Закономерности съема припуска при различных схемах шлифования

Кинематика процесса. Характер протекания процессов в зоне шлифова­ния в значительной степени зависят от кинематических параметров шлифова­ния и геометрии рабочей поверхности шлифовального инструмента [17]. В за­висимости от кинематики процесса различают (рис. 2.5) основные виды шли­фования: круглое наружное с продольной подачей (а) и врезное (б), бесцентро­вое (в) и внутреннее (г), плоское шлифование периферией (д) и торцом круга

(е) [18].

На схемах обозначены основные формообразующие движения. Главное — это вращение шлифовального круга со скоростью резания Икр, и движения по­дач: продольной — Snp; окружной — Sd и Seed. Kp; поперечной — Sn; вертикальной — Seep. При плоском шлифовании Seep, а при круглом Sn фактически совпадают с глубиной резания t. Большая часть подач носит дискретный характер, кроме окружных.

Микрорезание и анодное растворение, электроэрозионные явления и со­путствующие эффекты для различных видов будут определяться размерами контактной зоны или, другими словами, зоны энергетических воздействий. Ха­рактеристическим размерным параметром зоны можно считать длину дуги вза­имного контакта заготовки и шлифовального инструмента [19].

Например, если шлифовальный круг диаметром DKp вращается, имея ок­ружную скорость VKp, а заготовка, вращается со скоростью ±Vd и перемещается вдоль оси ОХ со скоростью S„ и вдоль оси OY со скоростью Swp (рис. 2.6), то траектория движения любой точки шлифовального круга в системе координат, связанной с заготовкой, определяется системой уравнений [19]:

х = -0,5 DKp (1 + cos y/) + Snt < У = snpt,

z = Q,5DKpsmy/ ±Vdt

где t — текущее время; у — угол контакта круга и заготовки.

В силу того, что любая точка периферии круга проходит часть пе­ресечения круга и заготовки, длина которой равна Dy/2, за время t со ско­ростью VKp, то / Dy//(2VKp). Поэтому

* = “О,5 [ (cos у/ -1) + DKp S> / ]

у = ±0,5Д^/1Д.

z = °,5Аф sin у/ ±0,25D^Vdy/

На основании этого выражения длину дуги контакта заготовки и ин­струмента можно определить:

кр

Учитывая, что угол весьма мал, и пренебрегая скоростью поперечной подачи по сравнению со скоростью вращения заготовки, окончательно получа­ем [19]:

А = (А* / )т1к + А2 + SL, + Sf, p + 2Vv — Jv? + Sl„ (у/ / 2).

Угол контакта из решения тригонометрической задачи (см. рис. 2.6) с учетом того, что синусы малых углов можно приравнять самому углу:

цг 12 ;

dD„

(d + D^)’

Длины дуг контакта для различных видов шлифования получаются как частные случаи.

Для плоского шлифования периферией круга:

А„ = А „>[1 + 2((/^)]; А,„ =л/Д/

Для круглого многопроходного наружного и внутреннего шлифования:

А«, = А,>{[1 + (А /а,)]2 +0S„, /F„)2};

причем знак плюс относится к наружному, а знак минус к внутреннему видам шлифования.

Для круглого врезного шлифования:

Ц>% = Гv ^d(S„/VJ(l + G + 2^G ;

g = (v* + s^/v£.

Кинематика вида шлифования торцом круга (см. рис. 2.5, е) не укладыва­ется в рассмотренную схему, представляя особый случай. Длина дуги контакта при этом может ассоциироваться с геометрическими размерами шлифуемой поверхности, например с шириной [19]. Поэтому может превышать соответст­вующий параметр остальных видов шлифования, которые, как видно из анализа полученных выше зависимостей, по мере уменьшения длины контакта распола­гаются в следующий ряд: круглое внутреннее, плоское периферией круга, круг­лое наружное.

От длины дуги контакта зависит число одновременно участвующих в съеме припуска режущих зерен инструмента:

= А) / 5

где 1ф — среднее расстояние между зернами инструмента. Оно может быть определено [20]: 1ф = / ЦкпКц,

где — средний размер алмазных зерен;

КП — коэффициент заполнения объема алмазоносного слоя инструмента; Кц — коэффициент концентрации алмазов в объеме связки инструмента. При алмазном электрохимическом шлифовании чаще всего используются инструменты со 100 % концентрацией зерен в металлокерамической связке, не имеющей пор [6, 7, 11]. В таком случае оба коэффициента равны единице [20]. Поэтому среднее расстояние между абразивными зернами будет равно средне­му размеру зерна: lcp = zcp.

Тогда, если принять ширину шлифуемой поверхности равной b, средняя толщина слоя припуска, который снимается одним зерном, определится по сле­дующей формуле [19]:

,,р /b

Анализ выражения показывает, чем представлены резервы интенсифика­ции процесса съема припуска микрорезанием. Это — увеличение зернистости 2ср используемого абразивного материала для изготовления шлифовального инст­румента; при необходимости, это позволит также увеличить и глубину резания в случае отсутствия ограничения по мощности используемого шлифовального оборудования. Это — увеличение площади контакта инструмента с заготовкой путем назначения более приемлемой схемы шлифования по длине дуги контак­
та L0. Наконец — это увеличение механических режимов шлифования: скорости резания VKp, окружной Vd и продольной Snp подач.

Необходимо отметить, что интенсификация производительности обра­ботки часто достигается увеличением скорости продольной подачи, в том чис­ле, и при АЭХШ действия факторов комбинированного процесса увеличение зернистости приведет к увеличению межэлектродного промежутка, улучшение его прокачки электролитом будет способствовать интенсификации электрохи­мического растворения припуска. Так же, как и возможное увеличение актив­ной площади анода (шлифовального инструмента), связанное с ростом длины дуги контакта при изменении схемы шлифования.

Рассмотренные резервы интенсификации процесса удаления припуска от­вечают известным требованиям высокопроизводительного шлифования (скоро­стного, силового или глубинного [21]), которые позволяют в несколько раз по­вышать скорость съема даже в отсутствии ввода в зону обработки дополни­тельных видов энергии и без проявления в ней сопутствующих эффектов.

Выходные параметры процесса и режимы обработки. В предыдущих разделах работы определены наиболее действенные резервы повышения скоро­сти съема припуска, в том числе увеличение режимов шлифования (прежде все­го, продольной подачи) и использование видов (схем) шлифования с макси­мальной длиной зоны контакта. Однако сложные закономерности комбиниро­ванного процесса в части соотношения основных составляющих процесса и от­сутствие сведений о вкладе в общий съем всех сопутствующих эффектов ис­ключают возможность построения адекватной процессу алмазного электрохи­мического шлифования теоретической модели, позволяющей прогнозировать результаты его применения. Поэтому целесообразно использование для опре­деления возможностей управления процессом удаления припусков теми или иными параметрами феноменологических моделей, получаемых на базе экспе­риментальных данных.

В этом случае возможно применение специальных математических мето­дов многофакторного планирования для построения уравнений связи между выходными показателями процесса и технологическими управляющими пара­метрами. Это позволяет выдвигать гипотезы о характере и степени влияния технологических факторов на конечные показатели процесса; осуществлять объективную проверку этих гипотез; по результатам данных выборок с опреде­ленной степенью достоверности оценить параметры функции распределения с учетом неопределенности, вносимой ограниченным числом экспериментов.

Известны такие модели [6] для АЭХШ жаропрочных сплавов. Они приве­дены ниже для плоского шлифования периферией алмазного круга прямого профиля АПП 250х10х5 АС6 80/63 М5-2 100% с продольной и дискретной по­перечной подачами заготовки и периодической вертикальной подачей круга на заготовку (см. рис. 2.5, д):

ґ~ ото 0,99 0,98 j 0,86 т г -0,02 j т 0,01

Q — 3 73 Snp Sn t V U ;

‘і») л _ 0,26 0,45 ,0,49 т/-0,12 тт -0,19.

q — 32,4 Snp, Sn’ t, V, U, ;

Г) „ А ~ -0,27 „ 0,06+0,55 т г -0,0/ т т{

Ra = 0,76 snP sn t V U Py = 269,1 snP sn t V U,

и для плоского шлифования торцом чашечного круга АЧК 150х10х3 АС6 125/100 М5-2 100% с продольной подачей и периодической вертикальной подачей круга на заготовку (см. рис 5, е):

Q = 4649 snP0,85 1 0,70 V-0,11 U0,w;
q = 3662,5 snp 1,1310,96 V-0,11 U-1,02;

Ra = 2,46 snp-0,05 t0,56 V-0,47 U0J8;

Py = 421 snp 0,24 t0,05 V-0,10 U-0,14.

Здесь в качестве показателей процесса использованы производительность процесса Q, мм /мин (скорость съема), расход алмазов q, мг/г (износ инстру­мента), шероховатость поверхности (параметр Ra, мкм), нормальная сила реза­ния Py, Н. Управляющие параметры режима обработки: глубина резания t, мм, величины продольной sПР, м/мин и поперечной sH, мм/ход подач, скорость реза­ния V, м/с, рабочее напряжение U, В.

Для определения возможностей интенсификации съема припуска из по­лученных зависимостей могут быть использованы первые две. Это очевидно, если принять во внимание, что шероховатость поверхности и значение нор­мальной составляющей силы резания (фактора образования дефектов типа прижогов и других) на черновых стадиях обработки не являются ограничения­ми в выборе режимов шлифования. В то же время, не может быть игнорирован расход алмазов как фактор ограничения принимаемых режимов по экономиче­ским соображениям.

Зависимости показателей процесса АЭХШ по первой схеме приведены на рисунках 7-10, причем для всех показателей использована единая шкала значе­ний.

Из их анализа следует незначительность роли анодного растворения в общем объеме снимаемого припуска: производительность процесса Q (рис. 2.7) при увеличении рабочего напряжения U не только не растет, но незначительно снижается. Это, возможно, является следствием уменьшения глубины внедре­ния в обрабатываемый материал части алмазных зерен круга, в результате чего процесс резания-царапания (микрорезания) вырождается в простое упругое проскальзывание зерен. Это видно и по практическому отсутствию изменения параметра износа кругов q с увеличением напряжения U (рис. 2.7).

Из зависимостей видно, как и при алмазном, производительность АЭХШ определяется произведением подач. То есть, при увеличении продольной и по­перечной подач (рис. 2.8, 2.9) показатели процесса прямо пропорционально возрастают. Но интенсивность этого роста различна. Так, при росте продольной подачи SПР (рис. 2.8) более резко повышается расход алмазов q. Это объясняет­ся значительными нагрузками на зерна круга при больших продольных пода­чах.

Рис. 2.7. Зависимости параметров АЭХШ от рабочего напряжения источника питания

Для снижения нагрузок следует рекомендовать пропорциональное сни­жение глубины резания или повышение рабочего напряжения для интенсифи­кации электроэрозионной составляющей процесса. В меньшей степени идет рост силы резания Py. В еще меньшей — шероховатости обработанной поверх­ности Ra, так как в продольном направлении она определяется, в основном, только геометрическими размерами и формой режущих зерен.

Рис. 2.8. Зависимости параметров АЭХШ от продольной подачи

Увеличение поперечной подачи Snon (рис. 2.9), напротив, способствует более интенсивному росту расхода алмазов q, чем увеличению съема припуска Q. В несколько меньшей степени, но также увеличиваются шероховатость по­верхности Ra и сила резания Py. Это является следствием большего смещения траекторий зерен круга по отношению к профилю неровностей обрабатываемой поверхности, следовательно, увеличения толщины и, отчасти, глубины срезае­мых слоев на каждое режущее зерно круга.

Анализ зависимостей параметров съема припуска от глубины резания t показывают, что увеличение заглубления зерен инструмента при алмазном электрохимическом шлифовании интенсифицирует съем Q и увеличивает износ шлифовального круга (расход алмазов q). Влияние глубины резания на выход­ные параметры идентично влиянию продольной подачи. Это доказывает сход­ный характер изменений в процессе шлифования, вызываемых повышением подач и глубин резания. Г лавенствующим фактором в этом случае является по­вышение роли механического фактора (микрорезания) в общей доли съема припуска.

Увеличение скорости круга приводит к заметному увеличению силы ре­зания Py, но и к незначительному снижению шероховатости обработанной по­верхности Ra, расхода алмазов q. Производительность процесса Q также, но весьма незначительно, снижается. Это служит препятствием для безграничного повышения скоростей резания в процессе АЭХШ.

Для возможной интенсификации процесса съема припуска при АЭХШ ранее рекомендовано увеличивать длину дуги контакта, соответственно, и пло­щадь электрохимического растворения обрабатываемой поверхности.

Поперечная подача, мм/дв. х Рис. 2.9. Зависимости параметров АЭХШ от поперечной подачи

Однако сравнительный анализ влияния рабочего напряжения на выход­ные параметры процесса съема припуска (рис. 2.10) по первой (шлифование периферией круга) и второй схеме шлифования (торцом чашечного круга) под­тверждает, что съем, главным образом, определяет механический фактор.

Так, при росте рабочего напряжения почти вдвое (с 8 до 15 В) возможно малозначительное повышение съема (не более 30 %) лишь при шлифовании торцом круга (кривая 2). Это — следствие более существенного проявления фак­тора анодного растворения и электроэрозионной составляющей процесса, свя­занные с увеличенными площадями контакта. Это же сказывается и на измене­нии износа кругов. Если по первой схеме расход алмазов практически не сни­жается, то по второй схеме имеется адекватное росту скорости съема снижение относительного расхода алмазов (около 30 % при увеличении рабочего напря­жения вдвое). Таким образом, повышением рабочего напряжения при шлифо­вании торцом круга можно лишь частично компенсировать увеличение износа кругов при интенсификации механических режимов.

Таким образом, интенсификация процесса АЭХШ возможна лишь за счет ужесточения механических параметров режима обработки, т. е. путем увеличе­ния подач и глубины резания. Это накладывает определенные требования к применяемому оборудованию по мощности и жесткости, к средствам техноло­гического оснащения — по прочности и жесткости, к инструменту (шлифоваль­ным кругам) — по прочности и обеспечению высокой режущей способности.