ОПТИМАЛЬНЫЕ УСЛОВИЯ ШЛИФОВАНИЯ С УПРАВЛЕНИЕМ РЕЖУЩИМ РЕЛЬЕФОМ КРУГА

4 Л. Алгоритм и критерии оптимизации процесса шлифования

Технико-экономическую эффективность алмазного шлифования, как и других процессов механической обработки, принято оценивать комплексом технологических, экономических, организационных, социальных показателей [б8, 93] .

Автоматическое управление режущим рельефом круга стабилизирует процесс шлифования, устраняет необходимость периодической правки, требующей ручной наладки, способствует улучшению условий труда ра­бочего и повышению культуры производства, создает предпосылки для многостаночного обслуживания и использования процесса в гибких автоматизированных комплексах. Управление интенсивностью электри­ческого воздействия на рабочую поверхность круга позволяет регули­ровать параметры рельефа круга в значительных пределах и оптимизи­ровать процесс практически по любому технологическому показателю обработки.

Математическая модель процесса. В связи с этим полезно проана­лизировать модель, основанную на принципе энергетического равно­весия технологической системы. Энергия, затрачиваемая на резание, в общем определяет состояние режущего рельефа равномерно изнаши­ваемого круга, степень его развитости или сглаженности. Модель выражает взаимосвязь технологических показателей шлифования с па­раметрами рельефа круга для различных условий обработки. Математи­ческие зависимости учитывают вероятности участия зерен в резании, юс износ, механические свойства зерен, связки и обрабатываемого материала. Установленная замкнутая система уравнений применительно к шлифованию торцом чашечного круга имеет вид [ 82,98 ]

/4.1/

Рис. 4.1. Модель рабочей поверхности круга: 1 — уровень вер­шин максимально выступающих /неизношенных/ зерен;

2 — изношенные части зерен; 3 — режущие зерна круга; 4 — уровень связки круга

Здесь а-так~ максимальная глубина внедрения материала в ра­бочую поверхность круга с учетом износа рельефа /рис. 4.3/» мм;

О-may — максимальная толщина среза, мм; Rmax ~ параметр шероховатости обработанной поверхности, мм; [($]„ — услевное

напряжение шлифования, Ша; Pz — тангенциальная составляю­щая силы резания, Н; 4 — износ максимально выступающего зер­на, мм; X — зернистость іфуга, мм; К — объемная кон-

центрэция }фуга, %; Р — сила, действующая на максимально выотупвпцее зерно, Н; /хр — скорость круга, миус; W — радиальная скорость движения обрабатываемого инструмента, мм/с,

А — параметр, характеризующий прочностные свойства обрабаты­ваемого материала, Н; F — площадь контакта круга с обрабатывае­мым материалом, мм2.

Как следует из системы /4.1/…/4,5/, в качестве параметра, связывающего выходные технологические показатели с условиями об­работки, выступает сила Р, характеризующая степень износа зерен, сглаженность рельефа и изменяющаяся от нуля до предела прочности зерна на раздавливание. При шлифовании кругом с исход­ным рельефом значение Р наибольшее, сила резания и условное напряжение шлифования /энергоемкость процесса/ относительно незначительны, а параметры &тах » Рта/ достигают мак­симальных значений. По мере сглаживания рельефа вила Р воз­растает, максимальная толщина среза OLmax и параметр Ртах снижаются, а значения Рг , &ы увеличиваются. В момент стабилизации рельефа сила принимает конкретное значение, неизмен­ное в течение дальнейшего шлифования. Такие закономерности обра­ботки справедливы для жесткой схемы шлифования. При упругой схе­ме радіальная составляющая силы резания Ри = — j — р7

j Кт — коэффициент шлифования/ фиксирована и производитель­ность обработки, соответствующая • W, зависит от степени износа круга» когда сила Р небольшая, скорость IV, сле­дуя зависимости /4.4/, принимает максимальное значение, после чего со временем снижается, т. е. возрастает сила Р. Парамет­ры О-max, Ртах также уменьшаются» но с большей интенсив­ностью, чем при шлифовании по жесткой схеме. В условиях комбини­рованной обработки с автономным электрохимическим управлением, зафиксировав значение Р, можно добиться стабилизации релье­фа и соответственно параметров шлифования практически на любом заданном уровне.

Здесь важно, что с увеличением параметра А, соответотвупаим повышению прочности обрабатываемого материала при Ру ~ const, скорость изделия V уменьшается, причем очень значительно,

так как параметр А входит в третье* степени.

Для анализа стабилизации рельефа предположим, что износ связки обусловлен только электрохимическим фактором, абразивное воздейст­вие сходящей стружки на связку незначительно и им моїй о пренебречь* Таков механизм износа при шлифовании кругами на высокопрочных ме­таллических связках хрупких материалов, включая твердые сплавы, сверхтвердые материалы, ыияералокерамику, у которых образуется нылевидная стружке. Чтобы стабилизировать рельеф, необходимо вы­полнить два условия: установить равенство скоростей износа зерен и связки и добиться равновесия системы зерно — связка.

Второе условие предполагает периодическое объемное разрушение изношенных зерен и их выпадение из связки или выпадение неразру­шенных зерен. Без выполнения этого условия стабилизация рельефа не произойдет и круг будет работать в режиме затупления. Состав­ляем систему уравнений

С} <2 max т ^ j

где безразмерный коэффициент, учитывающий прочность зерна

/чем прочнее зерно, тем он меньше/, устанавливается расчетно — экспериментальным путем; у — — износ связки за один оборот кру­га, мм; ай — характеристика связки, Н; h. — расстояние между уровнем связки и линией действия СИЛЫ Я, мм.

Скорость износа зерен в ланном случае представлена функцией от толщины среза, что вполне допустимо при анализе процесса. Систе­ма /4,7/ предлагает алгоритм управления режимом работы круга. Первоначально для денной характеристики круга назначается опти­мальное значение Н, и по нему выбирается сила Я, на осно­вании которой рассчитывается скорость электрохимического растворе­ния связки, обеспечивающая поддержание в процессе шлифования задан­ного расстояния h. . Возможен и обратный расчет. Задается ^ ,

определяется Я и по второму уравнению системы /7/ проверяется значение Н. , которое В сумме h * О max не должно превышать

значение h * О. ‘max. Параметры P, h. взаимосвя­заны, следовательно, понятия "управление силой Р ” а "управле­ние высотой h. " можно считать вполне равносильными.

Рассмотрим зависимость ооновяых параметров шлифования от усло­вий обработки при д. — Cj Л max. В условиях шлифования по жесткой схеме с повышением скорости W параметр Р возра­стает, на круге образуется более сглаженный рельеф. Шероховатость обработки Rmax неизменна, поскольку <“2max * const, а параметры Рг, [б] увеличиваются. По мере повышения ско­

рости круга vKp сила Р уменьшается и шлифование осуадестч — вляется более острым режуцим рельффоы, так как значение а’^х снижается, С увеличением объемной концентрации сила Р умень­шается, a Pz я б ]ш остаются неизменными, хотя на зернах и уменьшаются площадки износа. При росте прочности алмазных эерен, чему соответствует уменьшение коэффициента Cj, максимальная толщине ореза О-max увеличивается и приводит к уменьшению силы

Р и износу верен до их выпадения из связки. Значения Рц и [*? ]м уменьшаются, а параметр шероховатости Rтах возраста­

ет.

Изменение свойств связки при тадих условиях обработки не влия­ет на параметры шлифования, так как величины CLmax, Р остаются неизменными. Величина (г с ростом прочности элмазо — удержания также будет увеличиваться, повышая высоту выступания зерен над связкой. С увеличением зернистости круга X сила Р возрастает, однако параметры Рг и [б]и остаются неизмен­ными.

Для упругой схемы шлифования принимаем Ру *=■ ^г~ Рг с const решаем уравнение /4.4/ относительно Р и получаем

Согласно выражению /4.8/ для увеличения скорости W при & max “ const необходимо повысить значения Укр, Ру и снизить параметр А. Сравнивая зависимости /4.6/ и /4.8/, видим, что в условиях управляемого процесса шлифования прочность обрабатываемого материала в меньшей мере влияет на скорость W, чем при обычном шлифовании. С увеличением силы Ру скорость

будет непрерывно возрастать до тех пор, пока параметр О-‘та»яе достигнет предельного значения, обусловленного усло­виями размещения стружки в межзеренном пространстве или достиже­нием 0‘та/ уровня связки. Предположим, что для различных по проч­ности и стружкообрааованию обрабатываемых материалов параметр &’тах остается неизменным. Тогда после несложных преобразова­ний с учетом выражения /4,8/ запишем

Значит, чвм прочнее обрабатываемый материал, тем в более широ­ком диапазоне изменения силы Ру его можно обрабатывать. Такой вывод подтверждается экспериментальными результатами.

Критерии оптимизации. Обратимся к технологическим показателям, которые имеют вполне определенное количественное выражение:

0-м — производительность процесса обработки, мы3/с; —

износ инструмента /абразива/, мм3/с; 7" — период стойкости инструмента, с; • #а. — шероховатость обработанной поверхности, мкм. Их значения для разных обрабатываемых материалов будут су­щественно различаться. Удельные показателя более пригодны для сравнения эффективности обработки: Qyd — удельная производи­тельность, Qy# =" Qh/Qci или £ — относительный рао-

ход абразива, м^/мм3, Q. •=& з/(?* для кругов из сверх­твердых абразивов / &з~ масоа израсходованного абразивного

зерна/ { К у) — удельная интенсивность шлифования, мм^с’Н, К~

— Qm/ ру • g ~ удельная знергоемкость съема припуска,

Ни/мм’3, в — А / Vf* — работа, затрачиваемая на снятие объе­ма материала V /; ■ Кш ~ коэффициент шлифования,

•К шт %/pj Применение этих критериев при шлифовании с периоди­ческой правкой недостаточно аффективно, поэтому были предложены комплексные показатели: Gp ~ Ra, / Л/уд — удельный

расход энергии/; Ret — шероховатость обработанной поверхности;

рр-= Рг уд/у, » / Рг уд " Удельная тангенциальная сел a/; Rp —

критерий режущей’способности круга, Rp — “ RyR/дв 8 — раз­ность температур в начале’И в конце шлифования.

В условиях стабилизации выходных показателей нет необходимости использования сложных комплексных критериев, учитывающих изменя-

Рис-. 4.2. Зависимость удельной себестоимости обработки от произво­дительности и удельного расходе алмазов друга:

•1 — область традицион­ной себестоимости об­работки керамики; 2 — твердого оолава; 3 — поликристаллов не осно­ве КНЕ; 4 — кодикристадт лов на основе алмаза

хжувся рекущу® способность инструмента. При выборе технологических показателей эффективности шлифования, общих для всех исследуемых материалов, следует учитывать себестоимость обработки, поскольку даль оптимизации — достижение заданных технических требований при минимальных затратах. Выражение для расчета удельной себестоимости обработки имеет вид [68]

где стоимость I мг алмаза в круге, кос./іґ*; Єр — стои­

мость I станко-сехунды, кш./с; С $ — стоимость алекроэнергии, гаа./Дж.

Для значений С<£ * 0,15 иоп./мг, ср ш 0,028 кад./с; С3 = •5,5 * ИТ^кос. Дж построены хрииме равной себестоимости в зависи­мости от изменения удельного расхода алмазов £ и производи­тельности обработки ф /рис. 4.2/. Ва график нанесены жаштри­хова иные области І…5, соответствующие интервалам изменения удельного расхода алмазов я производитяльности по эксперименталь­ным результатам шлифования исследуемых материалов в переходной фазе и по данным работ [і, 101, НО, 112, ИЗ, 117, 14б]^. На себестоимость таких труднообрабатываемых материалов, как сверх­твердые поликристаллы, безвольфрамовые и жаропрочные сплавы, цветные металлы, в основном влияет удельный расход алмазов. Себестоимость шлифования твердых сплавов зависит от удильного расхода алмазов в производительности обработки, керамики — от уровня производительности обработки. Таким образом, ни один из технологических параметров не оказывает общего влияния на себе­
стоимость обработки исследуемых материалов. Поэтому в хвЧббТВ’в основного я наиболее общего критерия оптимизация цалвоообрээно выбрать удельную себестоимость шлифования, отвечающую требованиям однозначности, отатистической эффективности, инфориеционности, конкретности при описании процесса, возможности числового выраже­ния полезности достигаемых результатов. Ограничивающим фактором при шлифовании СТМ, жаропрочного, безвольфранового сплава и меди принят минимально приемлемый уровень производательносии, а тра­диционного твердого сплава и керамик — максимально допустимый удельный расход алмазов.

Общим ограничивающим фактором технологических режимов шли­фования считается качество обработанной поверхности, которое долж­но быть не хуже задаваемого техническими условиями. Поскольку эксплуатационные свойства изделий зависят от микрогеометрии обра­ботанной поверхности и состояния приповерхностного слоя, общими параметрами качества выбраны шероховатость На. и температура

Т . Влияние температурного режима на состояние приловерхяост^ ного слоя оценивалось таким образом: при шлифовании синтетических сверхтвердых материалов — миграцией металлофазн на обработанную поверхность, твердых сплавов и керамик — наличием трещин;-жаро­прочного спяава я меди — характером распределения напряжений по глубине слоя. Особенностью разработанного процесса шлифования с управлением выходными показателями является безусловное выполне­ние ограничительных условий, налагаемых требованиями к качеству обработки, что обеспечвпаетоя стабилизацией силы иля мощности ре­зания, а следовательно, и температурного режима шлифования.