сведения о влиянии параметров процесса шлифования, на состояние поверхностного слоя обрабатываемых деталей.
Основные параметры процесса можно объединить в 4 группы:
- Показатели степени деформации.
Процесс шлифования металлов сопровождается пластическими деформациями и выделением в зоне резания большого количества тепла. В результате одновременного действия- силового и теплового факторов окончательное распределение остаточных напряжений по глубине поверхностного слоя приобретает весьма сложный характер. Различают временные термоупругие и остаточные напряжения. Временные напряжения по мере выравнивания температур по сечению детали исчезают, а остаточные, которые возникли в результате наличия пластических деформаций, остаются. Величина, знак, характер и глубина распространения остаточных напряжений зависят от режимов шлифования, марки материала и его исходного состояния после термической обработки.
-Характеристики состояния рабочей поверхности шлифовального круга.
Круги из СТМ при шлифовании подвергаются периодическим и перманентным силовым, тепловым и физико-химическим воздействиям, в результате которых их рабочие поверхности изнашиваются, затупляются и засаливаются.
Под изнашиванием понимают постепенное отделение частиц рабочего слоя шлифовального круга, приводящее к уменьшению его размеров и массы.
Изнашивание шлифовальных кругов происходит, в основном, за счет: механического истирания вершин режущих кромок зерен и появления на них площадок износа; выкрашивания (скалывания) частиц зерен под действием силовых нагрузок или циклического чередования их быстрого нагрева и охлаждения, создающего термоудары; адгезионного изнашивания зерен, связанного с периодическим отрывом налипшего на них металла заготовки вместе с частицами абразива и образованием на зернах мелких кратеров; диффузионного изнашивания, заключающегося в растворении зерен в материале обрабатываемой заготовки или образования их химических соединений; окисления зерен кислородом воздуха при высокой температуре; вырывания из связки целых зерен.
Под засаливанием понимают процесс переноса на рабочую поверхность шлифовального круга частиц шлама в процессе обработки. Однако следует иметь в виду, что частицы шлама способны проникнуть и удержаться в пространстве между зерен и в порах круга, а на зерна налипает материал обрабатываемой заготовки.
Затупление и засаливание являются основной причиной потери режущей способности шлифовальных кругов.
-Кинематические параметры процесса шлифования.
К кинематическим показателям процесса шлифования относят: площадь сечения слоя материала, удаляемая за один оборот круга и толщина среза. Приведенные кинематические показатели зависят от длины дуги контакта, времени и режимов шлифования.
Длина дуги контакта абразивного зерна с деталью находится с учетом уравнений его траектории в пределах угла контакта, т. е. от момента входа зерна в деталь и до момента его выхода из зоны обработки [3].
-Показатели состояния контактирующих поверхностей в зоне резания.
В зоне обработки отдельными зернами развиваются высокие контактные температуры, часто превышающие температуру плавления стали, а поверхностные слои обрабатываемой заготовки, поглощающие большую долю образующейся теплоты, в течение тысячных долей секунды нагреваются до 150-1250С, а затем столь же быстро охлаждаются до 20-350С. Общее количество теплоты, образующееся при шлифовании, намного превышает теплообразование при обработке лезвийными инструментами. Эти объясняется необходимость введения слоя смазки между шлифовальным инструментом и обрабатываемой заготовкой с целью снижения сил резания и трения, уменьшения выделения теплоты, а также ее быстрого отвода [4].
Изменение значений перечисленных показателей из разных групп приводит к изменению параметров качества обработки поверхности, но сила такого воздействия может существенно различаться.
Точность обработки, представляющая собой степень приближения действительных размеров детали к ее номинальному размеру, по-разному зависит от первичных источников погрешности. На точность обработки влияют: неточность установки инструмента, силовые и тепловые деформации, внутренние напряжения, погрешность измерения, износ инструмента и др.
При шлифовании различают силы резания: шлифовальным кругом (суммарную) (рис. 1.3) и одним шлифующим зубом (рис. 1.2).
Схема микрорезания при поступательном перемещении царапающего элемента, имеющего округленную вершину радиуса, на который действует внешняя сила Р:
Рисунок 1.3. Система сил при микрорезании [1].
Разлагая силу Р на составляющие Pz и Py, устанавливаем, что сила Pz срезает стружку, а сила Py прижимает царапающий элемент к обрабатываемой поверхности. На переднюю, поверхность царапающего элемента действуют элементарные нормальные силы (N1, N2, …,Nn) и элементарные реактивные силы трения (T1, T2,…,Tn).
Рисунок 1.4. Сила резания Р при шлифовании.
Суммарная сила резания Р шлифовальным кругом считается составленной из сил: нормальной или радиальной Py, тангенциальной Pz и подачи Px (рис. 1.3).
Результаты, полученные при исследовании динамики шлифования, используются для расчетов, связанных с определением точности обработки, мощности станков, необходимой жесткости технологической системы СПИД, для аналитического определения интенсивности теплообразования в зоне шлифования и температурного поля в шлифуемой детали и других технологических решений.
Исследования позволили установить закономерность изменения силы резания в процессе шлифования. Такая закономерность, для силы Р при работе круга с затуплением, может характеризоваться кривой АБВГ (рис. 1.4).
Рисунок 1.5. Изменение величины силы резания в процессе шлифования. 1 – с затуплением круга; 2 – с самозатачиванием круга.
Как видно из рисунка силы резания заметно меньше у шлифовальных кругов с самозатачиванием.
При врезании с постоянной или ускоренной подачей происходит достаточно интенсивное возрастание силы и мощи резания (участок АБ). Интенсивность увеличения силы резания на этом этапе зависит в основном от режима шлифования и жесткости технологической системы СПИД. Такой рост сил по мере продолжительности шлифования первоначально объяснили только изменением состояния рабочей поверхности круга, в основном износом шлифующих зерен и увеличением сил трения связки круга вследствие выкрашивания невыгодно ориентированных и слабо удерживаемых на поверхности зерен. Более поздние исследования показали, что этот этап характеризуется неустановившимся режимом съема металла, когда фактическая глубина резания непрерывно возрастает по мере увеличения натяга в системе СПИД. При установившемся съеме металла, когда подача на глубину практически постоянна, величина силы резания стабилизируется (участок БВ), а влияние других факторов незначительно.
При наличии на детали исходных неточностей формы обусловленных предыдущими операциями, величина сил резания периодически убывает или возрастает в соответствии с изменением фактической глубины резания. При затуплении шлифующих зерен и засаливания рабочей поверхности круга силы резания резко возрастают (участок ВГ).
Силы, возникающие при шлифовании, деформируют систему СПИД, в связи с чем фактический съем материала tф оказывается меньше номинальной глубины шлифования to. Если не учитывать линейный износ инструмента (что правомерно делать при чистовом шлифовании деталей алмазными и эльборовыми кругами), то разница 
будет в значительной мере обусловливать точность обработки. Величину 
, которую принято называть недосъемом или потерей съема материала, можно представить в виде:
где К- коэффициент потери съема, определяемый по формуле:
Сила шлифования:
где j- жесткость системы СПИД.
Для уменьшения погрешностей обработки следует глубину шлифования последующего хода уменьшать до величины погрешности обработки предыдущего хода, либо применением выхаживания. Заданную точность обработки можно обеспечить также путем рационального подбора характеристик кругов, режимов шлифования и способа подвода СОТС в зону контакта круга с деталью.
Весьма перспективным методом обеспечения высокой (до 1-2- го классов) точности обработки является использование систем автоматического управления (САУ) или автоматического регулирование (САР) процесса шлифования. САР имеет обратную связь, в которой из-за возмущающего действия (изменение взаимного положения узлов станка, тепловые или силовые деформации детали и т.д.) принятого источника происходит отклонение регулируемой величины от его заданного значения, приводящее к соответствующему изменению регулируемого воздействия. В этой связи САР является более перспективной.
Весьма важным показателем качества обработки, оказывающем существенное влияние на эксплуатационные свойства деталей, является шероховатость обработанных поверхностей. Микрорельеф поверхности зависит от кинематики и режима шлифования, свойств обрабатываемого материала, характеристики круга, вибраций, сопровождающих процесс шлифования, степени пластической деформации срезаемого и поверхностного слоев материала, вида и способа подачи СОТС в зону обработки.
Перечень основных параметров, влияющих на состояние поверхностного слоя обрабатываемых заготовок при шлифовании кругами из СТМ, и результаты их предварительного ранжирования по степени влияния, сводим в таблицу 1.
Таблица 1. Ранжирование параметров шлифования по степени влияния на состояние обрабатываемой поверхности.
Из таблицы 1 видно, что наибольшее влияние на состояние поверхностного слоя обрабатываемых отверстий оказывают силовые и температурные деформации, а также длина дуги контакта и затупление зерен круга.
В ходе проведенной работы был выполнен анализ имеющихся в научно-технической литературе сведений о влиянии процесса шлифования, на состояние поверхностного слоя обрабатываемых деталей и их ранжирование по степени влияния.
При написании данного автореферата магистерская работа еще не завершина.Окончательное завершение: декабрь 2010 г. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.