Наукові основи використання змащувально-охолоджувальних рідин для підвищення ефективності технологічних систем шліфування

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Наукові основи використання змащувально-охолоджувальних рідин для підвищення ефективності технологічних систем шліфування

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Найважливішим завданням, яке стоїть перед машинобудівним комплексом, є підвищення конкурентоспроможності продукції за умови високої продуктивності і низької собівартості її виготовлення із забезпеченням заданих параметрів якості. Виконання завдань, направлених на розвиток ресурсозберігаючих і екологічно чистих технологій, передбачає значне підвищення якості продукції при значній економії ресурсів на її виробництво з поліпшенням екологічних чинників.

Завершальною технологічною операцією, що визначає якість оброблюваних заготовок, є шліфування. Реальному зростанню його ефективності сприяє раціональне застосування змащувально-охолоджувальних рідин (ЗОР). При шліфуванні з великими швидкостями, глибинами різання і подачами (для збільшення продуктивності) можливе надмірне підвищення температури і, як наслідок, поява термодефектів, мікротріщин, небезпечних розтягуючих напруг в поверхневому шарі. Це зумовлює необхідність розроблення і застосування засобів зниження теплонапруженості процесу, серед яких найбільш істотним і традиційним є використання ЗОР.

Проблема полягає в тому, що на цей час відсутня загальна методологія використання систем застосування ЗОР при шліфуванні, недостатньо розроблені наукові основи створення таких систем, підвищення їх працездатності і енергозбереження. Відомі рішення зі створення систем застосування ЗОР, що працюють у комплексі з шліфувальними верстатами, не завжди враховують конкретні умови їх використання. Актуальність проблеми зумовлена недостатньо високою продуктивністю шліфування, значними витратами на інструмент і ЗОР і, як наслідок, високою собівартістю обробки. З урахуванням різноманітності моделей та типорозмірів шліфувальних верстатів і оброблюваних на них матеріалів питання розробки систем застосування ЗОР для управління технологічним процесом на базі шліфування постало з великою гостротою. Тому розробка наукових основ забезпечення високого рівня вихідних технологічних параметрів процесу шліфування за рахунок раціонального застосування ЗОР є важливим технологічним завданням і має велике народногосподарське значення.

Зв'язок роботи з науковими планами і програмами. Тема дисертації входить до наукових напрямків кафедр «Гідропневмоавтоматика і гідропривод» та «Технологія машинобудування та металорізальні верстати» НТУ «ХПІ», пов'язаних з розробкою гідрофіційного технологічного обладнання, а також з підвищенням ефективності виготовлення та експлуатації автоматизованого технологічного устаткування, і відповідає комплексним цільовим науково-технічним програмам України КЦНТП-14 і КЦНТП - 22. В основу дисертаційної роботи покладені дослідження, виконані здобувачем як відповідальним виконавцем НДР з ВАТ «ХАРВерст», ДКБШВ і ДП ХМЗ «ФЕД» (м. Харків). Дослідження виконувалися в рамках господарських договорів і договорів про творчу співпрацю відповідно до тематичних планів вище названих організацій.

Мета роботи - підвищення ефективності технологічних систем шліфування за рахунок направленої вибірної активації ефектів дії ЗОР при мінімізації їх витрати і витрат енергії.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні задачі:

- провести аналіз стану проблеми функціювання систем обробки шліфуванням із застосуванням ЗОР і технологічного обладнання для їх використання;

- розробити методологію комплексних теоретико-експериментальних досліджень процесу шліфування із застосуванням ЗОР, що дозволяє виявити ефект їх дії і шляхи управління ними;

- розкрити особливості явищ і процесів, що виникають при проходженні ЗОР в контактній зоні, виявити основні закономірності шліфування в присутності ЗОР і визначити диференціючу роль ефектів їх дії у формуванні точності та якості заготовок, які обробляються;

- розробити фізичні і математичні моделі найважливіших складових дії ЗОР на процес шліфування (проникаюча здатність і охолоджувальна дія ЗОР, нагрів заготовки з урахуванням різної інтенсивності охолоджування в зоні контакту і поза нею);

- виявити потенційні можливості раціонального введення ЗОР в зону різання, ефективного використання ЗОР, окреслити перспективні шляхи його вдосконалення і на цій основі запропонувати нові технологічні процеси шліфування заготовок деталей машин;

- розробити принципово нову техніку подачі, очищення ЗОР і гідроочищення шліфувального круга, що забезпечують задану якість шліфованих деталей, і підтвердити практично високу технологічну ефективність цієї створеної техніки;

- розробити науково обґрунтовані норми використання ЗОР і промислові рекомендації, реалізація яких забезпечить істотну мінімізацію їх витрати і енергоємності процесу.

Об'єкт дослідження - технологічна система шліфування із застосуванням ЗОР.

Предмет дослідження - інтенсифікація ефектів дії ЗОР при шліфуванні і їх взаємозв'язок з технологічними та енергетичними параметрами.

Методи дослідження. В основу роботи був покладений єдиний підхід до проведення теоретичних і експериментальних досліджень, який базується на фундаментальних положеннях теорій технології машинобудування, теплофізики, теплообміну, механіки рідини, системного аналізу, механіки контактного руйнування, теорії різання матеріалів, теорії тертя і зносу, а також теорії імовірності і математичної статистики. Експериментальні дослідження проводилися на реальному технологічному устаткуванні в умовах машинобудівного виробництва, а також на спеціально розроблених установках і модернізованих верстатах. Математична обробка результатів досліджень виконувалася з використанням прикладного програмного забезпечення (пакету MathCAD). Достовірність теоретичних положень роботи підтверджується результатами експериментальних досліджень і практикою промислового впровадження.

Наукова новизна отриманих результатів. Створено наукові основи підвищення ефективності систем застосування ЗОР у технологічних процесах обробки шліфуванням шляхом диференційованого керування ступенем реалізації їхньої охолоджувальної, миючої та деформуючої дії, а також мінімізації витрати ЗОР і енергоємності процесу. На базі висунутих наукових положень вперше:

- створено і реалізовано методологію оптимального синтезу й направленого вибору систем застосування ЗОР при шліфуванні, з урахуванням специфічних особливостей обробки в різних умовах, що ґрунтується на комплексному аналізі факторів впливу складових їхньої дії на вихідні технологічні параметри обробки й вирішує проблему керування ними для підвищення ефективності технологічної системи;

- визначено принцип стабілізації теплового режиму шліфування, згідно з яким гідравлічні параметри системи повинні точно відповідати інтенсивності знімання матеріалу, удосконалено математичну модель температурного поля в оброблюваній заготовці, що дозволяє враховувати розходження інтенсивності тепловідведення в зоні контакту й за нею, сформульовано тезу про превалюючий вплив на зниження температури шліфування фізико-хімічної дії ЗОР над її охолоджувальною дією;

- за допомогою оригінальних методів визначення пропускної здатності абразивних кругів, на основі застосування теорії контактних схем і електрогідравлічної аналогії, отримано кількісну оцінку факторів проникнення й поведінки ЗОР у зоні контактної взаємодії круга й заготовки;

- доказано, що параметри подачі ЗОР визначають параметри продуктивності шліфування і якості одержуваної поверхні, розширено класифікацію джерел формування гідродинамічної силової дії ЗОР і оцінено ступень їхнього впливу на процес обробки;

- розроблено принципи спільного використання особливостей елементів конструкцій оброблюваної заготовки й верстата для підвищення проникаючої здатності ЗОР у зоні різання й керування параметрами точності обробки за рахунок деформуючої дії ЗОР на елементи технологічної системи;

- запропоновано нові енергетичні критерії оцінки проникаючої здатності ЗОР на основі зниження енергоємності процесу обробки деталей різних класів шляхом раціональної мінімізації витрати й тиску подачі ЗОР;

- отримано закономірності протікання процесу гідроочищення робочої поверхні шліфувального круга зосередженими струменями високого й надвисокого тисків, які віддзеркалюють зв'язок між гідравлічними параметрами струменю та технологічними параметрами обробки.

Практичне значення отриманих результатів. Розроблено комплекс засобів очищення ЗОР, який дозволяє при економії енергії в 1,2-1,4 рази підвищити ступінь очищення на 10-15% (а.с. 1803194, пат. України №49687).

Запропоновано ряд пристроїв подачі ЗОР при шліфуванні заготовок деталей різних класів, які дозволяють на 11-15% збільшити продуктивність обробки і на 17-21% підвищити точність обробки (пат. України 43691, 46497).

Запропоновано до використання комплекс засобів для гідравлічного очищення шліфувального круга струменем ЗОР високого тиску, який дозволяє більше ніж у два рази збільшити стійкість круга за критерієм шліфувального припікання (Заявка на винахід (корисну модель) 2004032045).

Розроблено технологічні регламенти і норми: - чистоти ЗОР за критеріями якості поверхневого шару шліфованих деталей; - величин витрати і тиску подачі ЗОР при повздовжньому шліфуванні.

Розроблено методики: - визначення розподілу сили різання уздовж зони контакту круга і заготовки при повздовжньому шліфуванні; - управління параметрами очищувача в циклі шліфування (на основі встановленого зв'язку між конструктивними параметрами очищувача ЗОР і режимами обробки шліфуванням); - вибору альтернативних варіантів шліфування із застосуванням ЗОР з урахуванням енергетичних показників обробки.

Результати роботи впроваджені в виробництво із загальним економічним ефектом більше 200 тис. гривень. Низку наукових розробок впроваджено в навчальний процес Національного технічного університету «Харківський політехнічний інститут».

Особистий внесок здобувача. Основні результати теоретичних і експериментальних досліджень, які виносяться на захист, одержані здобувачем самостійно. А саме: наукове обґрунтування розробок в області створення систем застосування ЗОР, яке забезпечує вирішення найважливішої прикладної проблеми - підвищення ефективності обробки шліфуванням, постановка завдань і аналіз наукових результатів. Розробка технічної документації, модернізація устаткування і проведення випробувань виконані спільно із співробітниками ВАТ «ХАРВерст», ДКБШВ і ДП ХМЗ «ФЕД».

Апробація роботи. Основні положення і результати, що представлені в дисертації, доповідалися на: міжнародних науково-технічних конференціях «Фізичні і комп'ютерні технології в народному господарстві» (м. Харків, 2000-2004 р.); «Гидравлические машины, гидропривод и гидропневмоавтоматика» (г. Москва, МЭИ, 1998-2000 г.); міжнародній конференції «Високі технології: тенденції розвитку» (м. Алушта, Інтерпартнер 2002 р., 2005 р.); міжнародних науково-практичних конференціях «Наука і соціальні проблеми суспільства: людина, техніка, технологія, навколишнє середовище» (м. Харків 1997-2005 р.р.); міжнародній науково-технічній конференції «Проблеми теорії і практики технології машинобудування, механічної і фізичної обробки (м. Харків, 2000 р.); 8-й міжнародній науково-методичній конференції «Сучасні технології, економіка і екологія в промисловості, на транспорті і в сільському господарстві» (м. Алушта, 2001 р); засіданні науково-технічного семінару Харківського обласного будинку вчених (м. Харків, 2002 р); 10-й міжнародній науково-методичній конференції «Технології XXI століття» (м. Алушта, 2003 р); 2-й міжнародній науково-технічній конференції «Research and Education». (Miskolc, Hungari, 2004); спільних наукових семінарах кафедр «Технологія машинобудування», «Різання матеріалів і різальні інструменти», «Гідропневмоавтоматика і гідропривод» НТУ «ХПІ».

Публікації. Основні положення і результати дисертації опубліковані в 45 роботах, з них 26 у фахових виданнях ВАК України, 12 - матеріали міжнародних конференцій і семінарів, 1 - авторське свідоцтво на винахід, 3 декларативних патенти України.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, 6 розділів, висновків і 3 додатків. Повний обсяг дисертації складає 439 сторінок, з них 46 ілюстрацій по тексту, 102 ілюстрації на 68 сторінках, 16 таблиць на 19 сторінках, 21 таблиця по тексту, 3 додатки на 32 сторінках, список використаних літературних джерел з 250 найменувань на 22 сторінках.

Основний зміст роботи

заготовка шліфування змащувальний охолоджувальний

Вступ. Обґрунтовано актуальність теми, сформульовані мета і задачі досліджень, визначається наукова новизна і практичне значення результатів дослідження. Структурно-логічна схема роботи представлена на рис. 1.

Розділ 1. У розділі проведено аналіз стану питання, встановлена значущість ЗОР і засобів їх застосування в системах шліфування. Виявлені тенденції їх застосування і визначені основні напрями досліджень дії ЗОР. Проведено обґрунтування ефективності різних ЗОР і засобів їх застосування.

Шліфування як один з видів остаточної обробки має в порівнянні з лезовою обробкою специфічні особливості. Фундаментальні дослідження в цій області виконали А.К. Байкалов, М.К. Беззубенко, Ю.М. Внуков, А.І. Грабченко, А.П. Гавріш, Д.Г. Евсєєв, А.В. Корольов, С.М. Корчак, Т.М. Лоладзе, Е.М. Маслов, Ю.К. Новосьолов, В.І. Островський, Ю.В. Петраков, С.О. Попов, А.О. Сагарда, А.Н. Сальников, М.Ф. Семко, С.С. Силін, В.А. Сипайлов, С.Г. Редько, А.Н. Резников, Л.М.Філімонов, П.І. Ящеріцин, О.В. Якимов, Ф.Я. Якубов та ін. Кожний з вище названих вчених в тому або іншому ступені розглядав питання впливу ЗОР на процес шліфування. Великий внесок в створення фундаментальних положень науки про дію зовнішніх середовищ при механічній обробці внесли П.О. Ребіндер, Н.І. Богомолов, М.Б. Гордон, М.І. Клушин, І.В. Крагельській, В.М. Латишев, В.М. Подураєв, С.Г. Энтеліс та ін. Істотні результати в напрямі, пов'язаному з розробкою і дослідженням засобів доставки ЗОР в зону різання і її очищення від домішок, отримані Г.В. Бокучавой, Ю.В. Полянськовим, О.М. Тіхонцовим, А.М. Коробочкою, В.В. Ефімовим, Є.С. Киселевим. Суттєвий внесок у вирішення багатьох проблем, пов'язаних з використанням ЗОР в процесах абразивної обробки, зроблено Л.В. Худобіним. Проведений аналіз стану питання дозволив визначити основні напрями досліджень в області застосування ЗОР.

Рис. 1. Структурно-логічна схема дослідження

Величезний обсяг досліджень присвячено розв'язанню локальних конкретних задач, наприклад, дослідженню впливу складу або забрудненості ЗОР, техніки очищення і подачі ЗОР, активації ЗОР і т. п. на ефективність операцій шліфування. У той же час комплексних досліджень взаємовпливу чинників застосування ЗОР практично не було.

Експертна оцінка теоретико-експериментальних досліджень і досвіду експлуатації шліфувальних верстатів дозволила оцінити вагу чинників дії ЗОР залежно від їх впливу на продуктивність обробки і якість поверхні (рис. 2). В результаті виявлено чинники максимальної дії на параметри шліфування, варіювання якими дає найбільший ефект. Цими чинниками є: подача і очищення ЗОР, гідроочищення шліфувального круга і склад ЗОР. В процесі теоретико-експериментальних досліджень визначальна увага приділена першим трьом чинникам, а останній чинник (склад ЗОР) детально не досліджувався. Проведений аналіз дозволив зумовити напрями наукового пошуку і визначити основні завдання досліджень.

Рис. 2. Ранжирування ЗОР і засобів їх застосування за ступенем впливу на продуктивність і якість поверхні при шліфуванні

Розділ 2. У розділі розглянуто теоретичні передумови інтенсифікації охолоджувальної дії ЗОР при шліфуванні. Для аналізу ефективності охолоджуючої дії ЗОР була розроблена методологія розрахунків, яка враховує проникаючу здатність і рух ЗОР в зоні контакту (або до зони контакту).

Можливі два шляхи проникнення ЗОР в зону контакту. Перший - через канал, утворений в контакті «круг - заготовка». При цьому з урахуванням топографічної пристосованості, яка характеризується зміною геометричних параметрів топографії робочої поверхні, засалювання і забруднення ЗОР механічними домішками, визначена площа прохідного перетину цього каналу

, (1)

де Ф(r) - величина, що показує характер зміни закону розподілу рівнів западин шліфованої поверхні при обробці з ЗОР, забрудненої механічними домішками; I(r) - величина зносу круга в часі; ₃(r) - товщина шару засалювання; f(x) - закон розподілу рівня западин на профілі шліфувального круга.

Другий шлях проникнення ЗОР в зону контакту - через пори шліфувального круга. При цьому для визначення витрати рідини скористалися методом електрогідравлічної аналогії, заснованої на подібності ламінарного потоку рідини електричному струму. Абразивний круг (рис. 3) представлено в вигляді складного ланцюга постійного струму, що описано рівняннями (2) і (3). На електричній схемі (рис. 4) вузли відповідають порам шліфувального круга, а опори - міжпоровим каналам. Джерела ЕДС в схемі E_n,1, E_n,2…E_n,m імітували виникнення тиску ЗОР у тілі шліфувального круга під дією відцентрових сил при його обертанні. Джерела ЕДС E_0,0, E_1,0…E_n,0, а також імітували розподіл тиску в потоці ЗОР, яка рухається по торцях круга.

Для контурів, що описують шар правого торця шліфувального круга можна записати:

. (3)

Переходячи від електричних параметрів до їх гідравлічних аналогів, вирази (2), (3) відповідно представимо у вигляді:

 (4)

. (5)

Використовуючи відомі експериментальні дані щодо структури шліфувальних кругів (наявність пор і каналів між ними, їх розміри), можна теоретично за рівняннями (4), (5) розрахувати витрату ЗОР в зону контакту через круг. Представлений вище опис структури шліфувального круга може бути обмежений, оскільки при остаточних режимах шліфування, які характеризуються відсутністю самозаточування, відбувається засалювання міжзеренного простору, а, отже, і порових каналів, як показано на рис 5. Подібні процеси можна спостерігати, наприклад, при повздовжньому шліфуванні в активній частині профілю круга (біля торців). Тому (як один з варіантів) порові канали і їх закупорку (засалювання) (див. рис. 5) представляли на контактних схемах у вигляді електричного ланцюга, розірваного декількома вимикачами. Кожний з елементів шліфувального круга мав опис на контактній схемі.

Охолоджувальна дія ЗОР визначається коефіцієнтом тепловіддачі б, який залежить від безлічі чинників та приймає різні значення як в зоні контакту, так і поза нею. Крім того, поза зоною контакту б не постійний, а є функцією кутової координати на поверхні заготовки. Проте, відомі рішення для опису температурного поля в заготовці під час шліфування з охолоджуванням цей факт не враховують. Не враховуються також обмеженість джерела по ширині, поперечний рух для плоского і вісьовий для круглого шліфування.

Аналіз процесу шліфування дозволив зробити висновок, що джерело тепла при шліфуванні може вважатися швидкорухомим згідно критерію Пекле, який для типових режимів шліфування знаходиться в межах 20 - 4000. Таким чином, прийнявши джерело тепла швидкорухомим, тобто таким, що безперервно діє в перебігу часу ф, опис температурного поля можна представити рішенням рівняння теплопровідності

(6)

за наступних граничних умов:

(7)

де Т - температура, ^_С; а - коефіцієнт температуропровідності, мм²/с;

л - коефіцієнт теплопровідності, Дж/мм·с·єС; q - щільність теплового потоку, Дж/мм²·с; б - коефіцієнт тепловіддачі, Дж/мм²·с·єС.

Використовуючи фундаментальне рішення для точкового джерела на поверхні заготовки, що задовольняє умові теплообміну третього роду на межі, і переходячи до елементарного плоского джерела тепла, зробивши деякі перетворення, отримали вираз температурного поля при швидкорухомому джерелі тепла:

 (8)

де; ф - час спостереження за температурним полем; h - половина ширини джерела тепла.

Одержане рішення (8) дозволяє врахувати раніше наведені обмеження, властиві відомим рішенням. Достовірність отриманого рішення підтверджена порівнянням його з рішенням при рухомому джерелі тепла, одержаному для мінімального значення критерію Пекле - N_Pe =20,8. Результати порівняння приведені на рис. 7. Температурні поля, що розраховані за формулами для рухомого і швидкорухомого джерел тепла, ідентичні, відмінність максимальної температури нагріву при x=0,00005 мм, (тобто практично рівному нулю) складає 394,3660С -388,647⁰С =5,719⁰С, або 1,5%.

Модель температурного поля в заготовці при швидкорухомому джерелі (8) дозволяє оцінити нагрів поверхні заготовки у середині і по краях джерела, а також змоделювати його переміщення вздовж вісі заготовки і з'ясувати вплив зсуву джерела тепла на нагрів поверхні заготовки після проходження над нею джерела тепла.

Одержаний вираз можна використовувати для обчислення температури в точці поверхні заготовки після m її обертів. Для цього необхідно підсумовувати TK (x, y, ф) від k=1 до k=m:

. (9)

Результати розрахунку нагріву-охолоджування точки поверхні заготовки показують, що тепло від дії джерела на другому оберті нагріває точку всього на долі градуса (рис. 8), а на третьому - додатковий нагрів складає 1·10^-8єC. Тому сумарна теплова дія на досліджувану точку поверхні заготовки практично не відрізняється від дії збоку джерела тепла на першому оберті.

Таким чином, вплив повздовжньої подачі на термічний цикл поверхні шліфованої заготовки надто малий, і при дослідженні якості поверхні вплив чинника поздовжньої подачі (на даних режимах) можна не враховувати.

Теоретично вирішене завдання визначення відношення С кількості тепла, що перейшло в стружку Q_стр, до кількості тепла, що перейшло в заготовку і стружку Q_з.с. при плоскому шліфуванні

(10)

де; r, R - радіуси заготовки і круга; S - подача; k - глибина шліфування.

Аналогічна залежність отримана і для круглого зовнішнього шліфування. Визначаючи С без урахування тепла, що переходить в круг, можна вирішити завдання теплового балансу, що дозволяє обчислити щільність теплового потоку в заготовку і розрахувати температурні поля в заготовці.

Розроблені математичні моделі дали можливість визначити вплив гідравлічних параметрів подачі ЗОР (тиску подачі ЗОР) на контактну температуру.

Розділ 3. У розділі визначена роль деформуючої дії ЗОР у формуванні параметрів точності шліфованих поверхонь. Наведені результати досліджень з розвитку наукових основ подачі ЗОР в зону різання, розглянуті питання методології створення і пошуку засобів управління процесом подачі з метою економії енергії.

Параметри подачі ЗОР (витрата, тиск) та спосіб подачі значно впливають на технологічні і енергетичні показники процесу за рахунок охолоджуючої і силової дії. Силова дія ЗОР проявляється в контакті «круг-заготовка», в клиновому зазорі між заготовкою і кругом поза зоною контакту і через дію струменя ЗОР на поверхню заготовки і круга. Розширення класифікації, джерел формування гідродинамічної силової дії ЗОР припускає виникання нового джерела її впливу, який проявляється під час направленої радіальної, тангенціальної або вісьової подачі струменю на поверхню круга чи заготовки.

При звичайному способі підведення ЗОР у зону контакту в результаті гідродинамічної дії ЗОР виникає сила

, (11)

де - гідродинамічна сила, що діє внаслідок виникнення гідродинамічного клину; - гідродинамічна сила, що діє безпосередньо в межах дуги контакту і є сумою двох складових: гідродинамічної сили в контакті поверхні круга (зв'язки) з поверхнею заготовки - Р_г.с. і гідродинамічної сили в контакті зерно - матеріал заготовки - Р_г.з.м; - сила гідродинамічної дії струменю на поверхню заготовки (круга).

Для визначення сили з урахуванням зносу круга отримали значення складових гідродинамічної сили:

;

,

де р - тиск подачі ЗОР; r₃ - радіус заготовки; _i - величина зменшення радіуса шліфувального круга внаслідок зносу і правки; - коефіцієнт витрати,

= 0,62; - коефіцієнт, залежний від числа Рейнольдса, при Re>10000, = 0,97; а_с і b_c - товщина і ширина струменя рідини.

p_зор =1МПа:1-V_к=70 м/с; 2-V_к=100 м/с.

Одним із методів підвищення ефективності обробки є метод вібраційного шліфування, що передбачає задавання низькочастотних і високочастотних коливань заготовці або кругу. Встановлено, що ефекту вібраційного шліфування можна добитися також шляхом імпульсної силової дії струменя ЗОР на поверхню заготовки. Встановлено, що в результаті однієї імпульсної дії ЗОР відбувається зміна дуги контакту від до. В результаті теоретичних досліджень отримані значення тиску подачі ЗОР, необхідного для створення вібрації заготовки з амплітудою А залежно від жорсткості технологічної системи і режимних параметрів.

Силова дія струменю ЗОР на круг і заготовку дає можливість зменшувати деформацію елементів технологічної системи. Подаючи ЗОР у вузький торцевий зазор між кругом і стінками кожуха, можна за рахунок вісьової гідродинамічної сили деформувати шпиндель, усуваючи корсетність або бочкоподібність нежорстких заготовок. Деформація валу шпинделя при збереженні необхідної працездатності не повинна перевищувати 2-3 мкм. Зменшення похибки форми валів в повздовжньому перетині шляхом управління деформаціями шліфувального шпинделя доцільно при обробці валів, що мають жорсткість ₃ 350Н/мм. Як показує аналіз, значного ефекту в зменшенні погрішності форми можна добитися шляхом застосування ЗОР з вищими значеннями динамічної в'язкості. Досліджений спосіб круглого зовнішнього повздовжнього шліфування з подачею ЗОР в торцевий зазор із змінною величиною витрати Q_зор залежно від величини переміщення заготівки.

Теоретичні дослідження дозволили отримати значення тиску подачі ЗОР при орієнтації її струменю на заготовку в напрямі, протилежному дії сили Р_у.

Як раніше було показано, охолоджувальна дія ЗОР визначається коефіцієнтом тепловіддачі б. Оскільки на параметр б при шліфуванні вплив робить характер руху рідини, досліджували параметри ЗОР в контактній зоні. При цьому оцінювали вплив орієнтації сопла подачі ЗОР і режимів шліфування на її корисну витрату (через зону контакту). Встановлено, що при прямому розташуванні сопла корисна витрата ЗОР (через контакт) складає 14,2% величини витрати, що подається в зону різання. Зсув вісі сопла щодо лінії контакту на 11,2є знижує величину корисної витрати ЗОР майже в 2 рази. Кутове розташування сопла подачі ЗОР сприяє де - якому поліпшенню її проникаючої здатності в зону контакту (в порівнянні з прямим розташуванням). Величина корисної витрати при цьому складає 15,8% від витрати, що подається в зону різання. Встановлено, що корисна витрата ЗОР при врізній подачі V_вр = 0,1 мм/хв в 3-4 рази менше, ніж при V_вр = 0,05 мм/хв навіть при підвищенні тиску подачі ЗОР з 0,09 до 0,6 МПа.

Оцінка режиму плину ЗОР у зоні контакту при вище названих значеннях врізних подач і тиску ЗОР, що подається, показала, що при тонкому шліфуванні число Рейнольдса знаходиться в межах Re100, а це відповідає ламінарному режиму течії, причому число Re сильно залежить від режиму шліфування і параметрів ЗОР, яка подається.

Математичною основою для проектування енергозберігаючої техніки подачі ЗОР в зону різання є отримані залежності, що апроксимують мінімальні значення тиску р_зор (кгc/см²) і витрати при подачі ЗОР Q_зор (дм³/хв) в залежності від інтенсивності знімання матеріалу на різних етапах циклу шліфування.

Отримані залежності витрати ЗОР при суміщеному шліфуванні колінчастих валів, які враховують геометричні параметри валу, час шліфування, тощо.

Для оцінки проникаючої здатності ЗОР і кількісного порівняння способів подачі ЗОР при шліфуванні за енергетичними витратами введені нові безрозмірні показники: коефіцієнт проникаючої здатності ЗОР і коефіцієнт корисної дії способу подачі ЗОР у зону шліфування.

Сформульовані умови, які забезпечують мінімум енерговитрат, пов'язаних з подачею ЗОР, коли вимоги шліфування, що висуваються процесом до охолоджувальної дії, невисокі (остаточне шліфування і виходжування). Втрати потужності, пов'язані з розпилюванням ЗОР при круглому зовнішньому шліфуванні (особливо, тонкому), при подачі рідини на торці і периферію круга можуть бути сумірними з потужністю різання. Причому потужність розпилювання значно перевищує потужність, що витрачається на подолання тертя між кругом та повітрям, рідиною та шліфувальним кругом.

Для підвищення технологічних можливостей ЗОР запропоновані нові принципи конструювання техніки подачі ЗОР, реалізовані в пристроях, які захищені патентами. До них можна віднести пристрої подачі ЗОР: при шліфуванні довгомірних заготовок із зовнішньою гвинтовою поверхнею; при комбінованій фінішній обробці робочої поверхні гільз гідроциліндрів та інші. З урахуванням знайдених локальних значень сил і температур розроблені норми тиску та витрати подачі ЗОР у зону різання при обробці сталей чотирьох груп оброблюваності на операціях звичайного і швидкісного повздовжнього шліфування. Досліджена технологічна ефективність різних схем подачі ЗОР.

Розділ 4. Розділ присвячений теоретичним і експериментальним дослідженням процесів, пов'язаних з дією ЗОР на поверхню шліфувального круга з метою інтенсифікації її миючої дії; дається оцінка технологічної ефективності гідроочищення його робочої поверхні струменем ЗОР високого тиску.

Запропонована концепція, яка полягає в тому, що збереження ріжучої здатності круга можна забезпечити двома способами:

1. Шляхом постійного оновлення профілю за рахунок руйнуючої дії струменю ЗОР на зв'язку круга, внаслідок чого запресована стружка відокремлюється разом із зв'язкою (гідравлічна правка);

2. Шляхом подолання адгезійної взаємодії і тертя між запресованою в вільному просторі профілю круга стружкою, з одного боку, і зв'язкою й зернами круга, з іншого, що забезпечується силовою дією струменю ЗОР (гідравлічне очищення).

Для того, щоб струмінь руйнував матеріал зв'язки, необхідно виконати умову Р_стр > Р_зр, де Р_стр - сила дії струменя ЗОР на зв'язку; Р_зр - сила зруйнування. Математична обробка результатів експерименту показала, що найбільший вплив на процес руйнування зв'язки (в порівнянні з межами міцності на стиснення і згинання, ударною в'язкістю, модулем пружності і твердістю) справляє межа міцності при розтягуванні, яка забезпечує найбільшу надійність кореляційної залежності з найменшою середньоквадратичною помилкою відхилень. Тому межа міцності при розтягуванні _р може бути рекомендована як критерій оновлення робочої поверхні круга внаслідок руйнування тонкими струменями ЗОР високого тиску з метою правки круга. Одержаний кореляційний взаємозв'язок сили Р_зр з величиною _р має важливе значення для визначення тиску струменю ЗОР, що впливає на робочу поверхню круга. Теоретичні дослідження дали можливість отримати розрахункові формули параметрів процесу гідравлічної правки і його тривалості для нерухомого і рухомого кругів.

Необхідне значення швидкості струменю при гідравлічній правці з урахуванням обертання шліфувального круга і напряму дії ЗОР описується нерівністю

, (13)

де (0 _х 1); u_с - швидкість переміщення поверхні круга в результаті дії струменю; б - кут між напрямом дії струменю ЗОР і дотичної в точці контакту; - коефіцієнт витрати; f_c - площа поперечного перетину сопла.

Для шліфувального круга, що обертається, потужність, яка витрачається на руйнування зв'язки, можна визначити по залежності:

, (14)

тривалість гідравлічної правки

, (15)

де _з - середньоімовірнісна критична глибина закладення зерна в зв'язці.

Одержані залежності враховують середньоімовірнісну критичну глибину закладення зерна в зв'язці, щільність, витрату і інші параметри ЗОР, що подається, конструктивні параметри сопла для її подачі.

Головним недоліком використання гідравлічної правки є неможливість забезпечення постійності параметрів точності в поперечному перетині. Тому область її застосування може обмежуватися тільки режимами попереднього шліфування, де вимоги до вищеназваних параметрів невисокі. Усунути цей недолік можна шляхом використання гідравлічного очищення. В цьому випадку для збереження ріжучої здатності абразивного круга слід забезпечити створення умов для розміщення стружки в вільному просторі профілю круга, що багато в чому визначає продуктивність шліфування. Безперешкодне розміщення стружки в вільному просторі профілю можливе при постійному вилученні запресованої стружки з нього, зокрема за допомогою гідроочищення круга. Для того, щоб струмінь ЗОР «вимивав» запресовану стружку з міжзеренного простору, необхідно виконати умову Р_стр P_У, де P_У =Р_адг +Р_тр, Р_адг, Р_тр - сили адгезії і тертя між зерном (зв'язкою) і стружкою.

У разі гідравлічного очищення круга формули, що описують цей процес, аналогічні (13) - (15).Відмінність полягає в тому, що замість сили руйнування в них присутня сума сил P_У =Р_адг +Р_тр.

Аналіз результатів досліджень показує, що при збільшенні швидкості круга V_k з 12 до 150 м/с значення швидкості струменю ЗОР може бути понижено на 25% при гідравлічній правці і в 2,8 рази при гідравлічному очищенні. Проте при цьому зростає потужність приводу шліфувальної бабки.

Встановлено, що тиск подачі ЗОР, мінімально необхідний для гідроочищення круга, залежить від режимів шліфування. Це пояснюється тим, що збільшення контактної температури з 500С до 700С призводить до значного зростання сили адгезійної взаємодії оброблюваного матеріалу і зерна, подолання якої вимагає створення значного тиску. Таким чином, гідроочищення круга при шліфуванні на чорнових режимах вимагає створення значно вищого тиску, ніж при шліфуванні на чистових режимах. Тривалість гідравлічного очищення знаходиться аналогічно тривалості гідравлічної правки, тільки в отриманих формулах замість глибини закладення зерна в зв'язці підставляється значення еквівалентної висоти вільної поверхні ріжучого профілю h_е, а замість сили руйнування зв'язки Р_зр - сума P_У =Р_адг +Р_тр.

Завдання створення гідросистем високого тиску на базі звичайних схем гідроприводу практично можливе, але вимагає спеціального підходу, оскільки отримання тиску 10-1000 МПа за допомогою серійних насосів утруднене. Для отримання струменів ЗОР високого тиску доцільно застосовувати гідромультіплікатори із стандартними насосом і апаратурою, що управляє.

Дослідження технологічної ефективності гідравлічного очищення показали, що шорсткість шліфованої поверхні Ra зменшилася при повздовжньому і врізному шліфуванні відповідно на 20-27% і 12-18% (при використанні струменя високого тиску 40МПа). Експерименти показали, що ефективна потужність шліфування N_еф при використанні гідроочищення високого тиску в значній мірі залежить від швидкості переміщення сопла. До того найбільший ефект був отриманий при швидкості сопла 450 мм/хв. Збільшення швидкості сопла до 650 мм/хв не привело до зниження ефективної потужності шліфування (рис. 11). Стійкість абразивного круга і відповідно об'єм металу, знятий за період стійкості, в залежності від режимів шліфування матеріалу, який обробляється, і пристрою, що застосовується для гідроочищення, збільшується на 12,5 - 37,3% (рис. 12). Найбільший ефект від застосування гідроочищення полягає в підвищенні стійкості круга (якщо за критерій стійкості прийнято момент появи термодефектів на оброблюваній поверхні). При цьому стійкість може бути підвищена в 2 і більше разів (особливо при шліфуванні торцем круга з плечевою подачею), що видно з табл.

При шліфуванні без застосування гідроочищення на торцях третьої (іноді четвертої) заготовки після шліфування з'являлися термодефекти в вигляді темно-бурих плям, що покривали майже всю поверхню торця (рис. 13а).

При мікроскопічному аналізі структури круга встановлено, що при використанні для гідроочищення струменю високого тиску 40МПа він не тільки інтенсифікує миючий ефект зерен і зв'язки, але й часто призводить до закупорки пор. При очищенні торця круга після шліфування і правки периферії круга на ній можна помітити чорну смужку, при розгляді якої видно, що в порах є частинки шламу.

Результати застосування гідроочищення круга при торцевому шліфуванні з плечевою подачею

Пристрій гідро-очищення	Подача, мм/хв	Кількість прошліфованих заготовок	Кількість подвійних ходів сопла
		без гідроочищення	з гідроочищенням
1	25	3	20-22	1
			60-62	3,5,7
			14-15	при постійному гідроочищенні
2	12	2-3	9	3
	20		8
	30		7
3	10	3-4	12	При нерухомому щілинному соплі
	20		11
	30		10

Проте вказане явище не знижує стійкості круга. При шліфуванні із застосуванням нерухомого щілинного сопла (тиск подачі ЗОР 2,5МПа) шлам не забивається глибше в пори, а вилучається з поверхні круга струменем ЗОР.

Результати досліджень гідравлічного очищення (правки) абразивних кругів високонапірним струменем ЗОР дозволили визначити не тільки істотні переваги, але і недоліки названого методу.

Розділ 5. Розділ присвячений теоретичним і експериментальним дослідженням процесів, пов'язаних з підвищенням ефективності шліфування за рахунок очищення ЗОР.

Кожному режиму шліфування відповідають розміри стружки і режими роботи очищувача, забезпечивши які можна добитися максимальної ефективності очищення. Зміна режимів шліфування в циклі призводить до зміни параметрів зрізу l_c і а_zср, а також концентрацій механічних домішок в ЗОР. Це в значній мірі впливає на ефективність роботи очищувача. Прирівнявши величину мінімального розміру відокремлюваної в очищувачі частинки середній довжині зрізу, що приходиться на кожну ріжучу кромку абразивного зерна, отримали формули, що відображають взаємозв'язок параметрів шліфування і параметрів очищення ЗОР в очищувачі.

В даний час не виявлено впливу забруднення ЗОР на параметри шорсткості шліфованої поверхні при повздовжньому шліфуванні. Тим часом, у зв'язку з високими вимогами до якості поверхні таких деталей, як наприклад, штоки гідроциліндрів, це завдання стало вельми актуальним. Встановлено, що наявність в ЗОР механічних забруднень розміром 10 мкм дозволяє отримати шорсткість поверхні не нижче за Rа=0.13 мкм. Тому для стабільного отримання меншої шорсткості слід видаляти з ЗОР частинки з розмірами 10 мкм, як мінімум, а по можливості, і дрібніші частинки. В ході досліджень встановлено, що на шорсткість поверхні великий вплив справляє не тільки концентрація механічних домішок у ЗОР, але і характер розподілу частинок за розмірами. Механічні домішки розміром 2 мкм при використанні кругів зернистості 25 і 40 істотно не впливають на шорсткість поверхні.

Відомі способи очищення ЗОР при шліфуванні заготовок з алюмінієвих сплавів недостатньо ефективні. Так, внаслідок того, що частинки алюмінію мають сильно розвинену поверхню, седиментація їх відбувається дуже поволі. Очищення фільтруванням у даному випадку не можливе, оскільки домішки, коагулюючи між собою, миттєво засмічують пори фільтроелементів, перешкоджаючи проходженню ЗОР. Для очищення ЗОР від алюмінієвого шліфувального шламу розроблена техніка, що дозволяє забезпечити ступінь очищення 70-75%, а в комплексі з відстійником і гідроциклоном ефективність виведення шламу з системи очищення - близько 80%.

Відомі норми чистоти ЗОР забезпечують отримання тільки геометричних характеристик шліфованих поверхонь деталей і абсолютно не пов'язані з параметрами якості поверхневого шару. В результаті теоретико-експериментальних досліджень визначено характер зміни стану поверхневого шару залежно від концентрації і розміру механічних домішок в ЗОР. Це дало можливість підготувати базу нормування чистоти ЗОР не тільки за критеріями шорсткості і точності, але і за параметрами глибини структурно-зміненого шару матеріалів різних груп оброблюваності. З урахуванням отриманих даних підбирається відповідна техніка очищення ЗОР.

Розділ 6. Вибираючи ту чи іншу систему застосування ЗОР, важливо оцінити її надійність і економічну ефективність. У розділі проведена оцінка надійності систем застосування ЗОР за критерієм імовірності безвідмовної роботи. Наведено економічне обґрунтування вибору системи застосування ЗОР, а також результати дослідження екологічної обстановки на операціях шліфування при забезпеченні заданих продуктивності процесу і якості обробки. У розділі також запропоновано методику оптимізації режимів шліфування із застосуванням ЗОР, за якою оптимальні режими шліфування абразивним кругом вибирають з урахуванням мінімальної собівартості обробки з виконанням всіх технічних вимог.

При розв'язанні задачі оптимізації необхідно враховувати обмеження параметрів процесу шліфування із застосуванням ЗОР, які можна поділити на дві групи: обмеження, пов'язані з технологічними можливостями устаткування для застосування ЗОР, та обмеження, пов'язані з технічними вимогами до точності обробки і до якості шліфованої поверхні і шліфувального інструменту.

До першої групи відносяться обмеження вигляду:

(16)

де Q_зор, Q_прзор - відповідно витрати подачі ЗОР в зону шліфування і в зону правки; p_зор, p_прзор, p_гокзор - відповідно тиски подачі ЗОР в зону шліфування, в зону правки, струменя, що використовується для гідроочищення круга; Е_зор - енергія активації ЗОР; V_зор - швидкість проходження ЗОР в очищувачі.

До другої групи відносяться обмеження

, (17)

де T - температура шліфування (перевищення її критичного значення T_К призводить до появи дефектів на шліфованій поверхні); Р - сила шліфування (перевищення її критичного значення Р_К обумовлює неприпустимі пружні деформації в технологічній системі і, отже, відхилення від необхідних розмірів і форми); R_{А max} - максимальне значення шорсткості R_А, що допускається технічними вимогами до шліфованої поверхні.

При виборі математичної моделі слід враховувати, що залежно від виду шліфування, характеру операції шліфування (попередня або остаточна), характеру роботи круга (з самозаточуванням або затупленням) превалюють ті чи інші обмеження. При попередньому шліфуванні, коли круг працює з самозаточуванням, відокремлюється основна частина припуску з максимально допустимою продуктивністю.

За умови виконання співвідношень, де T_р, S і V-глибина, подача і швидкість різання, може виникнути критична температура T_k, перевищення якої призводить до появи дефектів на шліфованій поверхні. При цьому найважливіше значення має охолоджувальна дія ЗОР, і умова забезпечення мінімальної температури шліфування при t_max, S_max, і V_max може бути виконана при забезпеченні необхідної витрати і тиску подачі ЗОР, використання необхідних способів подачі ЗОР, гідроочищення круга. У той же час вимоги до очищення ЗОР на етапі попереднього шліфування можуть бути невисокими. При остаточному шліфуванні, коли необхідно забезпечити виконання технічних вимог до точності і шорсткості шліфованих поверхонь, належить забезпечити поєднання мінімально необхідної витрати і тиску подачі ЗОР в зону різання з підвищеними вимогами до якості очищення ЗОР. Розглянуто питання методології вибору альтернативних варіантів шліфування із застосуванням ЗОР (рис. 15).

Науково обґрунтоване застосування ЗОР максимально виявляється в комплексному використанні ефектів її дії на технологічні і енергетичні параметри процесу шліфування з урахуванням конкретної оброблюваної заготовки.

Рис. 15. Узагальнена структурна схема забезпечення технологічних параметрів шліфування.

Гідроочистку шліфувального круга, яка стимулює миючу дію струменем високого тиску, належить застосовувати при обробці заготовок з матеріалів:

- III, IV, V груп оброблюваності, алюмінієвих і титанових сплавів незалежно від схеми і режимів шліфування;

- I і II групи оброблюваності при торцевому шліфуванні (з великою площею контакту).

При торцевому шліфуванні заготовок збільшення тиску і витрати ЗОР не має сенсу і призводить до значних непотрібних витрат енергії, оскільки в цьому випадку доступ рідини в зону контакту (внаслідок значної її площі) практично неможливий або сильно утруднений. Як виняток, ефекту можна добитися саме за рахунок збільшення тиску подачі ЗОР на торець круга при незначній (2 - 3 мм) ширині сегменту поверхні контакту. При забезпеченні мінімальних значень температурних деформацій найважливіше значення має витрата подачі ЗОР. Збільшення тиску подачі ЗОР також не доцільно, оскільки і це призводить до значних зайвих витрат енергії. При швидкісному (силовому) круглому зовнішньому шліфуванні матеріалів I і II групи оброблюваності при подачі ЗОР слід збільшувати тиск при одночасному зниженні витрати ЗОР. Гідроочищення струменем невисокого тиску слід застосовувати при обробці заготовок з матеріалів I і II груп оброблюваності при торцевому шліфуванні з дуже незначною площею зони контакту. При шліфуванні алюмінієвих сплавів треба проводити не тільки гідроочищення, але і очищення ЗОР для зменшення засалювання круга. Очищення ЗОР з метою забезпечення технологічних параметрів слід проводити при обробці заготовок з різних матеріалів для отримання шорсткості поверхні Ra =0,63 мкм і менш. Особливо очищення ЗОР від механічних домішок важливе при повздовжньому шліфуванні кругами високої твердості. Слід також враховувати, який з чинників є домінуючим - продуктивність обробки або енергетичні витрати. За наслідками досліджень може бути сформований банк даних для забезпечення технологічних параметрів при обробці деталей різних класів, таких як шток та гільза гідроциліндра, колінчастий вал, ходовий гвинт, муфта перемикання, золотник та корпус гідророзподільника, кільце підшипника, пластина пластинчастого насоса та інше.

Висновки

Дисертаційна робота присвячена рішенню науково - практичної задачі розробки наукових основ створення і використання систем застосування ЗОР при шліфуванні, на підставі яких реалізована можливість підвищення продуктивності обробки в 1,2 - 3 рази при забезпеченні якості обробленої поверхні і раціональному енергозберігаючому застосуванні ЗОР.

1. Запропоновані методи опису структури абразивних кругів при взаємодії їх з ЗОР. Встановлено, що для оцінки витрати ЗОР, що потрапляє в зону контакту через пори, для опису шліфувальних кругів на керамічних зв'язках можна використовувати електрогідравлічну аналогію, а в умовах засалювання - методи контактних схем. На режимах остаточного шліфування витрата через пори круга і корисна витрата сумірні між собою.

2. Розроблена математична модель сили різання при повздовжньому шліфуванні з урахуванням геометричних параметрів зерна, характеристики круга і його зносу, фізико-механічних властивостей оброблюваного матеріалу. Оригінальна методика визначення характеру розподілу сили різання дозволила встановити, що при повздовжньому шліфуванні із застосуванням ЗОР закон її зміни вздовж зони контакту - гіперболічний. Це дало можливість визначити необхідний розподіл ЗОР в залежності від теплового та силового навантаження зерен круга.

3. Розроблені більш обґрунтовані теплофізичні моделі, які в порівнянні з відомими раніше рішеннями, враховують обмеженість джерела тепла по ширині, повздовжнє переміщення джерела і його вплив на нагрів заготовки, нерівномірний розподіл тепловіддачі по поверхні заготовки поза джерелом тепла, відмінність інтенсивності тепловіддачі в джерелі і поза ним. Сформульовано наукове положення про превалюючий вплив фізико-хімічної дії ЗОР над її охолоджувальною дією на поверхню круга і заготовки в зоні контакту на зниження температури шліфування.

4. Визначено основний принцип стабілізації теплового режиму шліфування, згідно з яким гідравлічні параметри повинні точно відповідати інтенсивності знімання матеріалу. Режим теплообміну, який встановлюється при шліфуванні, окрім відомих параметрів (режим обробки, фізико-хімічні властивості ЗОР і умови її подачі, схема шліфування, габарити заготовки) визначається координатою точки, в якій здійснюється теплообмін. Встановлено, що в умовах швидкісного шліфування при одних і тих же витратах потужності варіювання тиском з метою збільшення коефіцієнту тепловіддачі є ефективнішим, ніж варіювання витратою ЗОР. Запропоновані залежності для розрахунку локальних значень коефіцієнту тепловіддачі.

...