На правах рукописи

ГОЛЕМИ СТАНИСЛАВ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ МИНИМАЛЬНОЙ

НЕУРАВНОВЕШЕННОСТИ МАСС ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ

ВЫСОКОПОРИСТЫХ ШЛИФОВАЛЬНЫХ КРУГОВ

Специальность 05.02.08 – Технология машиностроения

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА – 2006 2

Работа выполнена в МГТУ «СТАНКИН», фирмах Best-Business a.s. и Carborundum Electrite a.s. (Чехия).

Научный руководитель – Заслуженный Деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор В.К. Старков

Официальные оппоненты – доктор технических наук, профессор В.П. Вороненко кандидат технических наук, старший научный сотрудник В.С. Новиков Ведущее предприятие – ФГУП ММПП «Салют»

Защита диссертации состоится « 2006 г., в часов на заседании »

Диссертационного Совета К 212.142.01 при ГОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН» по адресу: 127055, Москва, Вадковский пер., д.3а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ «СТАНКИН».

Ваш отзыв на автореферат, заверенный печатью, просим направить по указанному адресу.

Автореферат разослан « » 2006г.

Ученый секретарь диссертационного совета К 212.142. канд. техн. наук И.М. Тарарин

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Вопреки сложившимся представлениям неуравновешенность масс шлифовальных кругов формируется не только при их заключительной механической обработке. Кроме того, производственный опыт свидетельствует, что неуравновешенность масс очень трудно нейтрализовать методами балансировки.

С неуравновешенностью масс инструмента связана динамическая нестабильность процесса шлифования, снижение его стойкости и рабочей скорости, появление волнистости и следов дробления на обработанной поверхности детали, а часто и прижогов, вследствие увеличения контактной температуры.

Поэтому для широкого и эффективного использования в промышленности высокопористых абразивных кругов необходим инструмент с минимально возможной величиной дисбаланса, регламентируемой стандартами. Изготовление такого инструмента является чрезвычайно сложной задачей, потому что, как показали проведенные исследования, формирование неуравновешенности масс определяется рецептурным составом высокопористого инструмента и технологией его производства. Сложность решения этой задачи заключается в том, что рецептурный состав должен обеспечивать не только минимальный дисбаланс, но, прежде всего, заданную характеристику шлифовального круга по материалу абразива, его зернистости, твердости, номеру структуры и разрывной прочности.

В этой связи тема данной работы является актуальной и имеет важное значение для технологии производства абразивного инструмента и практики его применения в процессах шлифования.

Цель работы. Разработка технологии изготовления высокопористых шлифовальных кругов с минимальной неуравновешенностью масс.

Методика исследования. Основные положения и выводы работы разработаны и обобщены с позиций теории технологии машиностроения применительно к обеспечению точности механической обработки тел вращения и научных основ создания абразивного инструмента, в частности высокопористых шлифовальных кругов. Достоверность полученных результатов подтверждается производственными испытаниями и внедрением.

Экспериментальные исследования и производственные испытания проводились с использованием современного технологического оборудования и контрольно-измерительной аппаратуры.

Статистическая обработка данных выполнялась при помощи специальных компьютерных программ многофакторного корреляционного и регрессионного анализа.

Научная новизна работы заключается в:

• раскрытых закономерностях формирования неуравновешенности масс высокопористых шлифовальных кругов на всех этапах технологического процесса их изготовления, включая их рецептурный состав и технологию механической обработки, подтвержденных экспериментальными исследованиями;

• расчетных моделях формирования неуравновешенности масс при механической обработке шлифовальных кругов, которые учитывают размеры инструмента, его плотность, эксцентриситет относительного смещения оси отверстия круга от центра масс, разновысотность и другие точностные параметры;

• эмпирических моделях связи величины неуравновешенности масс высокопористых кругов с их разновысотностью, биением торцевых поверхностей, овальностью отверстия и наружного диаметра, эксцентриситетом и твердостью.

Практическая ценность заключается в:

• разработанных оригинальных составах высокопористых абразивных кругов на основе выгорающих и невыгорающих порообразователей;

• измерительной системе для комплексного контроля точностных параметров шлифовальных кругов после их механической обработки, плотности и неуравновешенности масс;

• рекомендациях по построению технологического процесса механической обработки высокопористых шлифовальных кругов с выбором маршрута, баз и условий обработки с целью уменьшения величины неуравновешенности масс.

Реализация работы. Высокопористый абразивный инструмент, разработанный в данной работе, внедрен на ОАО «Азотреммаш» и ФГУП ММПП «Салют».

Апробация работы. Основные положения работы были представлены на V международном конгрессе «Конструкторско-технологическая информатика»

(г. Москва, 2005) и конференциях «Процессы абразивной обработки, абразивные инструменты и материалы», «Шлифабразив – 2004» и «Шлифабразив – 2005» (г. Волжский), на семинарах научно-исследовательского центра «Новые технологии и инструменты».

Публикации. По теме диссертации опубликовано пять печатных работ и получен один патент Чешской Республики.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы /76 наименований/ и приложения. Объем диссертации 115 страниц машинописного текста, содержит 34 рисунка и таблиц.

Во введении обосновывается актуальность темы, дается общая характеристика работы, направленность исследований и основные положения диссертации, которые выносятся на защиту.

В первой главе по результатам литературного обзора и его анализа установлено, что неуравновешенность масс или дисбаланс является одной из основных характеристик качества изготовления шлифовальных кругов. Его величина в процессе шлифования создает центробежную силу инерции во вращающемся инструменте, что становится причиной вредных последствий для всей технологической системы резания.

Проявлением неуравновешенности масс является возбуждение автоколебательного процесса в технологической системе резания от пульсирующей центробежной нагрузки. Это приводит к снижению размерной стойкости шлифовальных кругов до 60%, резкому снижению качества обработки с появлением волнистости, следов дробления, прижогов и трещин на обработанной поверхности детали.

Неуравновешенность массы шлифовального круга оказывает влияние и на формирование тонкой кристаллической структуры в поверхностном слое детали, способствуя его разупрочнению.

Стандарты на выпускаемые шлифовальные круги жестко регламентируют допустимую величину неуравновешенности масс в зависимости от условий шлифования.

По ГОСТ 3060-86 установлено четыре класса неуравновешенности масс, а их допустимые величины определены в зависимости от массы кругов, изготавливаемых на керамической, бакелитовой, вулканитовой и специальных органических связках. В зависимости от класса неуравновешенности его величина может изменяться до 5 раз.

По европейскому стандарту EN ISO 6103 неуравновешенность масс шлифовальных кругов более подробно регламентирована в зависимости от массы инструмента, а также учитывает его размеры, рабочую скорость и условия обработки. Допустимая величина дисбаланса разбита на 6 разрядов с изменением до 5 раз.

В известной литературе по шлифовальным кругам и процессам шлифования обычно приводятся сведения о негативном воздействии дисбаланса на процесс обработки, рекомендации по уменьшению его величины методами статической и динамической балансировки инструмента.

До настоящего времени природа формирования дисбаланса шлифовальных кругов связывалась только с точностью их механической обработки. Вопросы, связанные с рецептурным составом абразивного инструмента, а также особенности формирования дисбаланса у высокопористых шлифовальных кругов в литературе не нашли отражения.

Остается также неизученной и нерешенной проблема изготовления шлифовальных кругов и особенно инструмента повышенной пористости с минимально возможной величиной их неуравновешенности масс.

Во второй главе предложено теоретическое решение допустимой величины дисбаланса шлифовального круга из условия эффективной работы при шлифовании. Допустимый класс дисбаланса определяется с учетом возбуждения вынужденных колебаний упругой системы шлифовального станка под действием неуравновешенной центробежной силы.

Для теоретического прогнозирования величины неуравновешенности масс предложена и обоснована элементная модель строения абразивного инструмента.

Абразивный инструмент как совокупность однородно распределенных в объеме зерен можно рассматривать как упорядоченное множество, состоящее из конечного числа счетных подмножеств (элементов). Каждый такой элемент в миниатюре отображает все свойства и связи абразивного инструмента в целом.

Такой элемент объемного строения из n зерен должен отображать в себе характеристики статистического распределения абразивных зерен с учетом их размеров и количества. Упорядоченной структурой из n зерен, равноудаленных друг от друга на расстояние lV, может быть сфера с радиусом lV. В центре сферы находится абразивное зерна, а на ее поверхности по расчету располагается еще 12 зерен. В итоге 13 зерен, занимая объем WZ, равноудалены друг от друга. Число 13 инвариантно для любой зернистости абразива и его содержания в инструменте, а объем, в котором находится это количество зерен, наоборот, зависит от их размеров и количества.

Объем подмножества определяется как объем сферы с радиусом, равным среднему шагу между зернами lV плюс средний размер зерна Аз, или Из (1) следует, что объем подмножества W будет тем меньше, чем меньше размер абразивного зерна и расстояние между ними.

Таким образом, объемная структура в виде сферы с 13 равноудаленными друг от друга абразивными зернами представляет собой упорядоченное подмножество, которое является взаимно однозначным отображением или эквивалентна множеству, идентифицирующему весь абразивный инструмент. В соответствии с теорией множеств отношение эквивалентности множеств обладает свойствами рефлексивности, симметричности и транзитивности.

Элементная модель удобна для исследований на микроуровне формирования флуктуаций, например, плотности массы инструмента за счет отклонений в равномерном распределении абразивных зерен в его объеме. Действительно, если по расчетам в 1 см3 абразивного инструмента зернистостью от 6 до 40 и номером структуры от 6 до 16 может находиться от 5,2.103 до 1,5.106 зерен, то каким образом можно выявить все многообразие связей между ними и механизм взаимодействия между компонентами рецептурного состава?

Рассмотрим, например, формирование неуравновешенности масс у абразивного инструмента двух разных зернистостей. Ее величина определяется как произведение значения неуравновешенной массы на плечо ее действия. Для простоты возьмем систему из двух подмножеств с объемами W и W, кажZ1 Z дый из которых соответствует размеру зерна А1 и А2. Тогда неуравновешенность массы для системы из двух подмножеств равна WZ lV.

Под действием объемной деформации W в процессе высокотемпературного обжига и вследствие ее неоднородного проявления в различных локальных зонах происходит увеличение плотности Тогда в первом приближении можно получить соотношение для неуравновешенных масс mD инструментов с зернистостью А1 и А2 и объемным соV з 2 в следующем виде:

держанием абразивного зерна Vз1 и Анализируя (2), можно придти к выводу, что неуравновешенность масс зависит от зернистости и номера структуры шлифовального круга, а также от степени влияния этих параметров на его объемную деформацию, которая, в свою очередь, влияет на плотность массы рассматриваемого подмножества.

Неуравновешенность массы шлифовального круга – это проявление неоднородной его плотности по объему инструмента. Интегрально она оценивается через смещение центра масс (тяжести) относительно оси вращения круга.

Используемая для практических целей величина неуравновешенности масс трансформирована к размерам инструмента.

Формирование неуравновешенности масс происходит на всех этапах технологического процесса изготовления шлифовальных кругов. Ее величина, в конечном итоге, как аддитивная характеристика определяется составом абразивной массы, порядком и схемой смешивания ее исходных компонентов, условиями формования (прежде всего выравнивания массы в прессформе), принятой технологией механической обработки всех поверхностей абразивного инструмента и точностью их формообразования резанием. Температурный режим и условия нагрева при высокотемпературном обжиге, по-видимому, тоже могут оказать влияние на возникновение флуктуаций плотности в объеме абразивного инструмента.

После анализа возможных причин формирования дисбаланса при изготовлении шлифовальных кругов можно сделать вывод, что неуравновешенность масс связанна с действием двух независимых друг от друга факторов.

Часть причин, которые влияют на внутреннее строение шлифовального круга, можно условно объединить в качестве внутреннего фактора. К нему следует отнести состав абразивной массы и процессы ее смешивания, прессования и высокотемпературного обжига. Этот фактор является причиной локальных отклонений от гомогенности объемной структуры инструмента в виде флуктуаций плотности массы.

Другая группа причин формирования дисбаланса в качестве внешнего фактора обусловлена внешним воздействием на заготовку шлифовального круга при ее механической обработке. В результате этого воздействия формообразование абразивного инструмента происходит с отклонениями по форме, взаимного расположения и размерам всех обрабатываемых поверхностей.

Дисбаланс, обусловленный проявлением внешнего фактора, может быть устранен или сведен к минимуму за счет одной балансировки перед установкой на станке. Дисбаланс шлифовального круга от внутреннего фактора случайным образом распределен по объему инструмента и будет непрерывно изменяться за счет смещения центра неуравновешенных масс, изменения их величины по мере изнашивания круга и уменьшения его диаметра.

Описанная физическая модель подтверждается прямым экспериментом на высокопористых абразивных кругах с размерами 350х32х76 из электрокорунда белого зернистостью 16 со структурой 22, изготовленных на основе корундовых микросфер и фруктовых косточек.

При увеличении в составе абразивной массы только объемного содержания корундовых микросфер в 1,5 раза наблюдалось повышение неуравновешенности массы шлифовального круга с 5,3г (колебание для трех исследованных кругов составило 4…7г) до 12,7г (11…15г) или в 2,4 раза при снижении его степени твердости с СМ2 до СМ1.

Обобщая полученные экспериментальные данные можно сделать заключение, что на формирование дисбаланса высокопористых шлифовальных кругов равное влияние оказывают причины, обуславливающие изменение внутреннего строения инструмента, и причины внешнего воздействия при его механической обработке. Однако если учесть коррелированность некоторых исследованных характеристик высокопористых кругов, то влияние внутреннего фактора их изготовления необходимо скорректировать в сторону уменьшения.

Наличие дисбаланса величиной mD на расстоянии радиуса наружной поверхности R круга с массой M вызывает смещение центра масс относительно оси вращения на величину.

При вращении круга с угловой скоростью из-за действия центробежных сил в круге возникают внутренние растягивающие напряжения, действующие на поперечное сечение круга площадью S. Величину этих напряжений можно рассчитать по формуле где xc - координата центра масс.

При наличии дисбаланса координата центра масс шлифовального круга с радиусом наружной поверхности R и отверстия r равна Подставив это выражение в формулу (3) после соответствующих преобразований получаем новую формулу для расчета внутреннего напряжения во вращающемся круге с учетом величины его дисбаланса или В выражениях (4) и (5) масса круга представлена в виде произведения плотности на объем M = (R 2 r 2 )H, а площадь поперечного сечения S = (R r )H, где H – это высота круга.

Полученное выражение (5) можно также преобразовать для расчета возможной разрывной скорости при условии, что для данного круга известен предел прочности на растяжение Таким образом, разрывная скорость и предел прочности на растяжение, являясь взаимосвязанными между собой характеристиками прочности шлифовального круга, напрямую зависят от плотности, величины дисбаланса и размеров инструмента.

Для проверочных расчетов были выбраны круги из электрокорунда белого с зернистостью от 10 до 40, открытой и закрытой структуры с номерами от до 22. Плотность исследованных кругов составляла от 1,51 до 2,20 г/см3, а дисбаланс от 3 до 26г. При динамических испытаниях шлифовальные круги обеспечили разрывную скорость от 75,6 до 138 м/с.

По результатам испытаний установлено, что изменение величины дисбаланса в меньшей степени оказывает влияние на разрывную скорость кругов с большей плотностью. Так, например, для круга с закрытой структурой с плотностью 2,19 г/см3 при увеличении дисбаланса от 12 г (1-й класс неуравновешенность) до 50 г (4-й класс) доля составляющей дисбаланса изменяется с 0, до 3,48%. Максимальное влияние дисбаланса на разрывную скорость отмечено для кругов с открытой структурой и с плотностью 1,54 г/см3. В этом случае при изменении дисбаланса от 12 до 50 г его доля составляет от 1,8 до 7,52%.

Зависимость разрывной скорости от плотности и дисбаланса круга была установлена также в результате статистического анализа экспериментальных данных. Математические модели связи разрывной скорости Vр от плотности и дисбаланса mD кругов из электрокорунда белого представляют собой следующие выражения:

для высокопористых шлифовальных кругов с открытой структурой и для высокопористых шлифовальных кругов с закрытой структурой В третьей главе изложена методика и результаты экспериментальных исследований рецептурных составов высокопористых шлифовальных кругов.

Для экспериментальных исследований состава и характеристик высокопористых шлифовальных кругов были изготовлены круги прямого профиля с размерами 350х32х76 мм и с характеристиками в диапазоне: по материалу абразивного зерна – электрокорунд белый 25А (по стандарту Чехии – 99ВА), нормальный 15А (96А) и хромтитанистый 92А (98А), карбид кремния зеленый 64С (49С) и черный 54С (48С), поликристаллический абразив типа SG; по зернистости от 10 (120) до 40 (46), по номеру структуры от 6 до 22. При изготовлении кругов использовались керамические связки трех типов, а для высокопористых кругов различный по составу, свойствам и в различных комбинациях порообразующих наполнитель: корундовые, силикатные и стеклянные микросферы, а также фруктовые косточки двух видов с размерами от 0,1 до 1,5мм.

Изучалось 4 состава высокопористых кругов на основе электрокорунда белого - карбида кремния зеленого с выгорающими и невыгорающими порообразователями. Всего было изготовлено и протестировано более 60 различных рецептурных составов, по три круга каждого рецепта.

В зависимости от состава композиций, «выгорающий - невыгорающий порообразователь» средняя величина дисбаланса может изменяться от 7 до 23 г или более чем в 3 раза. Для исследованного типоразмера круга указанный диапазон значений дисбаланса приводит к заметному снижению качества их изготовления: от 1-го до 3-го классов неуравновешенности масс.

Необходимо отметить, что экспериментальные данные по величине дисбаланса для одного и того же типоразмера круга в зависимости от его состава и соответственно эксплуатационной характеристики в отличие от других исследованных свойств выделяются чрезвычайно большим диапазоном рассеяния.

Так для высокопористых кругов на основе электрокорунда величина дисбаланса изменялась от 2 до 32г, а на основе карбида кремния – от 2 до 18г или в 16 и 9 раз соответственно. Для этих же условий глубина лунки при измерении пескоструйным методом изменялась для корундового инструмента от 2,85 до 7, мм или в 2,75 раз, а для карборундовых кругов – от 2,9 до 5,85 мм или в 2 раза.

Большая нестабильность значений дисбаланса идентифицируется большими величинами его среднеквадратичных отклонений: от 0,9 до 15,3 г для корундового инструмента и от 1,2 до 6,1 г для кругов из карбида кремния.

Обобщение экспериментальных данных позволило по увеличению степени коррелированности с величиной m D распределить компоненты состава в следующей последовательности: керамическая связка и стеклянные микросферы (R = -0,395) зернистость (0,494), содержание силикатных микросфер (абразивного зерна (0,761) и оливковых косточек (0,817).

Статистическая регрессионная модель связи при этом имеет следующий вид:

из которой следует, что неуравновешенность масс возрастает с увеличением зернистости и уменьшается при увеличении остальных компонент высокопористого инструмента с экстремумом функции m D (V3 ) для кругов 14 структуры.

При статистической оценке степени влияния состава высокопористых кругов на стабильность неуравновешенности масс указанная степень тесноты связи возрастает в следующей последовательности: зернистость (R = 0,19), содержание связки и стеклянных микросфер (-0,382), зерна (0,69), силикатных микросфер (0,698) и оливковых косточек (0,748).

По регрессионной модели связи среднеквадратичное отклонение дисбаланса будет возрастать при увеличении содержания зерна, силикатных микросфер и оливковых косточек, а уменьшаться для кругов повышенной зернистости и большим содержанием связки.

Доминирующее влияние на формирование дисбаланса и стабильность его значений оказывают содержание абразивного зерна, выгорающего и невыгорающего порообразователей, т.е. основные компоненты состава, ответственные за изготовление высокопористого абразивного инструмента.

Для практических целей эксплуатации высокопористых кругов с заданными зернистостью, твердостью и номером структуры полезно иметь априорную оценку их неуравновешенности масс, чтобы предвидеть возможные негативные последствия при шлифовании. С этой целью были разработаны математические модели связи неуравновешенности масс высокопористых кругов 4 исследованных групп рецептурных составов с их зернистостью, твердостью и структурой (см. табл. 1).

Выявленный характер влияния характеристики круга на величину дисбаланса статистически адекватен только для 1 и 2, а также для 3 и 4 групп инструмента, а в целом для высокопористых кругов на основе электрокорунда и на основе карбида кремния они принципиально отличаются. Только при увеличении твердости во всех случаях величина дисбаланса уменьшается, а характер влияния зернистости и объемного содержания зерна у корундовых и карборундовых кругов полярно отличен друг от друга.

Был выполнен сравнительный анализ технологических и эксплуатационных свойств высокопористых шлифовальных кругов одного типоразмера1 350х32х76 одинаковой 16 зернистости и 12 структуры, но из различных абразивных материалов. В качестве абразивов были использованы Таблица 1. Математические модели связи неуравновешенности масс высокопористых кругов различных составов с их зернистостью, твердостью и структурой.

(обозначение по стандарту Чехии): электрокорунды белый 99ВА, нормальный 96А, хромтитанистый 98А, циркониевый 97ЕА и SG-модификация в виде микрокристаллического корунда 99SA в композиции 50% SG + 50% 99A, а также карбид кремния черный 48С и зеленый 49С.

Исследованные высокопористые круги на основе различных модификаций корунда имеют практически одинаковые технологические свойства по условию прессования и деформации и близкие значения по разрывной скорости (в пределах ошибки измерения ± 1,83 м/с), за исключением инструмента на основе микрокристаллического корунда SG. При его изготовлении усилие прессования было в 3 раза больше, а достигнутая разрывная скорость – на 20% меньше.

Можно отметить достаточно большое рассеяние по неуравновешенности масс: от 5 до 16 г для корундовых кругов. Однако этот выходной параметр качества изготовления кругов вообще отличается большим разбросом. В нашем случае колебания неуравновешенности масс обусловлены его зависимостью от деформации круга при его прессовании, которая измеряется по величине уплотнения высоты Н относительно расчетной. Чем больше указанная деформация, тем больше величина измеренного дисбаланса круга.

Высокопористые круги на основе карбида кремния зеленого и черного по технологичности изготовления и эксплуатационные свойства показали близкие результаты по усилию прессования, деформации, твердости и разрывной скорости. Для этой группы кругов разрывная скорость оказалась до 17% меньше, чем для корундовых кругов 12 структуры, но примерно на одном уровне с кругами на основе микрокристаллического корунда.

Оценка неуравновешенности масс дает относительно стабильные величины для всех кругов. Только все циркониевые круги имели дисбаланс в соответствии с 1 классом неуравновешенности, для остальных составов, включая электрокорундовые круги нормальной структуры, его величина соответствовала 1му классу неуравновешенности для 1…2 образцов, а для остальных – 2-му классу.

В четвертой главе изложены результаты исследования точности механической обработки высокопористых кругов на их неуравновешенность масс.

Точность механической обработки шлифовальных кругов является еще одним важным фактором формирования их неуравновешенности масс.

Все известные типоразмеры шлифовальных кругов представляют собой относительно простые конфигурации, точность форм, взаимного расположения и размеров поверхностей которых достигается без особых технологических трудностей.

Автором внедрена в производство система комплексного и одновременного контроля за один установ точности геометрических размеров, торцевого и радиального биений, а также измерения массы шлифовальных кругов.

Принцип действия этой системы основан на бесконтактном методе измерения поверхности шлифовального круга с помощью луча лазера. Система предназначена для измерения кругов прямого и фасонного профилей с наружным диаметром от 400 до 750 мм и высотой до 250 мм. Возможная погрешность измерения радиальных размеров, высоты и относительного положения поверхностей круга с зернистостью до 0,1 мм составляет ± 0,05 мм, а для высокопористых кругов до ± 0,15 мм. Погрешность измерения массы круга не превышает ± 0,025 кг.

Измерительная система включает в себя измерительную установку с подвижным суппортом, усилитель измерений и персональный компьютер.

Между величиной неуравновешенности масс шлифовальных кругов и их точностными параметрами имеются простые зависимости, которые для кругов прямого профиля приведены в табл. 2 для различных технологических схем их механической обработки.

Изучая влияние точности механической обработки на дисбаланс высокопористых кругов, целесообразно и корректно определять его величину в зависимости от различных точностных погрешностей при постоянном рецептурном составе. В этом случае при достаточно большой выборке статистических данных можно взаимосвязано оценить влияние нестабильности физикомеханических свойств инструмента и его точностных параметров на неуравновешенность масс.

Такой методологический подход оправдан и по другой причине. Предложенные расчетные схемы формирования в зависимости от точности механической обработки не в полной мере учитывают возможные отклонения от точности формы рабочих поверхностей шлифовального круга и их взаимного расположения. В реальных условиях помимо отмеченных в табл. 2 погрешностей имеют место овальность отверстия и наружного диаметра круга, биение торцевых поверхностей и др.

Еще одно обстоятельство связано с тем, что действие параметров точности формы и взаимного расположения поверхностей может проявляться разнополярно, т.е. действовать на уменьшение и увеличение суммарного дисбаланса одновременно. Действие точностных параметров механообработки накладывается на уже имеющуюся в шлифовальном круге разноплотность по объему инструмента с соответствующим смещением центра масс от центра его вращения, обусловленных рецептурным составом и погрешностями предшествующих этапов изготовления.

Таблица 2. Формирование дисбаланса при механической обработке шлифовальных № Технологическая п/п схема обработки 1. Токарная обработка Торцевое точение от периферии круга ванием по отверстию.

Торцевое точение перемещении стола.

Планетарная схема Вследствие изложенных обстоятельств расчетная величина неуравновешенности масс может быть больше или меньше фактического значения и степень их соответствия зависит от полноты учета действия возмущающих факторов. В этой связи статистическая обработка экспериментальных данных дает возможность более полно оценивать характер и степень влияния на неуравновешенность масс различных факторов изготовления высокопористых шлифовальных кругов, ответственных за ее формирование.

С помощью методов корреляционного и регрессионного анализов была исследована статистическая выборка из 15 кругов прямого профиля с размерами 500х32х203 и с характеристикой 25А 16П М3 12К. При постоянном рецептурном составе изготовленные круги имели заметные отклонения по своим свойствам. Глубина лунки, измеренная пескоструйным методом, изменялась от 4,1 до 5,6 мм (степень твердости М2…М3), а ее среднеквадратичное отклонение h - от 0,29 до 1,25 мм. Объемная деформация кругов w после обжига имела диапазон 0,1…3,2%, а их разновысотность Н=0,01…0,51 мм. Как следствие нестабильности указанных свойств измеренная величина неуравновешенности масс высокопористых кругов имела также большее рассеяние: от 2 до г, из которых 53,3% соответствовали 1 классу неуравновешенности, 40% – 2-му классу и у одного круга величина дисбаланса на 1 г превысила допустимое значение 2 класса.

Данная партия инструмента обрабатывалась по торцам на плоскошлифовальном станке дисками с чугунной дробью при их планетарном движении. Измеренная разновысотность обработанных кругов, как показал корреляционный анализ не коррелированна с другими характеристиками w, hл и h и является статистически независимой величиной. Т.к. твердость и ее стабильность не оказывают влияния на разновысотность Н, то ее рассеяние связано главным образом с точностью и жесткостью исполнительных механизмов станка и условиями базирования обрабатываемого круга.

При постоянном рецептурном составе на неуравновешенность масс круга наибольшее влияние оказывает точностной параметр Н (коэффициент парной корреляции равен 0,724) и значительно меньше влияют параметры, связанные с (R=0,044…0,25).

Регрессионная модель связи неуравновешенности масс с исследуемыми параметрами для рассматриваемой характеристики круга имеет следующий вид Качество данной модели оценивается коэффициентом множественной корреляции 0,819 при средней ошибке расчета в 26,7%. В ней неучтено около 33% других возможных точностных параметров.

В качестве еще одного примера рассмотрим связь неуравновешенности масс для кругов прямого профиля с размерами 500х25х203 одного состава с характеристикой 25А 12П ЗИ33 12К. В результате измерений 13 кругов были установлены следующие диапазоны погрешностей: по разновысотности или параллельности торцев круга Н=0,1…1,4 мм; по овальности наружного диаметра D=0,02…0,1 мм и отверстия d=0,04…0,2 мм; по эксцентриситету (смещение оси отверстия относительно оси окружности периферии круга по величине биения наружного диаметра) е=0,02….1 мм. Акустический контроль показал, что по звуковому индексу ЗИ=32,3…33,6 все круги относятся к одной степени твердости.

Шлифовальные круги с приведенными точностными параметрами имели неуравновешенность масс от 4 до 26 г, в том числе 30,8% инструмента соответствовали 1 классу неуравновешенности, 61,5% - 2 классу и 7,7% - 3 классу.

Корреляционным анализом были установлены взаимосвязи между измеренными параметрами точности и твердости высокопористых кругов, с одной стороны, и степень их влияния на величину неуравновешенности масс, с другой стороны.

Регрессионным анализом получена статистическая модель связи неуравновешенности масс исследованной группы кругов с их параметрами точности и твердости в виде логарифмического линейного полинома ln mD = 55,376 + 0,184 ln H + 0,496 ln D + 0,207 ln d + 0,127 ln e 14,356 ln ЗИ, (9) для которой коэффициент множественной корреляции составил 0,879, а средняя ошибка аппроксимации экспериментальных и расчетных данных 23,4%.

В разработанной модели (9) на величину дисбаланса по степени корреляции примерно одинаковое влияние оказывают все ее параметры (R=0,388…0,523) за исключением овальности отверстия d: для нее коэффициент корреляции с дисбалансом значительно меньше. Также примерно одинаковое влияние от 18 до 32,6% параметров точности и твердости и менее 1% для d получено в результате специальной статистической обработки результатов корреляционного анализа.

На основании полученной расчетной модели (9) можно количественно оценить степень влияния исследуемых параметров точности круга и его твердости по ЗИ на величину неуравновешенности масс.

Для мелкозернистого и более твердого круга 9 структуры 1 450х20х203 с характеристикой 25А 4П СМ2 9 К достаточно полная идентификация его дисбаланса ограничивается тремя точностными параметрами: радиальным биением наружного диаметра круга D, его разновысотностью Н и торцовым биением H. Измерения на 9 кругах указанных параметров дали следующие результаты:

D=0,03…0,25 мм, Н=0,02…0,5 мм, H =0,1…0,4 мм при изменении величины неуравновешенности масс от 2 до 24 г. (диапазон значений 1…3 классов неуравновешенности).

Увеличение всех указанных погрешностей точности формы и размеров поверхностей шлифовального круга приводит к пропорциональному возрастанию его дисбаланса в соответствии с расчетной моделью Хорошее качество ее аппроксимации опытных данных оценивается высоким коэффициентом множественной корреляции 0,832 и средней ошибкой в 39,6% для большого разброса значений m D в 12 раз.

Из полученной корреляционной матрицы можно сделать заключение, что исследуемые параметры точности формы круга коррелированны между собой, но в различной степени. Например, в процессе механической обработки взаимосвязано формирование биения круга по наружному диаметру D и его разновысотности Н (R=0,654). В меньшей степени взаимосвязаны радиальное D и торцовое H биения (R=0,222), а также величина H и Н применительно к одним и тем же поверхностям круга (R=0,315).

По заводскому варианту круги исследуемого типоразмера и характеристики обрабатывались в следующей последовательности: шлифование торцовых поверхностей, наружного диаметра и растачивание отверстия. При шлифовании наружного диаметра набор из нескольких кругов базировался и крепился на оправке по необработанному отверстию, а при растачивании отверстия круг крепился за наружный диаметр в трехкулачковом патроне.

Был предложен вариант повторной механической обработки наружного диаметра этих же кругов с креплением каждого круга за отверстие в трехкулачковом патроне для уменьшения радиального биения D. В результате повторной обработки средняя величина радиального биения партии кругов уменьшилась с 0,42 до 0,1 мм, а средняя величина дисбаланса этой партии снизилась с 21,2 до 17,8 г или почти на 20%.

В пятой главе даны рекомендации по технологии изготовления высокопористых шлифовальных кругов с минимальной неуравновшенностью масс.

С учетом полученных результатов были разработаны рецептурные составы абразивного инструмента на основе выгорающих и невыгорающих порообразователей с выявлением их оптимальных композиций по содержанию абразивного зерна, керамической связки и порообразователей.

При изготовлении высокопористых шлифовальных кругов необходимо учитывать некоторые особенности, связанные с их структурным строением.

Последовательность и режимы выполнения операций, применяемое оборудование и оснастка определяются многими факторами, среди которых основную роль играют материал связки, форма и размер инструмента, серийность производства.

Технологический процесс изготовления шлифовальных кругов, в том числе высокопористого абразивного инструмента, включает следующие основные операции: подготовка исходных материалов, получение абразивной массы путем смешивания исходных материалов, формование абразивных кругов, термическая обработка (сушка, обжиг), механическая обработка, контроль, маркировка и упаковка.

Неоднородный состав и неравномерное распределение формовочной массы в объеме круга приводит к неравномерной и большой по величине деформации круга при спекании, отклонению от заданной степени твердости и увеличению нестабильности твердости и неуравновешенности масс в объеме круга.

Основными требованиями механической обработки кругов с минимальной неуравновешенностью масс являются: единство конструкторских, измерительных и технологических баз; постоянство баз, применяемых для обработки;

применение самонастраивающихся (адаптивных) и самооптимизирующихся технологических систем резания; максимально возможное количество операций переходов за один установ детали и исключение субъективного фактора управления процессом (действия оператора).

При механической обработке шлифовальных кругов в настоящее время наметилась тенденция перехода от технологического принципа дифференциации операций к принципу их концентрации или их совмещения за один – два установа заготовки.

Ранее за каждый отдельный установ заготовки последовательно на разных станках обрабатывались торцы, наружный и внутренний диаметры, выточки и т.д. Теперь современное оборудование позволяет по программе обработать все поверхности шлифовального круга с одной переустановкой.

Практика механической обработки шлифовальных кругов на различных заводах свидетельствует о существовании разных подходов к построению маршрута технологического процесса, выбора баз, схем обработки, режущего инструмента и т.д. Не всегда, по мнению автора, используемые технологические процессы и оборудование соответствуют тем принципам, которые стали аксиомой оптимального достижения требуемой точности обработки в технологии машиностроения.

Эти принципы просты и универсальны и давно эффективно используются при изготовлении высокоточных деталей, более сложных по своей конфигурации, чем все известные шлифовальные круги. К основным принципам можно отнести: единство конструкторских, измерительных и технологических баз; постоянство баз, применяемых для обработки; применение самонастраивающихся (адаптивных) и самооптимизирующихся технологических систем резания; максимально возможное количество операций переходов за один установ детали и исключение субъективного фактора управления процессом (действия оператора).

Применительно к механической обработке шлифовальных кругов повышенная их точность может быть обеспечена точением алмазными резцами с предварительной подготовкой чистовой базы – отверстия круга с последующей обработкой торцов, периферии и различных выточек с базированием только по отверстию.

Параметры режима точения должны быть согласованы с характеристикой обрабатываемого шлифовального круга. На обрабатываемость резанием по величине оптимальной скорости обработки и интенсивности изнашивания алмазного резца большое влияние оказывают материал абразива, его зернистость и твердость.

При точении шлифовальных кругов на основе электрокорунда хромтитанистого, карбида кремния черного и зеленого скорость резания должна быть меньше, чем при обработке кругов аналогичной характеристики на основе электрокорунда белого. С уменьшением зернистости и твердости инструмента также должна снижаться рабочая скорость резания.

Высокопористые круги в сравнении с абразивным инструментом нормальной структуры лучше обрабатываются резанием. Наиболее высокие скорости алмазного точения при минимальной интенсивности изнашивания резца обеспечиваются при обработке высокопористых кругов из электрокорунда белого зернистостью 12…40, твердостью ВМ1…М3 с номерами структуры 10…16.

При проектировании операций механообработки шлифовальных кругов необходимо иметь в виду, что даже хорошо организованная с точки зрения точности обработки операция не устраняет разноплотность в объеме инструмента, которая сформировалась на предшествующих этапах технологического цикла его изготовления. Она может свести к минимуму погрешности форм, размеров и взаимного расположения поверхностей шлифовального круга, которые влияют на его неуравновешенность массы.

Для получения минимально возможного дисбаланса абразивного инструмента надо контролировать качество его изготовления на всех стадиях от навески массы до измерения неуравновешенности.

На ОАО «Азотреммаш» проведены производственные испытания, результатами которых стало внедрение новой технологии формообразования высокоточных зубчатых колес методом профильного глубинного шлифования.

Обработка зубчатых колес ведется на профилешлифовальном станке с ЧПУ модели OPAL 80 фирмы OERLIKON с охлаждением масляной эмульсией. При этом возможна реализация различных случаев профилирования: полный цикл механической обработки за один установ с предварительным нарезанием зубьев на цельной заготовке и последующим окончательным шлифованием, а также чистовое шлифование зубчатого профиля на предварительно обработанных заготовках, прошедших термическую или химико-термическую обработку (улучшение, цементация и закалка). В качестве режущего инструмента правящиеся высокопористые абразивные круги на керамических связках.

С учетом повышенных требований к качеству изготовления абразивных кругов для профильного глубинного шлифования деталей ответственного назначения все круги были изготовлены в соответствии с ГОСТ 2424-83 по классу точности АА и с дисбалансом по 1 классу неуравновешенности масс.

Проведенные производственные испытания подтвердили высокую эффективность и универсальность процесса формообразования зубчатых колес и шлицевых соединений методом профильного глубинного шлифования, а также применение для этих целей высокопористых абразивных кругов на керамических связках.

В настоящее время ОАО «Азотреммаш» при шлифовании зубчатых колес на профилешлифовальном станке модели OPAL 80 фирмы OERLIKON используют высокопористые шлифовальные круги, изготавливаемые в соответствии с рекомендациями данной работы.

В результате выполнения комплекса теоретических и экспериментальных исследований, производственных испытаний и внедрения их результатов решена важная и сложная научно-техническая задача технологического обеспечения изготовления высокопористых шлифовальных кругов с минимальной неуравновешенностью масс для высокопроизводительных процессов шлифования.

Для теоретического прогнозирования величины неуравновешенности масс предложена и обоснована элементная модель строения абразивного инструмента. Из расчетных соотношений элементной модели следует, что неуравновешенность масс зависит от зернистости и номера структуры шлифовального круга, а также от степени влияния этих параметров на его объемную деформацию, которая, в свою очередь, влияет на плотность абразивной массы.

На формирование неуравновешенности масс оказывают влияние две основные причины. Первая причина формирует дисбаланс на микроуровне за счет флуктуаций плотности абразивной массы, которые связаны с ее составом и технологичностью изготовления. На макроуровне за счет формирования разноплотности по объему инструмента дисбаланс образуется изза образования разновысотности при прессовании и смещения центра массы относительно оси отверстия при механической обработке шлифовального круга.

В результате статистического обобщения опытных данных можно сделать заключение, что на формирование дисбаланса высокопористых шлифовальных кругов равное влияние оказывают причины, обуславливающие изменение внутреннего строения инструмента, и причины внешнего воздействия при его механической обработке.

Исследуемый диапазон по характеристикам высокопористых кругов составил: по зернистости от 10 до 40, по объемному содержанию абразива от 0,18 до 0,42 (номера структуры 10…22), по степени твердости от М1 до С1.

Введение невыгорающих и выгорающих порообразователей в объемную структуру высокопористых кругов оказывает большое влияние на их неуравновешенность массы. В зависимости от состава и количества вводимых порообразователей при прочих равных условиях по зернистости, твердости и структуре круга его дисбаланс может изменяться до 3 раз.

Во всем исследованном диапазоне свойств и характеристик высокопористых кругов на основе электрокорунда и карбида кремния доминирующее влияние на формирование дисбаланса и стабильность его значений оказывают содержание абразивного зерна, выгорающего и невыгорающего порообразователей, т.е. основных компонентов рецептурного состава, ответственных за изготовление высокопористого абразивного инструмента.

Предложены расчетные модели формирования дисбаланса при механической обработке шлифовальных кругов, которые учитывают размеры инструмента, его плотность, эксцентриситет относительного смещения оси отверстия от центра масс, разновысотность и другие точностные параметры.

При одной и той же точности обработки высокопористые круги имеют меньшую величину дисбаланса, чем абразивный инструмент нормальной структуры.

Комплексный анализ влияния точностных параметров шлифовальных кругов на величину их дисбаланса показал, что формирование погрешностей обусловлено точностью базирования, принятыми базами и условиями механической обработки. Указанные факторы определяют наличие взаимосвязей между различными параметрами точности шлифовального круга.

8. Разработаны математические модели связи величины дисбаланса круга с его разновысотностью, биением торцевых поверхностей, овальностью отверстия и наружного диаметра, эксцентриситетом и твердостью. С их помощью возможно расчетное прогнозирование величины дисбаланса в зависимости от точности механической обработки высокопористого шлифовального круга.

9. Экспериментально установлено, что при оптимальном назначении схем базирования при токарной обработке шлифовального круга величину дисбаланса можно снизить на 20%. В целом за счет повышения точности механической обработки можно уменьшить неуравновешенность масс высокопористых шлифовальных кругов до 6 раз, и обеспечить их изготовление по 1-му классу неуравновешенности в соответствии с ГОСТ 3060-86.

10. Разработана и освоена в производстве технология изготовления высокопористых шлифовальных кругов с минимальной неуравновешенностью масс.

Технология предусматривает оптимальное время смешивания в зависимости от состава высокопористой абразивной массы и более жесткие требования к качеству операций прессования и механической обработки шлифовальных кругов.

11. В результате внедрения новых высокопористых кругов стало возможным высокопроизводительное и качественное шлифование зубчатых колес с высокой степенью точности (до ст. 3…4) для нужд предприятий нефтехимической, газовой и других отраслей промышленности из различных марок конструкционных легированных сталей, в том числе после химикотермической обработки с модулями от 1 до 16 мм для колес наружного зацепления и m = 1…7 мм для колес внутреннего зацепления с числом зубьев Основные положения диссертации изложены Старков В.К., Големи С. Природа неуравновешенности масс высокопористых шлифовальных кругов // Процессы абразивной обработки, абразивные инструменты и материалы. Труды конференции «Шлифабразив – 2004».

Волжский, 2004. С. 43-48.

Старков В.К., Големи С. Точность формы и неуравновешенность массы высокопористых шлифовальных кругов // Процессы абразивной обработки, абразивные инструменты и материалы. Труды конференции «Шлифабразив – 2005». Волжский, 2005. С. 5-7.

Старков В.К., Големи С. Элементарная модель строения абразивного инструмента // Процессы абразивной обработки, абразивные инструменты и материалы. Труды конференции «Шлифабразив – 2005». Волжский, 2005.

Големи С. Измерительная система для контроля точности изготовления шлифовальных кругов // Процессы абразивной обработки, абразивные инструменты и материалы. Труды конференции «Шлифабразив – 2004».

Волжский, 2004. С. 262-264.

Старков В.К., Рябцев С.А., Големи С. О роли дисбаланса в формировании прочностных характеристик шлифовальных кругов // Конструкторскотехнологическая информатика. Труды V международного конгресса. – М.:

ИЦ ГОУ МГТУ «Станкин», «Янус-К», 2005. С. 213-214.

Големи С., Старков В.К. Состав для изготовления высокопористого абразивного инструмента. Патент ЧР. CZ 14772 U1 B24 D3/34, 3/00. 2004.