Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Служебное назначение, условия работы и ТУ на изготовление рабочей поверхности корпуса гидротолкателя. Технологические проблемы достижения заданных ТУ

1.1 Служебное назначение и условия работы гидротолкателя

1.2 Условия эксплуатации гидротолкателя, физико-механические характеристики материала корпуса

1.3 Технологические проблемы достижения заданных ТУ

2. Литературный обзор и анализ влияния условий обработки и характеристик абразивного инструмента на формирование геометрических и физико-механических показателей качества поверхности на операциях торцевого шлифования. Выводы из обзора и постановка задач исследования

2.1 Литературный обзор и анализ влияния условий обработки и характеристик абразивного инструмента на формирование геометрических и физико-механических показателей качества поверхности на операциях торцевого шлифования

2.2 Выводы из обзора и постановка задач исследования

3. Аналитическое описание траекторий движения зерен шлифовального круга при торцевом шлифовании

3.1 Аналитическое описание траекторий движения абразивных зерен, расположенных на радиусах круга R_i в диапазоне (R_min ? R_i ? R_ср)

3.2 Поворот траекторий движения зерен

3.3 Исследование формирования шероховатости поверхности по радиусу детали

4. Теоретическое прогнозирование формирования шероховатости поверхности при торцевом шлифовании в зависимости от формы рабочей поверхности абразивных зерен

5. Обсуждение результатов исследований, выводы и рекомендации

Список использованных источников

Введение

гидротолкатель абразивный шлифование шероховатость

Насыщенность современной техники комплексом взаимосвязанных автоматизированных агрегатов и систем требует безотказной работы всех деталей и узлов в течение заданного ресурса. В решении этой задачи большую роль играет повышение качества продукции машиностроения путем непрерывного совершенствования конструкций и технологии изготовления машин.

При общей тенденции в машиностроении к уменьшению удельного веса механической обработки, а также в результате все более широкого применения высоколегированных и жаропрочных сталей и сплавов, обработка резанием которых затруднена, возрастает объем применения шлифовальных операций. Шлифование является основным способом чистовой обработки деталей машин. Шлифованием достигается высокая точность форм и размеров деталей, высокий класс шероховатости обработанных поверхностей, что определяет их износостойкость, а, следовательно, и качество машин.

Очевидно, что прогресс машиностроения в известной мере зависит от возможностей получения более точных деталей с более высоким классом шероховатости поверхности и более износостойким поверхностным слоем.

Содержание выполненной работы посвящено аналитическому прогнозированию формирования геометрических показателей качества поверхности (шероховатости) при торцевом абразивном шлифовании корпуса гидротолкателя абразивным инструментом на станках «Supfina».

1. Служебное назначение, условия работы и ТУ на изготовление рабочей поверхности корпуса гидротолкателя. Технологические проблемы достижения заданных ТУ

1.1 Служебное назначение и условия работы гидротолкателя

Гидротолкатель (рис.1.1) предназначен для автоматической компенсации зазоров клапанного механизма двигателей автомобилей марки «ГАЗ».

Гидротолкатели этого типа установлены на 70% двигателей, разработанных и разрабатываемых в последнее время на ведущих Европейских автомобильных предприятиях.

К достоинству таких устройств можно отнести простоту конструкции, по сравнению с предыдущими модификациями, а также надежность гидротолкателя при работе в двигателе и экономическую эффективность от реализации. Как и всякая деталь гидротолкатель имеет преимущества и недостатки.

К преимуществам относятся:

- отсутствие необходимости в регулировке установке зазора;

уменьшение износа деталей двигателя;

понижение шумности двигателя;

- обеспечение постоянных промежутков времени впуска и выпуска рабочей смеси; понижение, за счет этого, содержания вредных примесей в выхлопных газах.

К недостаткам относятся:

- незначительное уменьшение жесткости привода

- незначительное увеличение потерь мощности на трение (от I до 5% - в зависимости от конструкции привода).



Рис.1.1 Гидротолкатель

Гидротолкатель входит в цепочку газораспределительного механизма двигателя автомобиля ГАЗ-3110 «Волга» и автоматически обеспечивает беззазорный контакт кулачков распределительного вала с клапанами, компенсируя тепловое расширения и износ сопрягаемых деталей: кулачков, торцев корпуса гидротолкателя, корпуса компенсатора, клапана, фасок седел и тарелок клапанов.

Привод распределительных валов цепной, двухступенчатый. Первая ступень от коленчатого вала на промежуточный вал, вторая ступень от промежуточного вала на распределительные валы. Распределительные валы вращаются в два раза медленнее коленчатого.

Клапаны приводятся в движения от распределительного вала через гидротолкатель, для которых выполнены направляющие отверстия в головке цилиндров.

Гидротолкатель состоит из стального корпуса 2 (рис.1.2), который выполнен в виде цилиндрического стакана, внутри которого помещен компенсатор с обратным шариковым клапаном. На наружной поверхности корпуса выполнена канавка и отверстие для подвода масла внутрь толкателя из магистрали в головке цилиндров. Для повышения износостойкости наружная поверхность и торец корпуса гидротолкателя нитроцементированы и термообработаны.

Гидротолкатели устанавливаются в расточенные в головке цилиндров отверстия диаметром 35 мм между торцами клапанов и кулачками распределительных валов.

Компенсатор размещен в направляющей втулке 1, установленной и приваренной внутри корпуса гидротолкателя, и удерживается стопорным кольцом 3. Компенсатор состоит из поршня 5, опирающегося изнутри на донышко корпуса гидротолкателя, и корпуса 4, который опирается на торец клапана. Между поршнем и корпусом компенсатора устанавливается пружина 7, раздвигающая их и тем самым выбирающая возникающий зазор. Одновременно пружина 7 прижимает колпачок обратного шарикового клапана 6, размещенного в поршне. Обратный шариковый клапан пропускает масло из полости корпуса гидротолкателя в полость компенсатора и запирает эту полость при нажатии кулачка распределительного вала на корпус гидротолкателя.

Работает гидротолкатель следующим образом: при нажатии кулачка распределительного вала на торец корпуса гидротолкателя 2 (открытие клапана) шариковый клапан 6 закрывается, запирая находящееся внутри компенсатора масло, которое становится рабочим телом, через которое передается усилие и движение от кулачка к клапану.

При этом часть масла перетекает через зазор в плунжерной паре компенсатора в полость корпуса гидротолкателя, и поршень 5 несколько вдвигается в корпус компенсатора 4. При закрытии клапана, когда снимается усилие с гидротолкателя, пружина 7 компенсатора прижимает поршень 5 и корпус гидротолкателя 2 к цилиндрической части кулачка (затылку), выбирая зазор, шариковый клапан 6 в компенсаторе открывается, впуская в полость компенсатора масло, после чего цикл повторяется [1].



Рис. 1.2 Схема гидротолкателя

I - направляющая втулка компенсатора;

2 - корпус гидротолкателя

3 - стопорное кольцо;

4 - корпус компенсатора;

5 - поршень компенсатора;

6 - обратный шариковый клапан;

7 - пружина.

1.2 Условия эксплуатации гидротолкателя, физико-механические характеристики материала корпуса

Гидротолкатель работает в условиях высокого давления масла в масленой магистрали, высокой температуры и в условиях постоянного трения. В связи с этим рабочие поверхности корпуса гидротолкателя должны обладать высокой термостойкостью, износостойкостью, контактной прочностью, которые обеспечиваются выполнением его из стали 15ХГЮА и термообработкой рабочих поверхностей до твердости: цементируемого слоя 56 HRC_э; сердцевины 26...41,5 HRC_э. Химический состав и физико-механические характеристики стали 15ХГЮА приведены в табл. 1.1 и табл.1.2.

Таблица 1.1 Химический состав в %

Сталь	С	Мn	Сг	Al
15ХГЮА	0,12 - 0,18	0,80 - 1,10	0,70 - 1,00	0,70 - 1,10

Таблица 1.2 Характеристики механических свойств

Сталь	0,2, МПа	в, МПа	, %	%	КСИ, МДж/м2
15ХГЮА	500	700	12	45	0,7

Условия эксплуатации гидротолкателя:

Настоящие технические условия (ТУ) распространяются на гидротолкатели, предназначенные для автоматической компенсации зазоров клапанного механизма двигателей автомобилей, а также поставляемые запасные части к ним и рассчитанные на эксплуатацию при температуре окружающего воздуха от минус 40⁰ до плюс 45⁰С и влажности до 90% при температуре плюс 27⁰С.

1. Гидротолкатели должны быть заправлены маслом моторным универсальным для автомобильных карбюраторных двигателей M-53/IOR1 ГОСТ 10541-78;

2. Давление рабочей жидкости, подводимой к гидротолкателю от системы смазки двигателя - 0,5...5 кгс/см²;

3. Температура рабочей жидкости: рабочая - -20°С...+90°С, предельная- -45°С...+150°С;

4. Чистота рабочей жидкости на входе в гидротолкатель обеспечивается фильтрацией через установленный в системе смазки двигателя фильтр с тонкостью фильтрации 25...30 мкм.

1.3 Технологические проблемы достижения заданных ТУ

Рабочими поверхностями корпуса гидротолкателя являются наружная, внутренняя цилиндрические поверхности и торцевая поверхность. Неправильный выбор режимов резания, а также неправильный подбор режущего инструмента, может повлиять на возникновение больших внутренних напряжений по контуру детали, что может привести к дефекту гидротолкателей, как во время дальнейшей обработки, так и во время сборки, испытаний и эксплуатации. Деталь является тонкостенной (толщина стенки ~1,5 при наружном диаметре 30 мм) и поэтому обработку необходимо вести с небольшими режимами резания во избежание ее нагрева, что может привести к короблению детали. После всех операций техпроцеса производится соответствующий контроль по замеру соответствия размеров и формы изготовленной детали конструкторским требованиям, что исключает возможность передачи деталей не соответствующих заданным параметрам на последующие операции механической обработки.

Технические условия на точность изготовления, точность взаимного расположения и шероховатость рабочих поверхностей корпуса гидротолкателя приведены на рис.1.3. Основными из них являются следующие: по наружному диаметру Д (ш 30[/О/ [0,004], Ra 0.32), по торцу (сферическая поверхность [Т0,004], Ra 0,32, биение относительно поверхности А 0,02). Жесткие требования по указанным параметрам точности взаимного расположения и шероховатости рабочих поверхностей корпуса компенсатора определяют ряд технологических проблем по существующему маршруту изготовления корпуса компенсатора.

Обработка корпуса гидротолкателя происходит на торце шлифовальном станке немецкой фирмы “Supfina”. Со временем происходит износ импортных немецких абразивных кругов и возникает необходимость в переходе на отечественный инструмент для обработки сферической поверхности. Поэтому возникает необходимость в прогнозировании формирования шероховатости по данной схеме торцового шлифования в зависимости от характеристик отечественного абразивного инструмента и определение рациональной удовлетворяющей требованиям по шероховатости торца корпуса гидротолкателя.

2. Литературный обзор и анализ влияния условий обработки и характеристик абразивного инструмента на формирование геометрических и физико-механических показателей качества поверхности на операциях торцевого шлифования. Выводы из обзора и постановка задач исследования

2.1 Литературный обзор и анализ влияния условий обработки и характеристик абразивного инструмента на формирование геометрических и физико-механических показателей качества поверхности на операциях торцевого шлифования

Шлифование - процесс массового скоростного микрорезания (царапания) поверхностных слоев твердых тел большим числом мельчайших шлифующих зерен, сцементированных в инструмент с помощью связки; процесс протекает на высоких скоростях: наиболее часто до 50 м/с и в отдельных случаях и выше. Процесс шлифования используют для придания изделиям высокой точности, а также для предварительной обработки заготовок.

Шлифование как метод чистовой обработки материалов обеспечивает: высокую производительность, определяемую размером поверхности детали обработанной в единицу времени; высокую геометрическую точность, форму деталей, например, нецилиндричность деталей в пределах 2-3 мкм, некруглость 0,4-0,5 мкм и меньше; высокий класс шероховатости обработанной поверхности; высокое качество поверхностного слоя. Высокое качество деталей, обработанных шлифованием, является результатом снятия с детали огромного числа тончайших стружек и малыми силами, развивающимися в процессе обработки.

Особенности шлифовального инструмента - беспорядочное расположение зерен на его рабочей поверхности. На рабочей поверхности любого шлифовального инструмента (круга, бруска и др.) зерна А, В, С, Д и другие расположены беспорядочно в виде мельчайших «островков», окруженной связкой (рис.2.1). Такое расположение зерен создает прерывистую режущую кромку и обеспечивает большую или меньшую разновысотность зерен.

Рис.2.1. Схемы расположения шлифующих зерен на рабочей поверхности шлифовального круга:

а - беспорядочное (l₁ ? l₂ ? l₃ ? … ? l_n);

б - разновысотное (R₁?R₂?R₃?…?R_n)

Рассмотрим работу шлифовального круга. У шлифовального круга вершины зерен всегда имеют различное радиальное расположение относительно некоторого идеального диска (R₁?R₂?R₃?R₄ и т.д.), что обеспечивает различную нагрузку на отдельные шлифующие зерна в процессе шлифования. Возможен случай, когда стружку снимают одновременно несколько режущих элементов данного шлифующего зерна.

Разновысотность зерен, наличие у круга неточностей геометрической формы (бочкообразности, конусности и др.), а также некоторого его биения не позволяют обеспечить равномерной нагрузки всех зерен круга. Наиболее нагруженными являются выступающие зерна (режущие и давящие), а многие невыступающие зерна определенное время не работают. Лишь естественный износ выступающих зерен или новая правка круга вводит в работу эти зерна.

В работающем шлифовальном круге имеются режущие, давящие и нережущие зерна, причем общее число зерен в круге

Z = z_р + z_д +z_н ,

где z_р - число режущих зерен, z_д - число давящих зерен, z_н - число нережущих зерен.

Принимая z =100%, z_р + z_д = 22%, z_д +z_н = 90% и z_р =10%, получим: для определенных условий абразивного шлифования 78% абразивных зерен являются нережущими, 12% - давящими и только 10% - режущими.

В связи с беспорядочным расположением зерен, их разновысотностью и различными расстояниями между ними, в процессе шлифования будут переменными: подачи на зерно, фактические глубины резания зернами, толщины срезов отдельными зернами.

При шлифовании глубина резания t_z зерном является величиной, близкой к поперечной подаче на зерно S_Z, т.е. к подаче зерна, обеспечивающей его врезание в обрабатываемый материал.

Под срезом понимается толщина слоя, снимаемая одним шлифующим зерном (a_Z) - расстояние между поверхностями резания (царапания), образованными двумя последовательными положениями вершины зерна, измеренное по нормали к поверхности резания.

Величина a_Z, характеризующая нагрузку на шлифующее зерно, влияет на процесс шлифования. От толщины слоя, снимаемого одним шлифующим зерном, зависят: затупление зерен (стойкость круга), сила резания, развиваемая одним зерном, шероховатость шлифованной поверхности, мгновенная температура в зоне работы зерна и др. Чем больше величина a_Z, тем глубже проникают шлифующие зерна в обрабатываемый материал, тем больше износ зерен и связки. Влияние толщины слоя, снимаемого одним зерном на процесс шлифования исключительно велико, причем при изменении a_Z изменяется режим работы круга и условия шлифования.

Беспорядочное расположение шлифующих зерен на рабочей поверхности круга обеспечивает различную конфигурацию и размеры срезов, снимаемых отдельными зернами. Для абразивного круга форма и размеры срезов зависят от режима резания, например отношения окружных скоростей х_д/х_кр.

При шлифовании наиболее типичными являются три формы снимаемых слоев - стружек: ленточные, запятообразные и сегментообразные. Наиболее часто встречается ленточная стружка, реже - запятообразная стружка. При постоянной окружной скорости круга увеличению окружной скорости детали соответствует возрастание подачи на шлифующее зерно и переход формы снимаемого слоя от запятообразного в сегментообразный. В реальном процессе шлифования основная масса снимаемых слоев будет иметь самую различную промежуточную форму. [2].

Шлифование плоскости имеет некоторые технологические особенности. В настоящее время предъявляются большие требования к точности плоскости характеризуемой прямолинейностью в различных направлениях. Кроме того, часто необходимо уложиться в очень узкий допуск на такие пространственные отклонения, как параллельность или перпендикулярность к другим плоскостям или осям.

Как известно, в настоящее время существуют два метода обработки плоскости:

1) периферией круга;

2) торцом круга.

Нужно отметить, что, несмотря на широкое распространение в промышленности плоского шлифования торцем круга, до настоящего времени мало опубликовано материалов по исследованию этого процесса. В то же время он имеет ряд принципиальных характерных особенностей.

Для предварительного шлифования в целях повышения производительности за счет лучшего использования режущих свойств рабочей поверхности круга ось последнего несколько поворачивают. При этом каждое абразивное зерно в любой момент встречается со «свежим» металлом. Попадание зерен в старые царапины маловероятно, что значительно повышает съем металла в единицу времени.

Наклон оси круга рассчитывается с учетом снимаемого припуска. При таком положении создаются условия, при которых сохраняется плоскостность рабочего торца круга, хотя на первый взгляд кажется, что условия для этого не благоприятные. Абразивные зерна, находящиеся ближе к периферии круга, имеют большую скорость, чем зерна, расположенные на средних участках его торцовой поверхности. Поэтому средние участки торца должны быстрее изнашиваться, так как абразивные зерна снимают здесь более толстые стружки, что вызывает увеличение сил резания, действующих на каждое зерно, и, следовательно, более быстрое выкрашивание их из связки. Зерна на периферийной части торца, работая на повышенных скоростях, срезают более тонкие стружки, и всвязи с чем силы резания, действующие на каждое зерно, здесь меньше, чем в первом случае, и зерна дольше удерживаются в связке. На этих участках круг ведет себя как более твердый. Можно сказать, что эти участки обладают большей режущей способностью и при равных условиях следовало бы ожидать меньшего износа. Казалось бы, что торец круга должен стать вогнутым. В действительности этого не происходит.

Если представить образование вогнутости, то абразивные зерна, находящиеся ближе к периферии, будут наносить царапины на «свежих» участках обрабатываемой поверхности. По мере удаления от периферии зерна будут наносить царапины по уже прорезанным участкам. Следовательно, значительная часть зерен будет попадать на прорезанные царапины. Поэтому по мере приближения к оси вращения круга усиливается разгрузка абразивных зерен и уменьшается износ, что противодействует образованию вогнутости.

Итак, несмотря на различие режущей способности, вызванное различной окружной скоростью абразивных зерен па торце круга, все же фактическая работа резания между отдельными зернами значительно выравнивается. Создаются условия для самоподдержания первоначальной плоской формы торца, созданной правкой. Время от правки до правки увеличивается.

Вполне понятно, что при чистовых операциях угол поворота очень мал. Для установки таких углов современные плоскошлифовальные станки не приспособлены. Нужно создать узлы тонкой регулировки этих углов по соответствующим шкалам.

Получение шлифованной плоской поверхности сопровождается чаще всего образованием так называемой «сетки», что говорит о хорошей точности прошлифованной плоскости.

Рис.2.2 Схема образования сетки на шлифуемой плоскости при работе торцом круга: 1 - магнитный стол, 2 - шлифуемая деталь; 3 - шлифовальный круг

Предположим, что на круглом магнитном столе 1 (рис.2.2) установлены обрабатываемые детали 2. При вращении стола эти детали придут в соприкосновение с кругом 3 в точке с, и здесь начинается шлифование. Следы резания-царапания будут параллельны следу ab. При повороте стола на угол б деталь придет в соприкосновение с противоположной стороной круга в точке k. При этом абразивные зерна начнут шлифовать обрабатываемую поверхность в другом направлении. Следы отдельных резцов-царапин будут примерно параллельны следу dl. Легко убедиться, что следы царапин, образовавшиеся при проходе детали под кругом, и будут образовывать сетку. Если снимаемые припуски большие, следы резания левой (входной) стороной круга полностью удаляются и вновь образуются правой (выходной) стороной круга; тогда сетка не создается, а сама шлифованная поверхность не будет плоскостью.

Если смотреть по направлению прохождения деталей в рабочей зоне, то можно представить, что после выхода их из-под передней стороны круга (входной) шлифованные поверхности получаются выпуклыми. Следовательно, чем больше поворот оси шпинделя, тем большей будет вогнутость на шлифованной поверхности. Наличие сетки говорит о том, что на поверхности остались следы oт резания входной и выходной сторонами круга. Значит, в большинстве случаев можно полагать, что отклонения от идеальной плоскости лежат в пределах высоты шероховатостей при шлифовании. Отсутствие же сетки свидетельствует о значительно большем отклонении от идеальной плоскости (т. е. величина отклонений от идеальной плоскости выходит за пределы высоты гребешков). Исходя из сказанного, можно считать, что при предварительных операциях конечное формирование поверхности осуществляется выходным краем круга, а при чистовых -- почти всей торцовой поверхностью круга.

Магнитный стол с установленными на нем деталями осуществляет круговую подачу, скорость которой в 40--50 раз меньше скорости вращения шлифовального круга. Представим, что какой-то элементарный участок поверхности детали а (рис.2.3), соприкасаясь с абразивной торцовой поверхностью круга, перемещается со скоростью круговой подачи по дуге АВ, которая пересечет одну из сторон шлифовального круга по дуге bс. Следовательно, элементарный участок шлифуемой поверхности пройдет зону, где скорость абразивных зерен будет изменяться от максимальной в точке b до минимальной в точке с (рассматриваем процесс при прохождении детали с одной стороны круга). В диаметрально противоположной стороне процесс аналогичный, но протекать он будет в обратном порядке.

В какой-то момент движения исследуемого элементарного участка через сечение bс пройдут несколько рядов абразивных зерен, лежащих па радиальных лучах. Совместим мысленно эти ряды зерен и плоскость bс и получим абразивный контур (рис.2.3). Поскольку в направлении от b к с окружная скорость уменьшается, режущий контур будет как бы плотнее в периферийной части круга и менее плотным в зоне с меньшими окружными скоростями. Так как исследуемый элементарный участок движется со скоростью круговой подачи вдоль этого режущего контура от точки b к точке с, то вполне понятно, что при этом движении режущий контур будет последовательно копироваться на этот участок. Поэтому шероховатость его будет изменяться от меньшей к большей. Но, учитывая работу второй стороны круга, видим, что шероховатость в конечный момент образуется периферийной частью круга (т. е. плотной зоной режущего контура).

Рис.2.3 Схема образования шлифованной поверхности при работе торцом круга: 1 - магнитный стол; 2 - круг; 3 - деталь

Повышение шероховатости при прохождении средней зоны круга объясняется не только приведенными геометрическими соображениями, но и факторами, связанными с формой поперечного сечения снимаемой стружки: при снижении скорости каждое абразивное зерно при резании-царапании снимает более толстые стружки, что, как известно, повышает шероховатость.

Интересной особенностью процесса плоского шлифования является непрерывность работы абразивного зерна (в период его стойкости) и выравнивание удельной работы резания в связи с особенностями микрорельефа шлифуемой поверхности.

При плоском шлифовании торцом круга каждое зерно почти все время работает в металле. Если имеется выход из металла, то этот период по отношению к периоду резания обычно составляет небольшую долю. В результате контакта шероховатого микрорельефа обрабатываемой поверхности и нерегулярного (беспорядочного) режущего контура в процессе резания имеются зерна режущие, скоблящие и просто давящие. Не все зерна в период контакта выполняют работу резания-царапания.

Входная сторона круга работает с образованием длинных и тонких стружек, а на выходной стороне в результате образования сетки стружка получается мелкой (короткой). Но в целом отмечается образование стружек более длинных, чем при любом другом виде шлифования. Отходы плоского шлифования имеют вид ваты.

При плоском шлифовании торцем круга тепловое воздействие на обрабатываемую поверхность значительно больше, чем при любом другом виде шлифования, а поэтому размазывание металла, доведенного в зоне резания до пластически размягченного состояния, здесь усиливается.

Следовательно, и зоне контакта круга с обрабатываемой поверхностью одновременно протекают следующие основные процессы:

резание-царапание закрепленными абразивными зернами;

обкатывание поверхности свободными (выпавшими из связки) зернами, что в свою очередь производит шарошение круга;

пластические деформации тончайшего поверхностного слоя, сопровождающиеся размазыванием металла по этой поверхности.

Все это придает особый характер процессу формирования основных характеристик качества шлифованной поверхности.

Следует отметить, что одно и то же зерно за один оборот круга подвергается переменной частоте колебаний. В различные моменты вращения следы резания пересекаются под различными углами, поэтому даже при всех прочих равных условиях на каком-то отрезке число встреч зерна с выступами будет различным. В действительности получается сложная картина наложения колебании.

При торцовом шлифовании почти вся рабочая поверхность находится в непрерывном контакте с обрабатываемым металлом т е. можно считать, что рабочий торец круга одновременно во всех его частях одинаково напряжен и деформирован. В таких условиях износ круга несколько снижается.

Исследованиями установлено, что при шлифовании, как и при любом другом виде резания, на абразивных зернах могут образовываться наросты. Наросты образуются и развиваются после прохождения определенной длины риски.

Шлифование можно рассматривать как сумму большого числа царапаний, причем здесь образуются короткие риски, так как царапающие зерна абразива лишь очень малое время воздействуют на металл. При очень коротких рисках наросты, как правило, образоваться не успевают. Однако следует заметить, что даже при таких коротких рисках все же для некоторых металлов на абразивных зернах наросты могут образовываться.

Исследованиями плоского шлифования установлена интересная картина процессов образования и срыва наростов. Абразивные зерна входной стороны шлифовального круга наносят длинные царапины, поэтому здесь отделяются длинные стружки. Вполне понятно, что в таких условиях достаточно времени и длины пройденной риски, чтобы успел образоваться и развиться нарост.

В возникновении наростов главную роль, по-видимому, играют явления схватывания, сопровождающиеся глубинным разрушением. Иначе говоря, молекулярное схватывание сопровождается глубинным вырыванием металлических частиц и «переносом» их на поверхность абразивного зерна. В зоне высоких скоростей резания размеры переносимых частиц весьма незначительны, и здесь можно скорее говорить о микроглубинном вырывании. На процесс наростообразования большое влияние оказывают физико-механические свойства обрабатываемого материала, материала абразивного зерна, внешняя среда, температура в зоне контакта, скорость резания и другие режимные факторы. [3].

Развитие технологии машиностроения как науки за последние 30 лет позволило сделать вывод, что на образование шероховатости при абразивной обработке оказывают влияние следующие факторы:

1) геометрия рабочей части инструмента и кинематика его рабочего движения относительно обрабатываемой поверхности;

2) колебательные перемещения инструмента относительно обрабатываемой поверхности;

3) упругие и пластические деформации обрабатываемого материала заготовки в зоне контакта с рабочим инструментом;

4) шероховатость рабочей части инструмента;

5) вырывы частиц обрабатываемого материала.

В зависимости от условий обработки степень влияния каждого из этих факторов на образование шероховатости поверхности будет различной. Первые четыре фактора вызывают образование систематической составляющей профиля шероховатости, которая может быть описана математически. Пятый фактор вызывает образование случайной составляющей профиля и определяет разброс или дисперсию параметров шероховатости. [8].

2.2 Выводы из обзора и постановка задач исследования

На основании анализа литературных источников, используемых в данной работе, установлено, что процесс круглого шлифования торцем круга недостаточно аналитически исследован в литературе в плане формирования шероховатости поверхности..

Основными особенностями круглого торцового шлифования являются:

1) увеличенная зона контакта;

2) значительные силы резания и температура обрабатываемой поверхности по сравнению с другими видами шлифования;

3) длительный контакт детали с кругом;

4) неблагоприятные условия охлаждения зоны резания и удаление из нее отходов (металлической стружки и продуктов износа круга).

Основные задачи исследования данной дипломной работы:

- математически смоделировать и описать кинематику формообразования поверхности при торцовом шлифовании (определить траектории движения абразивных зерен), в зависимости от условий шлифования;

- аналитически спрогнозировать формирование шероховатости поверхности, обусловленной кинематикой движения и формой рабочей поверхности абразивных зерен при плоском шлифовании торцем круга;

- оценить кинематику изменения шероховатости торца корпуса гидротолкателя по его радиусу, в зависимости от числа пересечений траекторий движения абразивных зерен базовой длины.

3. Аналитическое описание траекторий движения зерен шлифовального круга при торцевом шлифовании

Для надежной работы детали большое значении имеет шероховатость обработанной поверхности, характеризуемая величиной его микронеровностей. Формирование микрогеометрии поверхности и качества поверхностного слоя является сложным физическим процессом с активным химическим взаимодействием всех материалов, находящихся в зоне обработки. В этом процессе многое определяется результатом копирования траекторий массового перемещения шлифующих зерен круга относительно обрабатываемой детали.

В результате действия шлифующих зерен на поверхностный слой детали наносится огромное число микроцарапин, формирующих микропрофиль. Такое формирование является также результатом макро и микрогеометрии шлифующего зерна, удельной нагрузки на режущие зерна, взаимодействием шлифующего и обрабатываемого материала, жесткости системы СПИД.

Переход от исходной к установившейся шероховатости можно условно представить совмещением в одну плоскость зерен контура шлифовального круга, проходящего через определенный участок обрабатываемой детали за время ее контакта с кругом.

Из числа контактирующих режущих кромок стружку снимают только те, которые имеют более благоприятную форму вершин и достаточную глубину внедрения в металл. Остальные контактирующие зерна выполняют работу трения и упругопластической деформации [2].

3.1 Аналитическое описание траекторий движения абразивных зерен, расположенных на радиусах круга R_i в диапазоне (R_min ? R_i ? R_ср)

Рис.3.1 Определение положения произвольной точки на торце круга

Составим уравнения для нахождения траекторий движения одного зерна, находящемся на произвольном радиусе.

Из рис.3.1 следует:

Рассмотрим случай расположения кривой траектории движения ниже оси Х, угол и лежит в интервале .

Сначала найдем радиус детали Rd_i :

,

где R_ср - средний радиус шлифовального круга,

R_i - произвольный радиус шлифовального круга.

Отсюда:

Условие совместимости траекторий точек круга и детали:

,

где - времена вращения круга и детали соответственно.

;

; ;

,

где Дх, Ду - соответственно приращения координат, обусловленные вращением детали.

Координаты точки В при угле и лежащей в интервале :

Рассмотрим случай расположения кривой траектории движения зерна выше оси Х, угол и лежит в интервале .

; ;

Координаты точки В1 при угле и лежащем в интервале :

В программе 1 (см. Приложения) рассчитывались траектории движения режущих зерен, составляющих 21% от количества всех зерен, расположенных на дуге контакта круга и детали, которые являются режущими и давящими. Считаем, что эти 21% зерен равнорасположены на дуге контакта круга и детали. На рисунке 3.2 приведены траектории движения абразивных зерен, расположенных на радиусах круга в диапазоне R_min ? R_i ? R_ср.

Рис 3.2 Траектории движения зерен, расположенных на радиусах круга R_i в диапазоне R_min ? R_i ? R_ср

3.2 Поворот траекторий движения зерен

Выше рассмотрены траектории перемещения зерен, расположенных на радиусах круга R_i из диапазона R_min ? R_i ? R_ср. Так как деталь и шлифовальный круг движутся относительно друг друга, то будет происходить поворот траекторий на угол 2р с угловым шагом в, равным расстоянию между абразивными зернами на периферии детали.

В нашем случае применяется абразивный круг с зернистостью № М28, значит средний диаметр абразивного зерна

Условно примем, что зерна расположены в плотную по радиусу круга.

Угловая координата расположения зерен будет определятся по формуле:

;

где Rd_max - максимальный диаметр детали,

d_з - средний диаметр абразивного зерна.

i=1..К,

число К зерен на периферии детали:

.

Округляя до целого, примем К=3365 зерен.

В расчетах примем 21% от общего количества зерен, что составит 706 зерен.

Количество зерен, расположенных на периферии детали в пределах R_min ? R_i ? R_ср составит 56 зерен.

Угловая координата одного зерна: В_д=в/0,21=0,009.

Для построения графика поворота траекторий преобразуем координаты при повороте осей на угол в_д (Программа 2 (Приложение)):

На рисунках 3.3, 3.4, 3.5, 3.6 приведены траектории движения зерен, формирующих шероховатость зерен детали, расположенных на различных радиусах.

Рис.3.3 Поворот траектории движения зерен, расположенных на радиусах круга R_min ,в=0,042

Рис.3.4 Поворот траекторий движения зерен, расположенных на радиусах круга R_min и ,в=0,042

Рис.3.5 Поворот траекторий движения зерен, расположенных на радиусах круга R_min , и R_ср , в=0,042

Рис.3.6 Поворот траекторий движения зерен, расположенных на радиусе круга R_ср , в=0,009

3.3 Исследование формирования шероховатости поверхности по радиусу детали

На вращающемся шлифовальном круге можно отметить ряды абразивных зерен, напоминающих по своему действию работу резьбовых гребенок. Здесь действуют 2 фактора: сдвиг рядов зерен друг относительно друга и изменчивость шага между зернами в ряде. Конечно, форма абразивных зерен в одном и том же круге не является постоянной, и рабочие кромки зерен очерчены довольно сложными линиями, однако зернам одной и той же размерной категории одного и того же абразивного материала свойственна некоторая средняя, более или менее стабильная форма.

Для оценки формирования шероховатости поверхности зададимся такой величиной, как число пересечений траекторий абразивных зерен базовой длины, расположенной на различных участках по радиусу детали.

Рис.3.6 Расположение базовой длины относительно детали

l - базовая длина для определения шероховатости соответствующего класса

Базовая длина l, в мм : 0,01; 0,03; 0,08; 0,25; 0,8; 2,5; 8; 25 [4].

За базовую длину принимают квадрат в зависимости от направления следов обработки. Т.к. при круглом шлифовании торцем круга траектории перемещения зерен расположены хаотично, то направление измерения шероховатости на базовой длине может быть выбрано произвольно. В связи с этим можно представить базовую длину в виде окружности с диаметром l= 0,25мм.

Xo, Yo - координаты центра площадки базовой длины (рис.3.6)

Xo=х-i, i=0... R_min+,

Yo=у=const=0,

Xo= R_ср , R_min-, R_ср- R_д+.

Найдем дискрету разбиения угла поворота для определения числа пересечения траекторий базовой длины:

;

,

для зернистости микропорошка 28 мкм .

Выражения, определяющие пересечение базовой длины расположенной на торце детали:

Таким образом, мы найдем число пересечений траекторий абразивных зерен базовой длины, расположенных на разных радиусах круга (Программа 3):

если выполняется условие , тогда N=N+1;

где N - число пересечений траектории базовой длины,

- в центре детали: ;

- на минимальном радиусе круга: ;

- на максимальном радиусе детали: .

Результаты расчета числа пересечений траекториями базовой длины при изменении координаты Хo = приведены в табл

4. Теоретическое прогнозирование формирования шероховатости поверхности при торцевом шлифовании в зависимости от формы рабочей поверхности абразивных зерен

Установим закономерность уменьшения максимальной высоты остаточных поперечных шероховатостей H_max, вызываемых наличием продольной подачи. Будем исходить из того, что профиль остаточных шероховатостей приближенно можно принять за сферический, эллипсоидный и треугольный (рис.4.1).

Рис.4.1 Формы идеального абразивного зерна

а - треугольная форма; б - сферическая форма; в - эллипсоидная форма

При каждом новом соприкосновении круга с данным участком детали, вызываемом наличием продольной подачи, абразивные зерна, как правило, не совпадут с углублениями, нанесенными зернами при предыдущем касании.

Рассмотрим случай формирования шероховатости поверхности сферическим профилем зерна (рис.3.3).

Крайними предельными возможными положениями (1П, 2П) абразивных зерен по отношению к шероховатостям, оставшимся от предыдущего касания круга «с данной точкой» детали, будут: при полном совпадении середин абразивных зерен с серединами выступов и при полном совпадении середин абразивных зерен с серединами впадин.

Поэтому прогнозирование формирования шероховатости будем вести, принимая среднее положение между этими двумя предельными.

Остаточная минимальная шероховатость после 2-го прохода:

;

после 3-го прохода: ;

после 4-го прохода: ;

В общем виде высота минимальных остаточных шероховатостей будет равна:

,

где d - средний диаметр зерна;

n - число проходов зерна, n=1..i.

Величина максимальной остаточной шероховатости:

после 2-го прохода:;

после 3-го прохода:;

после 4-го прохода:;

В общем виде высота максимальной остаточной шероховатости:



Рис.3.3. Схема остаточных шероховатостей шлифованной поверхности при сферической форме зерна.

Изменение остаточной шероховатости от числа проходов в зависимости от зернистости круга при сферической форме зерна представлено на рис.3.3(Программа 9)

На рис.3.4. изображен второй случай - формирование шероховатости поверхности эллипсоидным профилем зерна.

Рис.3.4. Схема остаточных шероховатостей шлифованной поверхности при эллипсоидной форме зерна.

Остаточная минимальная шероховатость после 2-го прохода:

;

после 3-го прохода: ;

после 4-го прохода: ;

Высота минимальных остаточных шероховатостей будет равна:

,

где а - длина большей полуоси у эллипсоидного зерна;

n - число проходов зерна, n=1..i; .

Величина максимальной остаточной шероховатости:

после 2-го прохода:);

после 3-го прохода:);

после 4-го прохода:);

В общем виде высота максимальной остаточной шероховатости:

.

Изменение остаточной шероховатости от числа проходов в зависимости от зернистости круга при эллипсоидной форме зерна представлено на рис.3.5. (Программа10).

На рис.3.5. представлено формирование остаточной шероховатости поверхности зерном треугольной формы.

Высота минимальных остаточных шероховатостей будет равна:

Остаточная минимальная шероховатость после 2-го прохода:

;

после 3-го прохода: ;

после 4-го прохода: .

Высота минимальных остаточных шероховатостей будет равна:

,

где h - высота зерна;

n - число проходов зерна, n=1..i.

Величина максимальной остаточной шероховатости:

после 2-го прохода: ;

после 3-го прохода: ;

после 4-го прохода: ;

Величина максимальной остаточной шероховатости в общем виде:

.

Изменение остаточной шероховатости от числа проходов в зависимости от зернистости круга при треугольной формы зерна представлено на рис.3.7.(Программа11)

Рис.3.5. Схема остаточных шероховатостей шлифованной поверхности при треугольной форме зерна.

Сравнивая зависимости изменения шероховатости от формы зерна, представленные на рис.(3.3, 3.5, 3.7) можно сделать вывод, что предпочтительнее всего обрабатывать поверхности зернами, имеющими сферическую форму, т.к. за меньшее число проходов зерна достигается лучшая шероховатость.

5. Обсуждение результатов исследований, выводы и рекомендации

1. Выполнено аналитическое описание траектории движения абразивных зерен круга при круглом шлифовании торцем круга. Приведены траектории движения абразивных зерен в зависимости от скорости перемещения детали. Установлено, что траектории зерен вытянуты вдоль оси X, в направлении продольной подачи детали. Чем меньше величина продольной скорости детали, тем плотнее сетка траекторий режущих зерен, расположенных на торцах шлифовальных кругов.

2. Аналитически описано формирование остаточной шероховатости поверхности, обусловленной кинематикой движения и формой рабочей поверхности абразивных зерен при плоском планетарном шлифовании. Установлена динамика уменьшения остаточной шероховатости в зависимости от числа проходов формообразующих сечений.

3. Произведено косвенное прогнозирование изменения шероховатости поверхности в зависимости от числа пересечений траекторий абразивных зерен базовой длины по радиусу шлифуемой детали. Установлено, что в пределах полуширины детали наименьшая прогнозируемая шероховатость достигается при Yo=+D_Г/4, а наибольшая при Yo=+(D_Г-l)/2 . Промежуточное место между ними занимает Yo =0 .

4. Анализ выполненного исследования позволил прогнозировать изменение шероховатости поверхности в зависимости от параметров режима шлифования и характеристик абразивного инструмента:

- увеличение зернистости круга и скорости детали ухудшают шероховатость при планетарном шлифовании;

- в процессе длительного планетарного шлифования шероховатость практически не изменяется, что характеризует постоянство формообразующих шероховатость кромок торцов кругов.

Список использованных источников

1. Двигатель автомобиля ГАЗ-3110 Волга. Под редакцией главного конструктора Калашникова А. А. 1998 г.

2. Маслов Е.Н. Теория шлифования металлов. М.: Машиностроение, 1974. 320с.

3. Ящерицын П.И., Зайцев А.Г. Повышение качества шлифованных поверхностей и режущих свойств абразивно-алмазного инструмента. Минск, «Наука и техника», 1972. 480 с.

4. Мягков В.Д., Палей М.А. Допуски и посадки. Справочник. Т.1. 1982.

5. Суслов А.Г. Технологическое обеспечение параметров состояния поверхностного слоя деталей. М.: Машиностроение, 1987. 208 с.

6. ГОСТ 12.2.009 - 99. Станки металлообрабатывающие. Общие требования безопасности. Изд-во стандартов. 2000.

7. Охрана труда в машиностроении: Учебник для машиностроительных вузов. Под ред. Юдина Е.Я. М.: Машиностроение,1983.432 с.

8. Суслов А.Г., Дальский А.М. Научные основы технологии машиностроения. М.: Машиностроение, 2002. 684 с.

9. Экономическое обоснование технологического процесса механической обработки. Методическое пособие. А.Н. Русейкин, В.В.Ленина, Пермь. ПГТУ, 2000. 22 с.

10. Кирьянов Д.А. Самоучитель, Mathcad 2001, СПб: БХВ - Петербург, 2001. 544 с.

Размещено на Allbest.ru

...