Научный журнал

Фундаментальные исследования

ISSN 1812-7339

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,674

• Авторы
• Резюме
• Файлы
• Ключевые слова
• Литература

Ардашев Д.В. 1

---

1 Филиал ФГБОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет»

Современное машиностроение функционирует в условиях жесткой конкуренции и характеризуется постоянным обновлением выпускаемой продукции. В этих условиях особенно остро стоит вопрос сокращения всевозможных расходов на технологическую подготовку производства. Наиболее производительным процессом чистовой обработки деталей машин является шлифование, однако вопрос выбора абразивного инструмента и назначения режимов его работы в настоящее время не решен: абразивный инструмент нередко подбирается наугад, либо в работу принимается тот инструмент, который установлен на станке. Это вызвано широким диапазоном применимости абразивного инструмента – шлифование разных марок сталей и сплавов, а также достижение различной точности обработки. В статье предлагается принципиально новый подход к проектированию операций абразивной обработки: на основе данных об эксплуатационных возможностях инструментов создается континуальное пространство эксплуатации, в котором подбирается характеристика абразивного инструмента во взаимосвязи с режимами его работы и параметрами выполнения операции шлифования.

Статья в формате PDF

335 KB

шлифование

проектирование операций шлифования

режимно-инструментальное оснащение

технологический эксплуатационный паспорт шлифовального круга

прогнозирование работоспособности абразивного инструмента

1. Ардашев Д.В. Комплекс показателей оценки эксплуатационных свойств шлифовальных кругов // Технология машиностроения. – 2010 – № 9. – С. 30–33.

2. Ардашев Д.В. Комплексное описание эксплуатационных возможностей шлифовальных кругов // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Машиностроение. – 2012. – № 33. – С. 113–116.

3. Ардашев Д.В. Основы групповой технологии шлифования // Вестник машиностроения. – 2012. – № 11. – С. 54–55.

4. Ардашев Д.В. Режимно-инструментальное оснащение проектирования групповой технологии операций шлифования // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. – Орел, 2011. – № 4/2(288) – С. 14–19.

5. Ардашев Д.В., Кошин А.А. Система измерения эксплуатационных показателей абразивного инструмента // Патент России № 107996. – 2011. –Бюл. № 25.

6. Ардашев Д.В., Кошин А.А., Чаплыгин Б.А. Система измерения эксплуатационных показателей абразивного инструмента // Патент России № 97078. – 2010. – Бюл. № 24.

7. Ардашев, Д.В. Термомеханическая усталость абразивного зерна // Металлообработка. – 2012. – № 4. – С. 2–4.

8. Ардашев, Д.В. Химическое сродство абразивного и обрабатываемого материалов // Металлообработка. – 2011. – № 6. – С. 29–32

9. Общемашиностроительные нормативы режимов резания для технического нормирования работ на металлорежущих станках. – Ч. 3 Протяжные, шлифовальные и доводочные станки. – 3-е изд. –1978. – 360 с.

10. Режимы резания на работы, выполняемые на шлифовальных и доводочных станках с ручным управлением и полуавтоматах: справочник / Д.В. Ардашев, Д.Е. Анельчик, Г.И. Буторин и др. – Челябинск: Изд-во АТОКСО, 2007. – 384 с.

11. Ардашев Д.В., Кошин А.А. Дьяконов А.А Стенд для исследования взаимодействия инструмента и образца при высокоскоростных методах обработки // Патент России № 113362. – 2012. – Бюл. № 4.

12. Ardashev D.V. Standardization of grinding wheels // Russian Engineering Research, Allerton Press Inc. – 2011. – Vol. 31, № 9. – P. 910–912.

13. Ardashev D.V. Two-parameter assessment of grinding wheel performance // Russian Engineering Research, Allerton Press Inc. – 2010. – Vol. 30, № 7. – P. 705–707.

В настоящее время задача проектирования операций шлифования решается по нормативным справочникам, в основе которых заложен типовой алгоритм решения технологических задач проектирования операции шлифования: все рекомендации по выбору характеристики круга и режимов шлифования представлены для обработки одного материала – стали 45, на измененные условия обработки введены поправочные коэффициенты [9, 10]. Для обработки заготовок разных деталей, отличающихся материалом, требованиями по точности и шероховатости, нормативы рекомендуют другую характеристику шлифовального круга и режимы шлифования, т.е. нормативы представляют собой строго детерминированные рекомендации, конкретные для каждого шлифуемого материала, наилучшие условия использования круга конкретной характеристики.

Описанные рекомендации применимы в условиях массового производства деталей машиностроения: для изготовления партий больших объемов, при редком изменении ассортимента выпускаемой предприятием продукции действительно выгодно при освоении нового вида продукции затрачивать вспомогательное время на подготовку производства – заменять установленные шлифовальные круги на рекомендуемые справочниками, осуществлять их длительную правку и многократную балансировку. Эффективность операций, спроектированных по таким рекомендациям, обеспечивается применением наилучшей характеристики инструмента, рекомендованной для обработки конкретной заготовки.

Мировое машиностроение развивается в условиях быстрой и частой смены деталей, обрабатываемых малыми партиями. В связи с этим в настоящее время на машиностроительных предприятиях кругом одной характеристики, установленной на станке, обрабатывают большое количество деталей, отличающихся как требованиями чертежа, так и материалом. Поскольку в настоящее время отсутствуют рекомендации по проектированию операций шлифования различных деталей кругом одной характеристики, то для успешного функционирования машиностроительного производства в современных рыночных условиях необходим совершенно иной подход к проектированию операций шлифования.

Кроме того, задача выбора характеристики шлифовального круга в этих условиях приобретает несколько иную значимость: на этапе проектирования операции абразивной обработки при выборе необходимо подобрать такую характеристики инструмента, которая позволила бы с наименьшим падением производительности процесса обработать как можно большее количество заготовок, различающихся не только требованиями качества, но и исходным материалом.

Постановка проблемы

В современном машиностроении отсутствует методическая база для проектирования операций абразивной обработки, т.к. область эффективного использования инструмента в изменяющихся технологических условиях не определена, либо определяется эмпирическим путем, что для успешного функционирования предприятия недостаточно.

В основу создаваемой информационно-методической базы проектирования операций абразивной обработки для условий многономенклатурного производства должна быть положена взаимосвязь между эксплуатационными показателями шлифовальных кругов через режимы их эксплуатации с выходными показателями процесса шлифования – качеством обработанной детали. Для этого необходимы сведения о работоспособности абразивных инструментов в изменяющихся технологических условиях – эмпирические либо расчетные.

Для получения эмпирических численных значений эксплуатационных показателей кругов был разработан испытательный стенд, оборудованный специальными регистрирующими контурами [5, 6].

Была разработана функциональная характеристика, представляющая собой технологические эксплуатационные паспорта шлифовальных кругов [1–3] и позволяющая решать ряд важнейших технологических задач [4, 12, 13]:

• сравнение инструментов разных характеристик либо производителей без проведения сравнительных или тестовых испытаний;

• определение эффективного времени работы круга – периода его стойкости в различных технологических условиях;

• назначение режимов шлифования;

• определение стабильности выходных показателей процесса шлифования и др.

Поскольку разработанные паспорта созданы в условиях шлифования заготовок из стали 45, то в настоящее время стоит задача разработки прогнозных моделей, позволяющих расширить применение эталонного паспорта для проектирования операций шлифования различных сталей и сплавов. Система прогнозирования эксплуатационных абразивных инструментов позволит расчетным способом наполнять и постоянно обновлять информационную базу для проектирования операций шлифования.

Основным параметром процесса шлифования, в значительной степени влияющим на выходные показатели процесса шлифования, является износ шлифовального круга, следовательно, при разработке прогнозных моделей необходимо, прежде всего, учесть интенсивность и величину различных механизмов износа шлифовального круга.

Решение поставленных задач. Обсуждение результатов

В качестве основных механизмов износа были выделены два основных – механический (усталостный) и физико-химический.

Для исследований усталостной прочности абразивных зерен был выбран ряд сталей и сплавов, прошедших термическую обработку, соответствующую операциям шлифования. Испытания проводились на образце, предварительно нагретом до температур 20, 200, 400, 600 °С. В качестве индентора принималось единичное зерно формокорунда, имитировался шлифовальный круг и на образце наносились риски [11].

Для количественного определения износа единичных абразивных зерен измерялись следующие выходные параметры процесса:

• величина радиального износа зерна y за все время микрорезания, мм;

• количество циклов нагружения n за все время микрорезания, шт;

• суммарная длина контакта абразивного зерна с материалом f, мм;

• коэффициент термомеханической усталости, рассчитываемый по формуле

(1)

• коэффициент истирания, рассчитываемый по формуле

(2)

Результаты измерений показателей взаимодействия зерен с обрабатываемым материалом приведены в табл. 1. Износ абразивных зерен и коэффициент термомеханической усталости рассчитывался по результатам трехкратных повторов испытаний при каждой температуре образца [7].

Характер изменения интенсивности износа абразивных зерен из белого электрокорунда при обработке второй группы исследуемых материалов – высоколегированных сталей – примерно одинаков: изменение концентраций никеля и титана изменяют лишь величину интенсивности примерно в 1,5 раза.

Таблица 1

Результаты испытаний

Исследование физико-химического взаимодействия абразивного и обрабатываемого материала выполнялось с применением электронного сканирующего микроскопа JSM 6460LV (JEOL, США) с использованием энергодисперсионной приставки, позволяющей провести полный качественный и количественный химический анализ в выбранных точках, а также получать карты распределений элементов по площади и вдоль выбранной линии.

В качестве исследуемых образцов были изготовлены кубики из электрокорунда белого. Кубики вводились в контакт с плоскими образцами из различных марок сталей, помещались в печь, нагревались до 1000 °С, выдерживались и охлаждались на воздухе [8].

Одним из наиболее важных факторов, отличающих шлифование от других методов механической обработки, является кратковременность контакта отдельного абразивного зерна с обрабатываемы материалом – порядка 2∙10–5 с, однако, как это ни странно, именно этот факт в значительной степени повышает вероятность протекания диффузионных и реакционных процессов в зоне шлифования: наибольшая скорость взаимного растворения контактирующих веществ наблюдается при значительном сокращении времени их контакта. Это объясняется, прежде всего, значительным градиентом концентраций контактирующих веществ друг в друге: в электрокорунде отсутствует железо, а в рассматриваемых сталях нет алюминия.

Поскольку процессы, протекающие между абразивным и обрабатываемыми материалами, не ограничиваются взаимодействием только железа и алюминия, а представляют собой более сложные химические взаимодействия, обусловленные наличием и концентрациями легирующих элементов в стали, то для описания взаимосвязи толщины диффузионной прослойки и времени контакта материалов можно применить параболический закон Фика.

При расчете величины коэффициента химического сродства D использовалась величина толщины диффузионной прослойки x, измеренная по химическому спектру, полученному при химическом анализе вдоль линии. Физический смысл коэффициента сродства аналогичен смыслу коэффициента диффузии: это коэффициент пропорциональности, характеризующий диффузионный поток между сталью и электрокорундом при градиенте концентраций последних на границе их контакта (табл. 2).

Таблица 2

Коэффициенты химического сродства электрокорунда белого с различными обрабатываемыми сталями

Таким образом, выполненные экспериментальные исследования по химическому взаимодействию обрабатываемого и абразивного материала позволяют утверждать, что в контакте абразивного зерна с обрабатываемым материалом синтезируется третье вещество. Рассчитанные коэффициенты химического сродства абразивного и обрабатываемого материала позволят разработать обобщенную модель износа шлифовального круга, учитывающую его физико-химический механизм.

Обобщая, можно заключить, что для успешного функционирования мирового машиностроения и реализации ресурсосберегающей энергоэффективной технологии абразивной обработки необходимо:

1. На основе учета различных механизмов износа абразивных зерен разработать математическое обеспечение в виде прогнозных моделей для основных показателей работоспособности абразивных инструментов.

2. На основе прогнозных моделей создать информационное пространство эксплуатационных возможностей абразивных инструментов, эксплуатирующихся в различных технологических условиях.

3. Разработать методологическую основу инновационного режимно-инструментального оснащения операций абразивной обработки для условий многономенклатурного производства.

4. Создать единую методику проектирования операций абразивной обработки – выбор характеристики инструмента и режимов обработки – на основе учета взаимосвязи эксплуатационных возможностей инструмента, технологических условий его эксплуатации и выходных показателей выполнения операции шлифования.

Решение обозначенных выше задач позволит разработать современные функциональные интерактивные справочники режимов абразивной обработки, позволяющие проектировать эффективные шлифовальные операции и эксплуатировать абразивные инструменты в широком диапазоне технологических условий многономенклатурного производства.

Визуализация информационного пространства проектирования эффективных операций абразивной обработки представлена на рисунке в виде участка континуального пространства, в котором содержатся все сведения, необходимые для проектирования операций абразивной обработки в современных условиях мирового машиностроения.

Пространство представляет собой множество решений – технологических эксплуатационных паспортов шлифовальных кругов, представленных в виде объемных призм. В основе призмы лежит равносторонний треугольник: количество вершин основания призмы равно количеству основных параметров характеристики круга, изменяющихся и учитываемых при построении пространства – материал зерна, зернистость, твердость. Центральная ось призмы – ось времени, учитывает временную нестационарность и изменчивость величин эксплуатационных показателей. Изменение величин эксплуатационных показателей представлено в виде осей, расположенных попарно на каждой стороне основания призмы.

Фрагмент континуального информационного пространства режимно-инструментального оснащения операций абразивной обработки

Таким образом, задача разработки современного ресурсосберегающего режимно-инструментального оснащения операций абразивной обработки, осуществляемых в условиях многономенклатурного производства, может быть решена при помощи создания пространства для проектирования таких операций, которое позволит:

1. Выбирать характеристику абразивного инструмента для обработки группы деталей, изготовленных из материалов, схожих по химическому составу (конструкционные, хромоникелевые, марганцовистые и др. стали).

2. Одновременно назначать технологические режимы эксплуатации абразивного инструмента выбранной характеристики, обеспечивающих требуемый уровень эксплуатационных показателей. При этом критерием оптимальности может служить любой из эксплуатационных показателей, представленных в технологическом паспорте.

Рецензенты:

Переверзев П.П., д.т.н., профессор кафедры технологии машиностроения, ФГБОУ ВПО «ЮУрГУ» (НИУ), г. Челябинск;

Дубровин В.К., д.т.н., доцент кафедры технологии обработки материалов, филиала ФГБОУ ВПО «ЮУрГУ» (НИУ), г. Кыштым.

Работа поступила в редакцию 07.05.2013.

Библиографическая ссылка