Кинематика бесцентрового суперфиниширования

Кинематика суперфиниширования оказывает значительное влияние на скорость съема металла, износ брусков и качество получаемой поверхности. Основные рабочие движения заготов­ки и шлифовального бруска при суперфинишировании цилинд­рических поверхностей складываются из вращения заготовки с окружной скоростью Vo, осциллирующего движения бруска со скоростью Vr и продольного возвратно-поступательного пере­мещения бруска со скоростью Vn вдоль обрабатываемой по­верхности. При бесцентровом суперфинишировании напроход вращающиеся заготовки перемещаются под осциллирующими брусками за счет составляющей силы трения.

В результате сложения движений: вращения заготовки, ос­циллирующего движения и подачи бруска — на обрабатываемой поверхности остаются синусоидальные следы от прохождения абразивных зерен. Пути абразивных зерен пересекаются и обра­зуют сетку диагональных перекрещивающихся следов, которая на окончательно обработанной поверхности почти не видна. Угол а траектории движения абразивного зерна или угол сетки рисок, образуемой касательной к синусоидальной кривой в точ­ке ее пересечения с осью детали, является важным критерием, характеризующим процесс суперфиниширования. Изменяя угол сетки рисок, можно управлять процессом суперфиниширования, регулируя как съем металла, так и получаемую шероховатость обработанной поверхности.

Изменяя угол а, можно управлять процессом суперфини­ширования, регулируя как съем металла, так и получаемую ше­роховатость обработанной поверхности. Изменения микрорель­ефа обработанной поверхности видны на профилограммах (рис. 1.3): при а = 40…500 микрорельеф представляет собой сетку следов резания (рис. 1.3, а), а при а = 70.85° поверхность сглажена в результате пластического деформирования вершин микронеровностей (рис. 1.3, б).

а

б Рис. 1.3. Профилограммы деталей в зависимости от угла а сетки рисок

Исследованиями установлено, что наиболее интенсивные ре­зание металла и самозатачивание бруска осуществляются при а = = 40…500. Это объясняется тем, что зерна бруска, перемещаясь по траектории, имеющей форму синусоиды, непрерывно изменяют свое положение по отношению к направлению движения и рабо­тают различными гранями. При этом изменяется направление дей­ствия силы резания на режущие зерна бруска и происходит интен­сивное самозатачивание рабочей поверхности бруска, сопровож­дающееся как частичным выкрашиванием целых зерен, так и их скалыванием с образованием новых вершин и граней.

При увеличении угла а до 65-85° траектория движения ре­жущих зерен трансформируется и приближается к кольцевой линии. Зерна в этом случае работают лишь определенными гра­нями, а направление действия силы резания почти не изменяет­ся, в результате чего зерна затупляются. Поры шлифовального бруска забиваются осколками выкрошенных зерен, частицами металла, и процесс резания переходит в режим трения. Шерохо­ватость поверхности заготовки уменьшается, и она приобретает характерный зеркальный блеск.

Таким образом, управлять процессом суперфиниширования можно, изменяя угол сетки рисок в процессе цикла обработки. Оптимальным является следующий кинематический цикл: на первом этапе для быстрого исправления погрешностей формы, удаления исходной шероховатости и дефектного слоя работают с а = 40.50°, на втором этапе производят полирование поверх­ности, для чего увеличивают а за счет повышения скорости вращения детали в 2-10 раз и более. При обработке в режиме, обеспечивающем непрерывное самозатачивание брусков, за счет большой площади контакта с обрабатываемой поверхностью достигается исправление отклонения от круглости и волнисто­сти поверхности. Чем выше абсолютные значения скоростей при соблюдении оптимального соотношения между ними, тем эффективнее процесс суперфиниширования. Поэтому, как пра­вило, работают с максимальной для данного оборудования ско­ростью колебаний бруска, а окружную скорость заготовки уста­навливают с учетом указанных соотношений (табл. 1.1).

Таблица 1.1 Выбор кинематического цикла суперфиниширования [5] Шероховатость после обработки Ra, мкм Число ступеней цикла Угол а, град Vr V Время обработки на каждой ступени, % от общего времени цикла 0,16 1 40… 50 0,8.1,2 100 0,08 1 40…50 0,8…1,2 50.60 2 60.70 1,7…2,7 50.40 1 40.50 0,8…1,2 50.60 0,04 2 О г­ о VO 1,7…2,7 40.25 3 75.85 3,7.11,4 10.15 1 40.50 0,8…1,2 40.50 0,02 2 О г­ о VO 1,7…2,7 40.20 3 75.80 3,7…5,7 10.15 4 85.88 11,4.28,6 10.15

Наиболее интенсивный съем металла происходит в началь­ный период обработки. Это объясняется тем, что при значитель­ной шероховатости возникает большое удельное давление на отдельные зерна бруска, в результате чего происходит его ин­тенсивное самозатачивание и резание металла осуществляется острыми зернами. Затем, когда исходная шероховатость снижа­ется и уменьшается удельное давление на зерна, износ бруска снижается, и процесс резания стабилизируется. При работе бру­сками оптимальной характеристики съем припуска в дальней­шем происходит пропорционально времени обработки. В бру­сках из эльбора зерна длительное время сохраняют свою остро­ту, поэтому повышение Vr в этом случае способствует увеличе­нию съема металла. Однако во избежание образования налипов металла на рабочей поверхности бруска следует работать со скоростью не больше 30-40 м/мин.

Рассмотрим процесс передачи движения от валков к заго­товке. Как правило, валки вращаются с равными постоянными

угловыми скоростями W и ю2 , имеющими одинаковое направ­ление (рис. 1.4). Поскольку в общем случае значения результи­рующих скоростей V и V2 валков в различных сечениях не сов­падают, ведущим будет только один из них. При отсутствии проскальзывания заготовка имеет окружную скорость, равную окружной скорости Vo ведущего валка в точке контакта. При наладке станка валки должны быть развернуты на угол X таким образом, чтобы составляющая вектора скорости Vn вдоль траек­тории движения заготовки имела одинаковое направление с осью Z, т. е. движение осуществлялось от входа к выходу из зо­ны обработки [37]. Решением силовой задачи установлено, что ведущим всегда будет правый валок (с индексом 1).

Скорость валка в точке контакта с заготовкой находится по формуле

V = w-R, (1.1)

где ю — угловая скорость вращения ведущего валка; R — ради­ус-вектор валка в точке контакта.

Скорость окружной подачи заготовок при суперфиниширо­вании

VQ = RwJ cos2 a cos2 X + sin2 а. (1.2)

Скорость продольной подачи заготовок при суперфиниши­ровании

Vjj = Rrocos a sin X. (1.3)

В выражениях (1.2) и (1.3) подразумевается, что параметры R, ю и а относятся к ведущему валку.

Кинематика суперфиниширования оказывает значительное влияние на скорость съема металла, износ брусков и качество поверхности [6]. Основные рабочие движения заготовки 1 и шлифовального бруска 2 при суперфинишировании цилиндри­ческих поверхностей включают вращение заготовки со скоро­стью Vo, продольное перемещение со скоростью УП и осцилли­рующее движение бруска со скоростью Vr (рис. 1.5). Как следст­вие результирующего движения на обрабатываемой поверхно­сти создается сетка синусоидальных следов.

Рис. 1.4. Схема для расчета скоростей при бесцентровом суперфинишировании

Рис. 1.5. Схема суперфиниширования: 1 — заготовка; 2 — шлифовальный брусок

Угол ц траектории движения абразивного зерна или угол сетки рисок, образуемой касательной к синусоидальной кривой в точке ее пересечения с осью детали, является важным крите­рием, характеризующим процесс суперфиниширования. Изме­няя угол сетки рисок, можно управлять процессом суперфини­ширования, регулируя как съем металла, так и получаемую ше­роховатость обработанной поверхности.

Зависимость между углом сетки рисок и параметрами про­цесса имеет вид

V V V V

Ц = arctg — О + arctg — П = arctg — П — + arctg — П, (1.4)

Vr VQ 21Пб *0

где Vr — средняя скорость колебания бруска; l — ход бруска; пб — частота колебаний бруска.

Из формулы (1.4) следует, что угол сетки рисок зависит от соотношения окружной и продольной скорости заготовки, ско­рости, хода и частоты колебаний бруска. Указанные скорости переменны и изменяются за один период колебаний бруска. Од­нако для практических расчетов используют их средние значе­ния. При бесцентровой обработке на проход продольная ско­рость создана силой трения: УП = Vo sin^, где 2Х — угол перекре­щивания осей валков. Поэтому последнее слагаемое в формуле (1.4) значительно меньше первого, и большинство авторов им пренебрегают [5, 6, 24]. Однако в случае обработки конических деталей на винтовых валках с жесткой кинематической подачей уравнение связи окружной и продольной скоростей детали име­ет вид Vn = Vo p/(nd), где p — шаг винтовой канавки валка (опре­делен длиной детали), и последнее слагаемое (1.4) вносит суще­ственный вклад в выражение для угла ц.

Пример расчета кинематических параметров приведен в табл. 1.2 и 1.3. Исходные параметры для профилирования вал­ков: половина межосевого расстояния v = 72 мм; радиус заго­товки r = 15 мм; длина валка 800 мм (Z = -400.. .400 мм); радиус валка в среднем сечении R0 = 62,5 мм; угол перекрещивания осей валков X = 1,4°. Угловая скорость валков принята ю = = 100 мин1. При значениях l = 5 мм, пб = 800 дв. ход/мин имеем Vr = 8 м/мин.

Иллюстрация изменения продольной и окружной скорости по длине обработки в зависимости от угла X для данных из табл. 1.2 приведена на рис. 1.6 и 1.7.

Таблица 1.2 Кинематические параметры при бесцентровом шлифовании: r = 15 мм, R0 = 65 мм, v = 72 мм, X = 1° Z, мм R, мм а, град V, мм/мин Уо, мм/мин мм/мин Ц, град -400 62,2133 21,174 6221,3 6220,9 101,247 38,801 -300 62,8607 22,372 6286,1 6285,7 101,449 39,081 -200 63,5432 23,552 6354,3 6353,9 101,660 39,374 -100 64,2550 24,706 6425,5 6425,1 101,875 39,677 0 65,0007 25,842 6500,1 6499,7 102,097 39,992 100 65,7738 26,953 6577,4 6577,0 102,322 40,315 200 66,5797 28,046 6658,0 6657,6 102,552 40,649 300 67,4182 29,121 6741,8 6741,4 102,787 40,993 400 68,2814 30,170 6828,1 6827,8 103,025 41,344

Таблица 1.3 Кинематические параметры при бесцентровом шлифовании: r = 15 мм, R0 = 65 мм, v = 72 мм, X = 4° Z, мм R, мм а, град у, мм/мин Уо, мм/мин мм/мин Ц, град -400 57,3290 5,411 5732,9 5732,5 99,607 36,619 -300 58,3276 10,875 5832,8 5832,3 99,967 37,075 -200 59,9659 16,138 5996,6 5996,2 100,531 37,812 -100 62,2054 21,139 6220,5 6220,1 101,258 38,798 0 64,9954 25,825 6499,5 6499,1 102,104 39,990 100 68,2747 30,161 6827,5 6827,1 103,024 41,341 200 72,0008 34,157 7200,1 7199,7 103,982 42,813 300 76,1066 37,802 7610,7 7610,3 104,949 44,360 400 80,5526 41,125 8055,3 8054,9 105,898 45,949

Рис. 1.7. График изменения окружной скорости заготовки
в зависимости от угла X: сплошная линия — X = 1°;
штриховая линия — X = 2°; штрихпунктирная линия — X = 4°

Из рис. 1.6 и 1.7 видно, что окружная и продольная скоро­сти монотонно изменяются на протяжении длины обработки от минимального до максимального значения. С увеличением угла
перекрещивания осей валков возрастает разность скоростей на краях зоны обработки. Подобный характер изменения скорости заготовок объясняется изменением радиусов профиля ведущего валка. Если сравнить графики на рис. 1.6 и 1.7 с графиками про­филя валков, то данный факт станет очевидным. На практике угол X, как правило, не превышает 2°, поэтому изменение ок­ружной и продольной скорости находится в пределах 5 %.

Иллюстрация изменения угла сетки рисок по длине обра­ботки в зависимости от угла X для данных из табл. 1.2 приведена на рис. 1.8.

Рис. 1.8. График изменения угла сетки рисок при бесцентровом суперфинишировании: сплошная линия — X = 1°; штриховая линия — X = 2°; штрихпунктирная линия — X = 4°

Как видно из рис. 1.8, характер изменения угла сетки рисок соответствует графикам изменения скоростей заготовки на рис. 1.6, 1.7 и объясняется теми же причинами. Характерно уве­личение угла р от входа к выходу из зоны обработки, что в об­щем случае уменьшает режущую способность шлифовальных брусков. Для рассмотренного случая угол р соответствует ре­жиму активного резания. При этом относительное изменение угла р не превышает 10 %.

Исследования показали, что характерны два варианта изме­нения окружной и продольной скоростей заготовок по длине обработки. В первом варианте (кривая 1, рис. 1.9) скорости УО,

Vn монотонно увеличиваются от входа к выходу из зоны обра­ботки. Такая картина наиболее типична при большинстве нала­док бесцентрового суперфинишного станка. Приведенный факт объясняется тем, что скорости Vo, Vj! зависят от радиуса веду­щего валка и углов контакта с заготовкой.

При втором варианте изменения скоростей (кривая 2, рис. 1.9) окружная и продольная скорости имеют минимум, как правило, в начале зоны обработки. Такая ситуация создается при расположении оси заготовки ниже оси ведущего валка и, как следствие, наличии минимума на профиле ведущего круга. По­явление минимума возможно при увеличении угла X перекре­щивания или межосевого расстояния валков.

Рис. 1.9. График изменения продольной и окружной скоростей заготовки

Таким образом, при бесцентровом суперфинишировании изменение кинематических параметров по длине обработки но­сит неблагоприятный характер и способствует неравномерному вращению и продольной подаче заготовок. При этом заготовки движутся не плотным потоком, а имеют разрывы, что может привести к их перекосу. Для снижения различия скоростей на краях зоны обработки следует уменьшать угол перекрещивания осей валков и увеличивать диаметр валков. Изменение угла сет­ки рисок по длине обработки незначительно и легко компенси­руется за счет скорости осцилляции суперфинишных станций станка, которые имеют автономные приводы движения.