Искусственное управление строением рабочего слоя абразивного круга с помощью правящих средств

В предыдущих параграфах был рассмотрен кинематический ме­тод управления формой поверхности абразивного круга в зависимос­ти от соотношения параметров Кг /С2; Ks. Теперь рассмотрим воз­можности управления числом и регулирования формы вершин зерен с помощью правящих средств. Это регулирование можно подразделить по конечным результатам на три метода:

1. Не контролируемое регулирование, наблюдаемое при при­менении стальных накатников и дисков, в результате воздействия которых может быть исправлен макропрофиль абразивного круга (восстановлена цилиндричность, плоскостность круга, нареза­на резьба определенного профиля и т. д.) и восстановлены режу­щие свойства абразивной поверхности. Однако при этом число зерен в слое и форма режущих вершин не контролируются процес­сом правки.

2. Полуконтролируемое регулирование, возникающее при ис­пользовании одно — и многокристальных алмазных инструментов типа резцов, алмазов в оправах, карандашей, гребенок и брусков, работающих методом точения поверхности абразивного круга. В результате такого метода правки на круге возникает винтовая резьба от одного или нескольких режущих зерен алмазного ин­струмента. Регулируя величину продольной и поперечной подач, можно в разной степени заострить вершины абразивных зерен на фиксированную глубину, но предсказать заранее ее размер, форму поперечного сечения вершин зерен затруднительно.

Оценка распределения вершин зерен в слое, как показано в работе [41], может быть произведена в самом общем виде на ос­новании решения вероятностной задачи. Этот метод по сравнению с первым обеспечивает получение большой точности профилирования круга и более высокие режущие свойства шлифовальных кругов.

3. Контролируемое регулирование можно осуществить при врезном методе правки абразивных кругов алмазными правящими роликами, когда микрогеометрия ПС ролика переносится через абразивный круг на обрабатываемую поверхность.

Если заранее на правящем ролике создать необходимую плот­ность режущих зерен и придать определенную форму их вершинам, то абразивный круг, систематически заправляемый таким неиз — нашиваемым шаблоном, будет многократно при заданных кинемати­ческих условиях шлифования переносить поперечный профиль та­ких зерен на обрабатываемую поверхность. Таким образом, микро­геометрия PC шлифовального круга в этом смысле будет по профилю (по картине наложения зерен друг на друга) дополнительной к микрогеометрии поверхности круга и обработанной им поверх­ности.

Явление переноса микропрофиля ролика на обрабатываемую врезным шлифованием поверхность описано в работе [13] и пред­
ставлено профилограммами (рис. 40). Рассмотрим профилограммы, полученные при шлифовании плоского металлического клина (по схеме рис. 22) абразивными кругами из электрокорунда зернисто­стью 16, 25, 40 на керамической связке твердостью СМ1, Cl, СТ2 после правки их алмазным роликом, оснащенным синтетическими алмазами АСК зернистостью 200/160. Внизу рис. 40,

микропрофиль ПС самого ролика, перенесенный на клин, а выше — микропрофиль, образуемый на клине абразивными кругами, правлен — ными данным роликом. Из сравнения профилограмм устанавлива­ется их полная идентичность.

Аналогичная картина наблюдается на рис. 40, б при правке абразивных кругов роликом с более крупными алмазами АСК 400/315. Здесь величина шероховатости обработанной поверхности не­сколько выше и соответствует огибающему профилю неперекрытых вершин более крупных зерен. Такая же картина получена и для ро­ликов, оснащенных крупными алмазами зернистостью 1000/800.

Таким образом, экспериментом устанавливается, что после правки абразивный круг переносит на деталь не свой микропрофиль абразивного слоя, соответствующий размерам и форме вершин зало­женных в круг зерен, а профиль, приобретенный принудительно в процессе правки.

Какие бы ни были у абразивного круга начальные характерис­тики: форма, размеры, концентрация зерен, твердость и пористость

связки, конечный результат шлифования — поперечная шерохо­ватость для всех кругов одинаковая, она зависит от микропрофиля правящего инструмента.

Очевидно, шероховатость обработанной поверхности можно задать заранее в нужных пределах через микропрофиль ролика. Этот процесс представлен на рис. 40, в. Правящий ролик с алмазами АСК 400/315, с помощью которого получены профилограммы на рис. 40, б, был подвергнут алмазной доводке. В результате были срезаны вершины алмазов на величину, не менее глубины перекры­тия зерен hn. Профиль такого доведенного по вершинам зерен ролика приведен в нижней части рис. 40, в, а профили, образован­ные кругами зернистостью 16, 25, 40 на связках СМ1, СМ2 и С1 показаны несколько выше. И в этом случае профиль зерен ро­лика был полностью перенесен всеми кругами на деталь.

Указанный метод позволил получать при профильной прав­ке абразивных кругов, работаю­щих врезным методом, низкую шероховатость обработанной по­верхности.

Рассмотренная методика при­тупления вершин алмазных зерен правящих роликов позволила ре­гулировать так называемую по­перечную шероховатость обрабо­танной поверхности, которая в чистом виде могла быть выявлена при шлифовании плоского кли­на. Напомним, что здесь при медленной продольной подаче на клин быстровращающегося ролика или круга фиксируется в каждом от­дельном сечении профиля картина наложения (проекции) зерен друг на друга. При этом продольные неровности вдоль каждой царапины не выявляются.

При шлифовании реальных деталей (с большими продольными и круговыми подачами) обнаруживается влияние продольных не­ровностей на поперечные (рис. 41). По ширине абразивный круг был разбит на одинаковые диски шириной АЬ, равной поперечному размеру плоской (доведенной) вершины зерна.

На схеме рис. 41 рассмотрен случай кинематического форми­рования на каждом диске звездочки. Поскольку срезанное зерно (или несколько зерен) на каждом элементарном диске по отношению к общему началу отсчета смещено на разную величину, то и форми­руемые им звездочки имеют аналогичное угловое смещение по

ив

отношению друг к другу. Очевидно, при этом, если даже все срезан­ные вершины зерен располагаются на одном цилиндре вращения, возникают поперечные неровности, вызванные смещением звез­дочек.

Таким образом, одного процесса срезания вершин зерен ро­лика для реализации низкой шероховатости обработанной поверх­ности недостаточно. Необходимо вернуться к решению кинемати­ческой задачи и подобрать оптимальные значения величины Kz (например, значения Kz, дробная часть которых несущественно отличается от целого числа, т. е. перейти от образования царапин, формирующих звездочку, к формированию спирали, как было по­казано на рис. 27 и 28).

Если срезание вершин зерен алмазного ролика позволяет из­менять в благоприятном направлении поперечную шероховатость поверхности абразивного круга, а кинематический параметр прав­ки К2 позволяет снижать продольную шероховатость, то возникает возможность контролируемо управлять доопределенной глубины микрорельефом абразивного круга и подготавливать его заранее для чернового или чистового шлифования, не принимая во внимание в известных пределах характеристику (зернистость и твердость) самого абразивного круга.

Это обстоятельство представляет существенные удобства в смысле маневрирования, замены дефицитных кругов менее дефицит­ными, твердых связок более мягкими без нарушения качества обработки поверхности.

Естественно, что свойства абразивного круга, имеющего при­нудительно сформированную рабочую поверхность, не могут не влиять на его работоспособность. Зернистость абразива, концен­трация зерен и диаметр круга определяют число зерен, распола­гающихся на элементарных дисках вращения (шириной ДЬ), на которых можно считать, чго зерна расположены в затылок друг ДРУГУ> а эт°. как было установлено, влияет соответствующим об­разом на продольную шероховатость обработанной врезным методом поверхности.

Срезание выступающих вершин зерен круга на каждой такой окружности вращения до одного уровня ликвидирует «слабые» места круга и существенно уменьшает изменение радиального износа, связанного с явлением естественного саморегулирования износа круга, что важно при профильном фасонном шлифовании.

Продолжительность сохранения принудительно заданного прав­кой микрорельефа рабочей поверхности для абразивных кругов разной зернистости также различна и без постановки эксперимента ее затруднительно определить заранее. Она может колебаться в ши­роких пределах: от нескольких секунд до нескольких минут.

Стойкость сформированного правящим роликом ПС зависит в основном от следующих факторов: характеристики самого абра­зивного слоя, в первую очередь от физико-механических свойств зерен и связки, формы и размеров зерен, геометрических размеров
шлифовального круга; характеристики правящего ролика — физи­ко-механических свойств алмазных зерен, их концентрации и сте­пени притупления ролика по вершинам алмазов; режимов правки и кинематики взаимодействия зерен ролика с поверхностью абра­зивного круга; режимов шлифования правленным кругом изготовля­емой детали и условий обработки (станок, охлаждающая среда, жесткость и виброустойчивость СПИД и т. д.); физико-механиче­ских свойств и обрабатываемости шлифуемого материала.

Таким образом, многообразие перечисленных условий эксплуа­тации абразивного инструмента не позволяет предсказать, сколько

времени будет функциони­ровать без существенных изменений принудительно сформированный правкой РПС круга. Несомненно, что чем чаще правится круг, тем большая гарантия со­хранения заданной микро­геометрии его поверхности. С этой точки зрения наи­более целесообразно осуще­ствлять правку круга пос­ле шлифования каждой де­тали. В работе[9] показано, что это выгодно и с точки зрения производительности процесса. Докажем это. На рис. 42 приведена экспери­ментальная кривая измене­ния ошлифованного объема q металла в функции вре­мени работы круга, прав — ленного алмазными роликами, по данным рис. 39, а (кривые 1, 2).

При ттах = 45 мин круг практически перестает работать, сняв с детали </тах = 18 см3 металла. Производительность за период естественной стойкости круга равна Qr = 18 : 45 = 0,4 см3/мин.

Если круг правится принудительно через время т2 = 22 мин, то производительность шлифования Q2 = </2 : т2 = 14 : 22 = = 0,64 см3/мин, т. е. она возрастает. При ц = 7 мин Q1 = = 7:7=1 см3/мин будет еще выше. Если к времени шлифова­ния приплюсовать время правки т„ и через полученные точки про­вести прямые, то тангенс углов наклона а, этих прямых (/, 2, 3…) численно будет равен производительности шлифования на данной операции: Qt = tga£.

Очевидно, наибольшую производительность можно получить при угле Oj наклона касательной к кривой Л, что практически осу­ществляется непрерывным процессом правки шлифовального круга во время его работы.

Чаще целесообразнее производить периодическую правку, так как абразивный круг за это время несущественно снижает свою ре­жущую способность. Таким минимальным временем можно считать продолжительность шлифования одной детали. Однако с точки зре­ния стойкости правящего ролика и затрат абразива выгоднее шли­фовать несколько деталей. Вопрос о периодичности правки бу­дет решаться при нахождении оптимального варианта, определяе­мого производительностью и себестоимостью операции шлифо­вания.

При врезном профильном шлифовании точных деталей, поверх­ности которых взаимосвязаны жесткими допусками (размерной це­пью) или высокими требовани­ями к шероховатости поверх­ности, этот вопрос решается проще. Опытным путем уста­навливается, через сколько деталей круг теряет необхо­димый радиальный размер или не обеспечивает необходимую шероховатость обработанной поверхности, после чего вводят в действие механизм правки.

Все указанное выше будет справедливым, если время правки существенно меньше и соизмеримо с временем шли­фования детали (тп < тд) или если оно совмещается со вре­менем смены детали, т. е. не влияет на продолжительность ее изготовления. В некоторых случаях, например при прав­ке однокристальным алмазным инструментом круга для изготовле­ния сложного профиля детали, время правки тп > тд, так как шли­фование профиля осуществляется врезным методом. Здесь вопрос производительности будет тесно связан с правильным выбором пе­риодичности правки.

На рис. 43 (как и на рис. 42) приведена та же кривая А функции q, = f (т£), которая на рис. 39 обозначена цифрами 1 и ^.Показано графически на оси времени, что т„ = 4тд. В этом случае, если через точку 1, абсцисса которой равна х, = тп + тд, проведем прямую, то получим ее угол наклона а,- = атт, т. е. наименьшую произ­водительность шлифования. В этом случае править круг через каждую деталь невыгодно.

Если правку круга осуществлять через 2, 3 и т. д. детали, то производительность будет до некоторого предела возрастать. На рис. 43 показана кривая А’, проведенная через точки /, 2, 3,

20, абсциссы которых равны пхд -f тп (п — число деталей, после
изготовления которых абразивный круг принудительно правят). Она является эквидистантной по отношению к кривой А, так как равноотстоит от нее на постоянном отрезке тп. Очевидно, макси­мальное значение угла at = ocmax будет у прямой, проведенной из начала координат касательно к кривой А’. Наивысшая производи­тельность шлифования будет в этом случае тогда, когда круг под­вергнется правке после каждой 10-й детали.

При таких относительно больших по времени интервалах ме­жду правками круга к его характеристикам должны быть предъяв­лены существенно более высокие требования, чем при правке ал­мазными роликами.

Таким образом, имеется еще один существенный недостаток метода правки по копиру, который зачастую не принимается во внимание. Помимо большего времени и невозможности совместить его с паузой шлифования на перестановку детали, что уже само по себе снижает производительность обработки изделия, в большин­стве случаев приходится периодичность правки принимать отлич­ной от оптимальной, а это снижает производительность шлифо­вания.

Если в данном случае выдерживать рекомендацию правки через 9—10 деталей, то за этот срок круг существенно изменит радиальные размеры, ухудшится точность и стабильность изготовления деталей по профилю и размерам и увеличится опасность прижогов поверх­ности.

Практика применения врезного профильного шлифования бего­вых дорожек радиальных одно — и двухрядных подшипников каче­ния керамическими кругами из электрокорунда зернистостью 12, 16, 25 показала, что среднемягкие круги СМ1—СМ2 обеспечивают хо­рошие результаты по точности, шероховатости и прижогам, если правка круга алмазным правящим роликом на гальванической связке производится в основном через 1—4 детали. Отклонение про­филя от геометрически заданного при этом не превышает 0,003— 0,005 мм и является стабильным за весь срок службы ролика (до восстановления его собственного профиля), измеряемого в 20— 30 тыс. врезаний в круг. При продолжительности шлифования про­филя желобов подшипников, равной 7—10 сек, имеет место радиаль­ная стойкость сформированного роликом с притупленными вер­шинами алмазов абразивного слоя круга, которая равна 12— 50 сек.

В то же время при производстве многорядных (трех — и четырех­дорожечных) подшипников специального назначения или при из­готовлении деталей вырубных штампов (матриц и пуассонов), допуск на изготовление которых составляет 0,01 мм, стойкость принудитель­но сформированного слоя достигает 5—10 мин шлифования. В дан­ном случае уже не радиальная потеря размеров вершин зерен, а постепенная перестройка всего слоя, связанная с притуплением, выкрашиванием и вырыванием зерен, является мерой стойкости абразивного слоя.

Возможности врезной правки абразивных кругов роликами, оснащенными мелкими синтетическими алмазами АСК с метрически­ми размерами 0,25—0,4 мм на гальванической связке, не исчерпыва­ются областью точного прецизионного профильного шлифования. Имеются примеры успешного применения их на операциях врезного силового шлифования деталей автомобиля типа многоступенчатых валиков значительной протяженности. Так, ролик из алмазов АСК, оснащенных смесью порошков АСК зернистостью 250/200 и 400/315, в состоянии править круг с шириной профиля 185 мм на скорости 60 м/сек. При врезном шлифовании с детали снимается слой метал­ла, равный 2 мм, при этом используется двигатель мощностью 40 квт. Правящий ролик в этих условиях по вершинам не доводится и работает в тяжелых условиях, так как с круга необходимо удалить значительный слой абразива, обильно забитого стружкой шлифуе­мой детали.

Интересно отметить, что применение правящих роликов с пра­вильной укладкой крупных алмазов (1—2 мм) здесь нецелесообраз­но по двум причинам. Плоские вершины кристаллов таких роликов здесь излишне загладили бы зерна круга, в результате существенно возросли бы усилие шлифования и тепловыделение, а стоимость ролика была бы соизмерима со стоимостью станка и превышала стоимость гальванического инструмента в 15—20 раз.

Таким образом, врезная правка алмазными правящими ролика­ми позволяет контролируемо управлять свойствами абразивного слоя абразивных кругов и вместе с кинематикой движения пар ро­лик — круг — деталь создает предпосылки адаптивного управле­ния процессом шлифования, гарантирующим качество изготовления продукции: точность, стабильность размеров, шероховатость об­работанной поверхности, глубину наклепанного слоя.

» * *

Подводя итоги по рассмотрению кинематической модели шли­фовального круга, необходимо отметить, что в результате ее ана­лиза получена более глубокая и более ценная для познания процесса шлифования (правки) и практических применений информация, которую невозможно получить при рассмотрении статической модели — отдельно взятого круга и строения его абразивного слоя.

Без детального кинематического анализа процесса шлифования, который до сего времени недостаточно полно освещен в технической литературе, затруднительно в перспективе проектировать и созда­вать прогрессивные виды шлифовальных станков высокой произ­водительности и точности, особенно станков и автоматических линий с адаптивным управлением.

Предварительный и далеко не полный материал, рассмотрен­ный в данном разделе работы, тем не менее позволил показать значимость и важность рассмотрения кинематической стороны про­

цесса шлифования и привел, как нам кажется, к важному выводу, что принципиальное направление создания адаптивных систем управления процессом окончательной обработки изделий массово­го и серийного производства состоит не в стабилизации какого-либо силового параметра или мощности резания, на чем, собственно, базируется управление станками [3] с металлорежущим инструмен­том, а в управлении кинематикой процесса правки и шлифования. В этом случае адаптивное управление процессом резания будет развиваться на более широкой и гибкой базе — оно включает как стабилизацию чисел оборотов, так и целесообразное изменение соотношений Ki и /С2 в процессе шлифования в целях повышения производительности и качества изготовления продукции.