Совершенствование технологии шлифования плоских поверхностей с воздушным вихревым охлаждением

Размещено на http://www.allbest.ru/

[Введите текст]

На правах рукописи

Долганов Александр Михайлович

УДК 621.923.

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ШЛИФОВАНИЯ ПЛОСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ С ВОЗДУШНЫМ ВИХРЕВЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ

Специальность 05.03.01 - «Технологии и оборудование механической и физико-технической обработки»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Ижевск - 2007

Работа выполнена на ОАО «Ижевском заводе нефтяного машиностроения»

Научный руководитель - кандидат технических наук, доцент Иванова Т.Н.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Репко А.В.;

кандидат технических наук, профессор Лукин Л.Л.

Ведущая организация - ОАО «НИТИ «ПРОГРЕСС»» г. Ижевск

Защита состоится "15" июня 2007 г. в 14 час. на заседании диссертационного совета Д 212.065.02 в ГОУ ВПО «Ижевский государственный технический университет» по адресу: 426069 г. Ижевск ул. Студенческая, д. 7.

Автореферат разослан "08" мая 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор И.Е. Беневоленский



ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

В диссертации рассматриваются вопросы, связанные с повышением эффективности обработки плоских поверхностей из сталей 45, ХВГ, 13ХН3А при торцовом шлифовании алмазным инструментом с принудительным воздушным вихревым охлаждением зоны резания.

Актуальность работы. В современных условиях огромное внимание уделяется качеству деталей, которое во многом определяется финишными операциями механической обработки, среди которых наиболее распространена операция плоского шлифования. Поэтому не удивительно, что исследованиям процесса шлифования посвящено множество работ как отечественных, так и зарубежных ученых. Благодаря этим работам изучены многие аспекты процесса шлифования.

Однако сложность процесса плоского шлифования и сопровождающих его явлений не всегда позволяет добиться желаемых результатов, особенно при обработке плоских поверхностей деталей из труднообрабатываемых материалов. Все это приводит к необходимости поиска новых технологических решений, позволяющих высокопроизводительно и бездефектно обрабатывать плоские поверхности, что представляет собой научно-практическую проблему, имеющую большое значение.

Одним из таких решений является разработка и исследование процесса прерывистого торцового шлифования. Потребность машиностроения в обеспечении стабильного качества при производительном плоском торцовом шлифовании с одной стороны и недостаточная изученность возможностей воздушного вихревого охлаждения при шлифовании с другой стороны, предопределили необходимость и актуальность выполнения данной работы.

Целью настоящей работы является: повышение качества обработанной поверхности и увеличение производительности обработки за счет совершенствования технологии процесса шлифования прерывистыми торцовыми кругами.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

определить особенности процесса шлифования прерывистыми кругами;

установить теплофизические параметры процесса шлифования прерывистыми алмазными кругами при воздушном вихревом охлаждении;

разработать шлифовальный инструмент с вихревым охлаждением, обеспечивающий снижение температуры шлифования за счет увеличения теплоотвода из зоны обработки путем подачи холодного воздуха, как в зону резания, так и на участки обрабатываемой поверхности, примыкающие к зоне обработки;

установить закономерности влияния обработки алмазным инструментом с воздушным вихревым охлаждением на показатели качества обрабатываемой поверхности и производительность шлифования;

разработать алгоритм и программу для оптимизации режимов шлифования алмазными прерывистыми инструментами с вихревым воздушным охлаждением;

разработать рекомендации по внедрению результатов исследований в производство.

Методы исследований. Работа выполнена на основе теоретических исследований с использованием соответствующих разделов научных основ технологии машиностроения, теории шлифования, теплофизики процессов резания, термодинамики и газодинамики, аналитических методов математического моделирования, эмпирических зависимостей технико-экономических показателей процесса шлифования от свойств формообразующего инструмента.

Экспериментальные исследования проводились в производственных и лабораторных условиях на опытных установках и модернизированном станке с использованием современной контрольно-измерительной аппаратуры, на основе методов планирования экспериментов и оптимизации процесса обработки. При аналитических исследованиях, расчетах и обработке экспериментальных данных использовались средства вычислительной техники.

Корректность разработанных математических моделей и их адекватность подтверждается использованием известных положений фундаментальных наук, а достоверность полученных теоретических результатов - сходимостью с данными эксперимента и результатами промышленной эксплуатации прерывистых шлифовальных инструментов, а также с результатами исследований других авторов. Полезность и новизна технического решения подтверждается актами внедрения разработанного инструмента с вихревым охлаждением и техническими актами результатов исследований, патентом на изобретение РФ.

На защиту выносятся: результаты теоретических и экспериментальных исследований процесса алмазного торцового шлифования на примере сталей 45, ХВГ, 13ХН3А прерывистым инструментом с воздушным вихревым охлаждением зоны резания, в том числе:

технология процесса шлифования прерывистым инструментом с воздушным вихревым охлаждением;

закономерности изменения температурного поля поверхности детали при шлифовании с воздушным вихревым охлаждением;

особенности теплофизических параметров воздушного вихревого охлаждения при шлифовании;

исследование показателей качества поверхностного слоя обрабатываемых деталей;

конструкция прерывистого шлифовального инструмента с вихревым охлаждением зоны резания;

геометрические параметры режущей поверхности инструмента с вихревым охлаждением: радиуса геометрической формы канавки, расчет длин режущих выступов и канавок, вероятностно-математическое описание толщины срезаемой стружки одним алмазным зерном;

расчет коэффициента теплообмена и скорости истечения воздуха из канавок прерывистого инструмента и траектории движения воздуха;

рекомендации по выбору оптимальных режимов шлифования прерывистым инструментом с вихревым охлаждением зоны резания и внедрению результатов в производство.

Научная новизна результатов исследований.

Совокупность полученных в диссертации научных результатов позволяет разработать технологический процесс шлифования прерывистыми кругами с воздушным вихревым охлаждением на примере сталей 45, ХВГ, 13ХН3А.

Получены зависимости температурного поля поверхности детали при шлифовании с учетом контакта формообразующей части инструмента с обрабатываемой поверхностью детали и подачи потока холодного воздуха. Отличительной особенностью полученных зависимостей, от аналогичных с охлаждением СОЖ, является установленное влияние длин рабочих выступов и канавок, количества вихревых трубок, скорости истечения, температуры и расхода холодного вихревого потока воздуха.

Установлено, что более интенсивное уменьшение температуры обрабатываемой поверхности происходит с увеличением длины канавки, количества вихревых трубок, скорости истечения воздушного вихревого потока. Интенсивный вихревой поток охлажденного воздуха служит в качестве теплоносителя из зоны контакта, что значительно снижает теплонапряженность процесса.

Полученные теплофизические параметры воздушного вихревого охлаждения (увеличение скорости истечения потока, степени расширения, доли холодного потока и уменьшение влажности воздушного потока), позволяют снизить теплонапряженность процесса за счет увеличения эффекта охлаждения в зоне шлифования.

Изменение весовой доли холодного потока неоднозначно влияет на эффект охлаждения. Максимум эффекта охлаждения достигается при весовой доле холодного потока равной 0,25. При дальнейшем увеличении весовой доли холодного потока эффект охлаждения уменьшается и исчезает при 1.

Эффект охлаждения заметно возрастает с ростом степени расширения вихревого воздушного потока, особенно в интервале 1 ч 8, и снижении давления холодного потока. При дальнейшем возрастании степени расширения или уменьшении влажности воздуха темп роста эффекта охлаждения снижается.

Установлена взаимосвязь между производительностью обработки, скоростью резания, скоростью детали, размером зерна, конструктивными особенностями алмазоносного слоя инструмента и теплофизическими параметрами воздушного вихревого охлаждения.

При сохранении характера зависимостей, при шлифовании прерывистым инструментом с воздушным вихревым охлаждением возможна интенсификация режимов обработки.

Практическая ценность.

Разработана новая технология шлифования алмазным прерывистым инструментом с воздушным вихревым охлаждением, обеспечивающая повышение производительности и улучшение показателей качества обработанных плоских поверхностей, увеличение стойкости инструмента.

Разработаны и апробированы практические рекомендации по выбору рациональных параметров вихревого охлаждения и алмазоносного слоя, позволяющие снизить теплонапряженность процесса.

Разработана методика проектирования технологического процесса шлифования плоских поверхностей на примере сталей 45, ХВГ, 13ХН3А прерывистым инструментом с воздушным вихревым охлаждением, обеспечивающая заданную производительность, качество поверхности и стойкость инструмента.

Практическая и научная ценность результатов подтверждена патентом РФ на изобретение «Шлифовальный инструмент с вихревым охлаждением».

Реализация результатов. Созданные технологические разработки повышения эффективности алмазного торцового шлифования прерывистым инструментом с воздушным вихревым охлаждением, выполненные на основе проведенных исследований, предложены для внедрения и приняты в виде типовой технологии при обработке плоских поверхностей из труднообрабатываемых материалов на предприятии ООО «Завод резинотехнических изделий», ДОАО «Ижевский инструментальный завод» концерна «Ижмаш», ФГУП «Ижевский механический завод».

Результаты работы используются в учебном процессе при чтении лекций и проведении лабораторных работ по курсу «Технология обработки конструкционных материалов», «Системы автоматизированного проектирования технологических процессов», «Пневматические системы технологического оборудования», а также при курсовом и дипломном проектировании.

Исследования, результаты которых изложены в диссертации, проводились в соответствии с программой научно-исследовательских работ ОАО «Ижевский завод нефтяного машиностроения», ГОУ ВПО ИжГТУ и гранта Министерства образования Российской Федерации «Возможности абразивного инструмента в совершенствовании технологии производства» Т02-06.3-400.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на следующих конференциях и семинарах:

на VIII Всероссийской науч.-техн. конф. «Современные технологии в машиностроении» 23-24 декабря 2004 г. Пенза;

на V международной научно-технической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы технологии машиностроения «Технология - 2004» - Орел: ОрелГТУ, 2004 г.;

на VIII международной научно-практической конференции «Наука и образование - 2005», Днепропетровск, 2005 г.;

на международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности», Санкт - Петербург, 2005 - 2007 г.г.;

на Х международной научно-технической конференции «Современные тенденции развития транспортного машиностроения», г. Пенза, 2005 г.;

на международной научно-технической конференции «Проблемы исследования и проектирования машин», г. Пенза, 2005 г.;

на научно-практической конференции «Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании», г. Одесса, 2005 - 2007 г.г.;

на IV международной научно-технической конференции «Материалы и технологии XXI века», г. Пенза, 2006 г.;

на Международной научно-технической конференции. «Машиностроение и техносфера ХХШ века», г. Донецк, 2006 г.;

на научно-практической конференции «Современные направления теоретических и прикладных исследований», г. Одесса, 2006, 2007г.

на международной научно-технической конференции «Процессы абразивной обработки, абразивные инструменты и материалы», г. Волжский, 2006 г.;

на 4 Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы повышения эффективности металлообработки на современном этапе», г. Новосибирск, 2006 г.;

на республиканских научно-технических семинарах «Технология обработки материалов», г. Ижевск, 2001 - 2007 г.г.;

на всероссийской научно-технической конференции "Проблемы системного обеспечения качества продукции промышленности", г. Ижевск, 2001 - 2007 г.г.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 20 статьях, монографии, учебном пособии и защищена патентом РФ на изобретение.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка литературы из 180 наименований и 2 приложений. Объем работы 181 страниц машинописного текста, включая 47 рисунков, 7 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

шлифование режим охлаждение круг

Во введении обоснована актуальность исследуемой проблемы обработки плоских поверхностей из сталей 45, ХВГ, 13ХН3А, изложена краткая характеристика работы, показана научная новизна и практическая ценность полученных результатов, приведены сведения об апробации и реализации основных положений диссертации.

В первой главе рассмотрены основные пути совершенствования технологии процесса шлифования плоских поверхностей прерывистыми инструментами.

Эффективность процесса шлифования, интенсивность изнашивания абразивного инструмента, качество обработанной поверхности и другие характеристики, сопровождающие процесс шлифования зависят от свойств внешней среды, в которой происходит резание. Принудительное изменение свойств этой среды - один из путей управления и оптимизации процесса шлифования.

Именно, путем рационального использования смазочно-охлаждающего технологического средства можно значительно уменьшить силы трения и тепловыделение в контакте шлифовальный круг - обрабатываемая деталь, интенсифицировать отвод тепла, обеспечить удаление стружки и отходов шлифования из зоны резания, уменьшить затупление, засаливание и износ шлифовального круга, тем самым повысить производительность обработки и улучшить качество обрабатываемых деталей.

В результате анализа современного состояния технологии шлифования с применением СОТС, выявлено, что известные способы при высокой эффективности, тем не менее, не находят широкого применения в промышленном производстве, поскольку либо ухудшают санитарно-гигиеническую обстановку, либо требуют разработки сложных громоздких устройств, многоступенчатой сепарации и обезвреживания отработавших СОТС, что приводит к увеличению стоимости их утилизации.

Традиционной и самой распространенной естественной смазочно-охлаждающей средой является атмосферный воздух. Поверхности, образующиеся на стальных деталях при шлифовании, сразу же окисляются кислородом воздуха: даже при комнатной температуре скорость образования мономолекулярного слоя окислов на поверхности металла составляет тысячные доли секунды.

Кислород в воздухе, окружающем инструмент при обычных условиях шлифования, препятствует превращению небольших площадок металлического контакта в большую площадку схватывания. Свежеобразованные поверхности на контактной стороне стружки и на заготовке химически очень активны и легко повторно свариваются с инструментом даже после первоначального разделения. Роль кислорода в воздухе заключается в их соединении с вновь образованными металлическими поверхностями, что способствует уменьшению их активности и схватыванию с инструментом.

Применение охлажденного воздуха в процессе шлифования значительно влияет на понижение температуры в зоне резания. И это зависит не только от теплообмена, но и от свойств холодного потока воздуха. Между режущей поверхностью инструмента и обрабатываемой поверхностью материала образуется пленка. Это пленка имеет по жесткости свойства присущие твердому телу, т.к. она не успевает удалиться из зоны контакта за короткий промежуток времени порядка 10-5 сек. При этом сила трения значительно уменьшается по сравнению с трением абразива по материалу детали. Кроме того, пленка не допускает сваривания и прилипания разогретого снимаемого слоя к поверхности абразива, что приводит к понижению в 1,5 - 2 раза количества тепловой энергии выделяемой при шлифовании. Таким образом, воздух сам по себе действует как смазочное и охлаждающее средство.

Наиболее эффективным средством понижения температуры в зоне шлифования является использование кругов с прерывистой рабочей поверхностью, имеющими различное конструктивное исполнение: с кольцевыми проточками на торце, с отверстиями или с пазами (радиальными, наклонными), с абразивным слоем, расположенным эксцентрично к оси вращения инструмента. Такие круги позволяют выполнять шлифование на повышенных режимах резания, достаточно технологичны в изготовлении, имеют повышенную производительность и стойкость.

Проведенный анализ показал, что имеющиеся рекомендации по выбору характеристик и конструктивных параметров инструмента отражают частные случаи, и это сдерживает более широкое применение прерывистых шлифовальных инструментов с охлаждением воздухом.

Указанная проблема может быть решена в конструкции прерывистого инструмента с непосредственной подачей в зону контакта охлажденного воздуха под давлением, с соблюдением всех соответствующих мер безопасности при обслуживании.

Для успешного применения прерывистого инструмента с воздушным вихревым охлаждением наряду с правильным сочетанием свойств алмазных зерен и связки необходимо установить оптимальное соотношение геометрических параметров кругов, динамических характеристик процесса шлифования и конструкций вихревых трубок, подающих холодный воздух в зону контакта.

Проведённый анализ показал, что процесс торцового шлифования инструментами с прерывистой режущей поверхностью и воздушным вихревым охлаждением является весьма перспективным направлением. Потребность машиностроения в обеспечении стабильного качества при производительном плоском торцовом шлифовании с одной стороны и недостаточная изученность подачи вихревого охлажденного воздуха в зону шлифования с другой стороны предопределили необходимость и актуальность выполнения данной работы, были сформулированы цель и задачи исследований. Но для его внедрения в производство необходимо провести теоретические и экспериментальные исследования. Основные цели и задачи данных исследований были сформулированы в заключении первой главы.

Во второй главе приведены результаты исследований тепловых процессов при шлифовании алмазными прерывистыми кругами с подачей охлажденного воздуха в зону резания.

Аналитические исследования тепловых процессов при известных схемах шлифования позволяют заключить, что формирование температуры шлифования зависит от времени действия источника. При этом возможны две стадии работы круга: нагрев за счет абразивных участков и охлаждения за счет канавок круга. Используя конструктивные особенности режущего слоя можно прервать процесс, подавая дополнительное охлаждение в момент действия канавки, чтобы поверхность успела остыть и температура снизиться, до того момента, когда температура достигнет своего максимального значения.

В этом случае интервал нагрева, зависящий от ширины выступа по образующей торца круга, может быть определен из условий длительности процесса шлифования, который, в свою очередь, можно определить, исследовав нестационарное температурное поле полосового источника, представляющего собой чередования интервалов нагрева и охлаждения, движущегося по плоской поверхности. Решение, полученное на основе использования аналитического метода разработанного А.В. Якимовым и В.А. Сипайловым, имеет вид:

в случае нагрева



, (1)

в случае охлаждения

, (2)

где q - плотность теплового потока; л, а - теплофизические параметры обрабатываемого материала; б - коэффициент теплообмена; To - температура тела в начале процесса охлаждения; Tв - температура охлаждающего воздуха; ф, фохл - время действия выступа и канавки; n - количество вихревых трубок; хд - скорость детали.

Подаваемый в зону контакта шлифовального инструмента с обрабатываемой поверхностью интенсивный вихревой поток охлажденного воздуха служит в качестве приемника для поглощения тепла, развиваемого в зоне контакта, что значительно снижает теплонапряженность процесса. Это способствует снижению сил резания, уменьшению шероховатости, неплоскостности, улучшению микрорельефа обрабатываемой поверхности, следовательно, повышается точность и качество обрабатываемой поверхности детали.

Расчет длины канавки между режущими выступами производится на основе задачи о теплообмене свободной поверхности после прекращения действия источника.

В результате выполненных расчетов разработана номограмма, позволяющая для различных режимов шлифования определять время насыщения и длину режущего выступа круга по заранее заданному требованию и максимальной температуре поверхности.

В результате проведенных исследований:

получена функциональная зависимость для расчета температуры в зоне резания с учетом подачи охлажденного воздуха при торцовом шлифовании прерывистым инструментом;

получена зависимость для определения размеров выступов и канавок шлифовального круга с учетом времени нагрева и охлаждения и скорости вращения инструмента;

экспериментальные исследования подтвердили высокую точность расчетов по предложенным аналитическим зависимостям.

Третья глава посвящена исследованию теплофизических параметров воздушного вихревого охлаждения.

Наибольший эффект понижения температуры может быть достигнут путем подачи в зону резания холодного воздушного потока, посредством применения вихревого эффекта, появляющегося в закрученном потоке сжимаемого воздуха и реализующегося в вихревой трубке.

Вихревая трубка представляет собой гладкую цилиндрическую трубку, снабженную тангенциальным соплом, улиткой, диафрагмой с осевым отверстием и дросселем, трубопроводами подачи сжатого воздуха и отвода горячего воздуха.

Вихревой эффект заключается в том что в вихревых трубках происходит разделение закрученного потока воздуха на два (рис. 3.1). При втекании воздуха через сопло образуется интенсивный круговой поток, приосевые слои которого заметно охлаждаются и отводятся через отверстие диафрагмы в виде холодного потока, а периферийные слои подогреваются и вытекают через дроссель в виде горячего потока. По мере прикрытия дросселя общий уровень давления повышается и возрастает расход холодного потока при соответствующем уменьшении горячего потока. При этом температуры горячего и холодного потоков тоже меняются. Один из потоков - периферийный имеет температуру выше температуры исходного потока, а второй - центральный более низкую температуру.

Рис. 1 - Схема течения воздуха в реверсивной вихревой трубке: 1 - гладкая цилиндрическая трубка; 2 - тангенциальное сопло; 3 - улитка; 4 - диафрагма; 5 - профиль скорости газа на входе в вихревую трубку; 6 - микровихрь, образующийся при взаимодействии тангенциального потока с цилиндрической стенкой; 7 - микровихрь, образующийся при взаимодействии тангенциального потока с вихревым течением; 8 - частичка газа с отрицательной пульсацией скорости; 9 - частичка газа с положительной пульсацией скорости; 10 - дроссель, 11 - осевое отверстие, возникающее при открывании дросселя

Если обозначить полную температуру и давление у поступающего в сопло сжатого воздуха через Т* и р*, у холодного потока - через Т*хол и р*хол, а у горячего - Т*гор и р*гор. Тогда эффект охлаждения холодного потока и эффект подогрева горячего потока можно оценить по следующим разностям температур:

ДТхол = Т* - Т*хол; ДТгор =Т*гор - Т* (3)

Абсолютные эффекты охлаждения ДТхол и нагрева ДТгор зависят от многих параметров геометрического и режимного характера. Для конкретной конструкции трубки и давления на входе они существенно зависят от относительной доли охлажденного потока м, который определяется через уравнение баланса массы для вихревой трубки

Gхол=м?G, Gгор=(1-м)?G (3) Рабочий диапазон вихревой трубки находится в пределах 0,2< м<0,8.

Если известно уравнение теплового баланса

мДТхол = (1- м)?ДТгор. (4)

то можно определить удельную холодопроизводительность вихревой трубки

qхол = м?ДТхол?ср = (1-м)ДТгор?ср (5)

где ср - изобарная теплоемкость воздуха.

Максимальное значение qхол достигается при м = 0,5 ч 0,7.

Важной характеристикой режима работы вихревой трубки является степень расширения как отношение полного давления р* на входе в трубку к давлению среды р*хол, в которую происходит истечение воздуха:

р' = р*/р*хол. (6)

Каждое входящее в выражение (6) давление сильно влияет на характеристики вихревой трубки. С ростом р' заметно возрастает эффект охлаждения, особенно в интервале 1<р'<8. При дальнейшем возрастании р' темп роста эффекта охлаждения снижается. При неизменном р' и снижении уровня давлений р* и р*хол эффект охлаждения незначительно уменьшается в виду снижения общего расхода.

Для обобщения оценки эффективности вихревой трубки вместо эффекта охлаждения рассматривают безразмерные величины температурную эффективность зt и адиабатный КПД зq.

, (7)



где ДТ*s - абсолютный эффект понижения температуры при расширении воздуха от давления на входе р* до давления среды, в которую происходит истечение:

. (8)

При небольшом КПД вихревые трубки обладают целым рядом достоинств, которые повышают общую их эффективность. К ним относятся: простота и надежность, отсутствие движущихся механических частей, возможность осуществления нескольких процессов (охлаждение, нагрев, вакуумирование, выделений фракций из потока), плавность регулировки параметров, быстрота включения и выключения, возможность использования различных газов при любых перепадах давления, небольшие габариты и вес, широкий диапазон расхода воздуха.

Максимальные значения абсолютных эффектов охлаждения ДТхол достигаются при м = 0,2 ч 0,3, а эффект подогрева ДТгор при м = 0,85 ч 0,95. Дальнейшее уменьшение м на холодном конце и увеличение на горячем конце приводит к внутренней перестройке потока (из-за повышения гидравлического сопротивления вихревой трубки) и значительном росте влияния на эффекты теплообмена с окружающей средой. Для получения минимального значения р* целесообразно принимать м = 0,3, соответствующее зmax, а максимальная экономичность наступает при м = 0,65 и соответствует (мз)max.

Поэтому использование вихревых трубок выгодно в случае охлаждения или нагрева. Особенно выгодно использование вихревых трубок при наличии сжатого газа.

Если в качестве рабочего тела применяется воздух, то площадь проходного сечения сопла определяется по выражению:



(мм2) (9)

Экспериментально установлено, что для обеспечения плавности входа воздуха и хорошей осевой симметрии оптимальное соотношение b/h = 2. Поэтому высота сопла будет

(3.9)

ширина сопла . (10)

Диаметр вихревой трубы D зависит от площади проходного сечения сопла и по выражению (8) будет:

(11)

Полученный диаметр D уточняется введением поправки на масштаб вихревой трубки:

.(12)

С учетом поправки на масштаб (12) и потребной температурной эффективности зt вихревой трубки (10) общая поправка з определяется как

з = зt +Дз (13)

Введенная поправка используется для инженерных расчетов вихревых трубок с диаметром меньше 33 мм.

Диаметр отверстия диафрагмы Dd зависит от диаметра вихревой трубки и определяется по зависимости:



. (14)

Учитывая трудности при размещении вихревой трубки в шлифовальном круге, а также если сделать вихревую зону в виде усеченного конуса с расширением в сторону дросселя и с углом конусности около 7є, то длину вихревой трубки можно уменьшить до 3-х диаметров при сохранении максимального эффекта охлаждения. Поэтому длина вихревой зоны может приниматься равной 3 диаметрам трубки:

L = 3?D. (15)

В таблице 3.1. приведены результаты расчетов вихревой трубки по зависимостям (1 - 15) при Т* = 20єС.

Таблица 1 - Параметры вихревой трубки

Т*хол, єС	р*хол, МПа	м	з	Fс, мм2	b, мм	h, мм	D, мм	Dd, мм	р'	G*хол, кг/с
0	0,1	0,40	0,25	18,02	6,01	3,00	15,50	7,37	4	0,026
-5	0,1	0,44	0,40	13,29	5,15	2,58	13,31	6,49	3	0,009
-2	0,09	0,22	0,76	56,32	10,61	5,31	27,39	11,47	2,2	0,025
0	0,3	0,43	0,40	10,51	4,59	2,29	11,83	5,73	2	0,014
-5	0,2	0,82	0,30	4,01	2,82	1,42	7,31	4,43	3	0,006
+3	0,05	0,80	0,24	12,52	5,01	2,50	12,92	7,76	5	0,007
-10	0,05	0,40	0,40	18,68	6,10	3,06	15,78	7,49	4	0,008

Проведенные исследования позволяют объяснить сущность вихревого эффекта, получить аналитические зависимости и методику расчета характеристик вихревой трубки, проанализировать эффективность использования теплофизических параметров вихревой трубки и сформулировать дальнейшее направление исследований.

В четвертой главе рассмотрены теоретические предпосылки для определения конструктивных параметров торцового алмазного инструмента с прерывистой поверхностью и подачей охлажденного воздуха в зону резания.

Разработка шлифовального инструмента с воздушным вихревым охлаждением для обработки плоских поверхностей выполнена на основе анализа существующих инструментов, устройств и способов, анализа прерывистой схемы формообразования процесса шлифования.

Шлифовальный инструмент с подачей в зону резания холодного воздушного потока содержит корпус типа ЧК, внутри которого расположены вихревые трубки с углом наклона 10є - 15є к оси вращения инструмента (рис. 2). Трубопроводы подачи атмосферного воздуха и отвода горячего воздуха находятся в пиноли. В абразивном слое с равномерным шагом выполнены канавки переменного сечения, сужающиеся по направлению к наружной поверхности корпуса, с глубиной, соответствующей толщине абразивного слоя и разбивающие режущую поверхность инструмента на отдельные участки: режущие выступы и канавки.

В таком инструменте осуществляется принудительное охлаждение непосредственно самой зоны резания, режущих кромок инструмента и обрабатываемой поверхности. Обслуживание вихревых трубок, их надежность, простота получения холодного потока воздуха, производственная экономичность получения холодного потока позволяют решать проблему охлаждения зоны шлифования без применения традиционных смазочно-охлаждающих жидкостей.

Рис. 2 - Прерывистый шлифовальный инструмент с воздушным вихревым охлаждением. 1 - корпус, 2 - абразивный слой, 3 - канавки, 4 - вихревые трубки, 5 - пиноль, 6 - концентрическое отверстие, 7 - отверстие, 8, 9, 13, 14 - радиальные отверстия, 10 - гайки, 11, 12 - трубопроводы, 15, 16 - трубопроводы, 17 - полость, 18 - отверстие, 19 - муфта, 20 - уплотнительная манжета, 21- резьбовая муфта, 22 - уплотнительные кольца, 23 - прокладка, 24 - винт, 25 - хомутики

Расчет инструмента с прерывистой рабочей поверхностью и подачей холодного воздуха в зону резания включает в себя следующие этапы:

Выбор характеристик и геометрических параметров абразивного инструмента.

Расчет коэффициента теплообмена и траектории движения воздуха на торцовой поверхности круга.

Проверка на соответствие режущей способности формообразующей поверхности круга снимаемому материалу.

Установлено, что эффективность процесса прерывистого шлифования во многом определяется выбором характеристики инструмента. В работе определены требования к абразивному инструменту и области применения кругов из сверхтвердых материалов, а также требования к связке в зависимости от технических требований к поверхностям обрабатываемых деталей.

Характерной особенностью прерывистого шлифовании является то, что при обработке труднообрабатываемых материалов диапазон оптимальной зернистости сдвигается в сторону больших значений по сравнению с характеристиками кругов со сплошной режущей поверхностью, и применением более прочных алмазов.

Расчет оптимальной траектории движения воздуха включает в себя непосредственный расчет траектории и коэффициента теплообмена с учетом тангенциальной скорости выхода холодного потока из вихревых трубок и скорости истечения воздуха по канавкам на торцовой поверхности круга при вращении. В результате теоретических исследований по расчету траектории движения воздуха была получена зависимость по определению текущего радиуса этой траектории:

, (16)

где k - коэффициент пропорциональности;

m - масса воздуха при расходе G.

- начальная скорость на входе в канавки абразивного слоя, соответствующая тангенциальной скорости выхода холодного потока а из вихревой трубки;

- критическая или предельная скорость, к которой стремится скорость ист при неограниченном возрастании времени.

Скорость истечения определяется как

, (17)

где ц - угол наклона траектории движения потока воздуха; r0 - средний радиус алмазного слоя;

- параметр замены.

При определении геометрических параметров формообразующих элементов режущей поверхности было установлено, что если на круге сделать ряд чередующихся выступов и канавок с постоянным или периодически изменяющимся шагом, то период работы одного режущего выступа будет меньше времени теплового насыщения. При этих условиях температура в зоне контакта из-за прерывания процесса резания будет уменьшаться. Одинаковая степень понижения температуры может быть получена при различных сочетаниях режущих выступов и канавок. Поэтому в работе проведен выбор геометрических параметров кругов не только с учетом теплонапряженности процесса, но и их износостойкости.

Важнейшей характеристикой абразивного инструмента является количество активных абразивных зерен на единице рабочей поверхности шлифовального круга. Знание этой характеристики позволит правильно представлять размеры среза, осуществляемого одним зерном, и определять нагрузку, приходящуюся на одно зерно, от которой зависит стойкость инструмента.

Существующие методы определения количества зерен на рабочей поверхности круга весьма разнообразны и дают противоречивые показатели. Поэтому для уточнения имеющихся данных была разработана математическая модель абразивного инструмента, которая позволила получить более объективную оценку информации об этой характеристике абразивного инструмента. На ее основе предложена формула для расчета средневероятной толщины среза, снимаемого одним зерном.

Математические зависимости для расчета ожидаемого количества режущих зерен на поверхности инструмента были получены для сверхтвердых материалов.

Расчет толщины среза, снимаемого одним зерном, позволил определить величину продольной подачи (скорости детали), являющейся одним из основных параметров режимов резания. Так применительно к шлифованию прерывистым инструментом, если выбран абразивный материал и его параметры, установлена допустимая толщина срезаемого слоя в зависимости от физико-механических свойств обрабатываемого материала и скорости резания, то зависимость по определению скорости детали будет

(18)



где - радиус вершины зерна, К2 - концентрация; rн, rвн, rср - геометрические параметры алмазоносного слоя; mp - вероятное количество зерен на 1 мм2, участвующих в работе; am - толщина срезаемого слоя.

Выбранный режим обработки с учетом соотношения площадей режущих выступов и канавок обеспечивает максимальный съем металла, при условии, что толщина срезов не превышает средневероятных критических значений, при которых наступает разрушение абразивного зерна.

Теоретические и экспериментальные исследования, выполненные в данной главе, позволили:

разработать конструкцию алмазного прерывистого инструмента с подачей охлажденного воздуха в зону резания для торцового шлифования плоских поверхностей;

разработать методику выбора характеристик и геометрических параметров инструмента;

получить математическую зависимость для определения траектории движения воздуха, позволяющую рассчитать радиус геометрической формы канавки, при которой будет максимальная скорость истечения воздуха;

получить зависимости, позволяющие выбирать режимы обработки с учетом возможного съема металла одним зерном с целью максимальной интенсификации процесса обработки.

В пятой главе приведены результаты исследований технологических показателей шлифования прерывистым инструментом с воздушным вихревым охлаждением. Для сравнения были проведены экспериментальные исследования и по шлифованию прерывистым инструментом с подачей СОЖ, и обычным (сплошным) алмазным инструментом с подачей СОЖ поливом.

Экспериментальные исследования по определению температуры в зоне шлифовании прерывистым инструментом с воздушным вихревым охлаждением подтверждают теоретические расчеты. Температурные кривые, записанные полуискусственной термопарой, заделанной в шлифуемый образец, показывают уменьшение контактной температуры до 40 - 50 % в зависимости от режима шлифования и конструкции прерывистого инструмента.

Оценка эффективности шлифования прерывистым инструментом с воздушным вихревым охлаждением определялась по технико-экономическим показателям: силы резания, шероховатость, непрямолинейность, микротвердость, интенсивность съема металла и удельный расход алмазов.

Экспериментальные зависимости сил резания, шероховатости, производительности и расхода алмазов от режимов обработки и характеристик инструмента позволили объяснить преимущества плоского шлифования алмазным прерывистым инструментом с подачей воздушного вихревого охлаждения в зону резания. Это достигается за счет создания лучших условий для подвода охлажденного воздуха и выноса шлама из зоны резания. Охлажденный воздух позволяет зернам шлифовального инструмента работать при значительных нагрузках, и поглощает тепло, развиваемого в зоне контакта шлифовального круга и обрабатываемого материала. В связи с этим в плоскости контакта шлифовального круга с обрабатываемой поверхностью устанавливается более низкая температура, чем на соответствующей плоскости круга и обрабатываемой поверхности при использовании смазочно-охлаждающей жидкости. Связка шлифовального инструмента с вихревым охлаждением защищена от теплового разрушения и поэтому прочно и долго удерживает зерно, сохраняя его стабильные режущие свойства. Это снижает температуру и силы резания, позволяет интенсифицировать режимы шлифования.

Быстровращающийся шлифовальный инструмент с вихревым охлаждением обладает большей режущей способностью, в результате слой металла на каждой элементарной площадке обрабатываемой поверхности за время контакта с кругом полностью срезается и образуется малая шероховатость и неплоскостность, повышается микротвердость. Увеличение режущей способности круга позволяет снизить удельный износ прерывистого инструмента с воздушным вихревым охлаждением и повысить производительность обработки.

Увеличенная скорость истечения воздушного вихревого потока из канавок инструмента по сравнению со скоростью смазочно-охлаждающей жидкости, позволяет потоку воздуха без разбрызгивания и потерь непосредственно поступать в зону шлифования, что позволяет значительно уменьшить засаливание круга, коэффициент трения и мощность, затрачиваемую на шлифование, что приводит к снижению теплонапряженности процесса шлифования и сил резания.

В результате исследований физико-механического состояния поверхностного слоя получены кривые, характеризующие микротвердость, позволяющие выявить рациональные, с точки зрения обеспечения качества поверхностного слоя, режимы шлифования. Изучение микроструктуры при шлифовании инструментом с воздушным вихревым охлаждением при обработке стали ХВГ показали полную идентичность строения поверхностного слоя и фазового состава с глубинными слоями.

При внедрении алмазного прерывистого инструмента с воздушным вихревым охлаждением в промышленность требуется выбор и обоснование оптимальных режимов шлифования, позволяющих обеспечивать максимальную производительность обработки при выполнении заданных требований к качеству получаемых поверхностей. В результате исследований были получены поверхности отклика в области оптимума с помощью двухмерных сечений (рис. 3).

Анализ нескольких линий равного отклика дает возможность показать характер изменения функции отклика при варьировании различных факторов и найти оптимальные решения, при наличии нескольких параметров оптимизации. Путем наложения сечений можно выбирать такое сочетание режимов шлифования прерывистым инструментом с воздушным вихревым охлаждением, которые позволяют решать задачи оптимизации технологического процесса обработки.

Теоретические и экспериментальные исследования и промышленное внедрение высокоэффективного способа шлифования показали, что шлифование прерывистыми кругами с воздушным вихревым охлаждением зоны резания обеспечивают значительное повышение производительности, улучшения качества и увеличение долговечности плоских поверхностей.

Рис. 3 - Двухмерные сечения поверхностей отклика. Сплошная линия - шероховатость Ra, мкм; штрих-пунктирная линия - тангенциальная составляющая силы резания Pz, Н; шриховая линия - удельный расход алмазов qал при глубине шлифования t = 0,3 мм

На основании экспериментальных исследований разработаны рекомендации по выбору оптимальных режимов шлифования алмазным прерывистым инструментом с воздушным вихревым охлаждением зоны резания для обработки плоских поверхностей из сталей 45, ХВГ, 13ХН3А.



ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполненного комплекса исследований осуществлено решение актуальной научно-технической проблемы повышения эффективности алмазного торцового шлифования за счет применения прерывистого инструмента с воздушным вихревым охлаждением зоны резания при обработке плоских поверхностей из сталей 45, ХВГ, 13ХН3А путем разработки вопросы технологии шлифования.

На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

Проведенный анализ особенностей процесса торцового шлифования показал, что снижение теплонапряженности процесса можно обеспечить прерывистыми кругами с воздушным вихревым охлаждением.

Проведено исследование теплообразования при шлифовании прерывистыми инструментами с подачей холодного воздушного потока в зону резания. Полученные зависимости температурного поля поверхности детали при шлифовании устанавливают влияние длин рабочих выступов и канавок, количества вихревых трубок, скорости истечения, температуры и расхода холодного вихревого потока воздуха.

Полученные теплофизические параметры воздушного вихревого охлаждения (увеличение скорости истечения потока, степени расширения, доли холодного потока и уменьшение влажности воздушного потока), позволяют снизить теплонапряженность процесса за счет увеличения эффекта охлаждения в зоне шлифования.

Изменение весовой доли холодного потока неоднозначно влияет на эффект охлаждения. Максимум эффекта охлаждения достигается при весовой доле холодного потока равной 0,25. При дальнейшем увеличении весовой доли холодного потока эффект охлаждения уменьшается и исчезает при 1.

Эффект охлаждения заметно возрастает с ростом степени расширения вихревого воздушного потока, особенно в интервале 1 ч 8, и снижении давления холодного потока. При дальнейшем возрастании степени расширения или уменьшении влажности воздуха темп роста эффекта охлаждения снижается.

Разработанная новая конструкция прерывистого инструмента с воздушным вихревым охлаждением, позволяет снизить температуру в зоне контакта инструмента с обрабатываемой поверхностью за счет подачи холодного воздушного потока изнутри инструмента в канавки режущей поверхности круга.

Установлено, что более интенсивное уменьшение температуры обрабатываемой поверхности происходит с увеличением длины канавки, количества вихревых трубок, скорости истечения воздушного вихревого потока.

Максимальная производительность инструмента достигается при форме канавки близкой к дуге параболической спирали, максимальный эффект охлаждения достигается при сечении канавки, сужающейся по направлению истечения потока воздуха из инструмента.

Выполнено комплексное исследование функциональных (силовых, температурных) и выходных (шероховатость, неплоскостность, микротвердость обрабатываемой поверхности) параметров процесса шлифования прерывистым инструментом с воздушным вихревым охлаждением переменных характеристик в производственных условиях при обработке сталей 45, ХВГ, 13ХН3А.

Результаты исследований выявили существенные технологические преимущества разработанной конструкции инструмента в стабилизации функциональных и выходных параметров процесса торцового шлифования. Разработана методика проектирования технологического процесса шлифования плоских поверхностей прерывистым инструментом с воздушным вихревым охлаждением, обеспечивающую интенсификацию режимов обработки, повышение производительности и улучшение качества обрабатываемых поверхностей, и увеличение стойкости инструмента.

На основании экспериментальных исследований разработаны рекомендации по выбору оптимальных режимов шлифования прерывистым инструментом с воздушным вихревым охлаждением плоских поверхностей из сталей 45, ХВГ, 13ХН3А.

Установлено, что шероховатость Ra = 0,02 - 0,10 мкм, неплоскостность 0,003 - 0,006 мм может быть получена при хд = 4 - 6,0 м/мин, t = 0,2 - 0,4 мм, хкр = 38 - 45 м/с.



ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ ОТРАЖЕНЫ В СЛЕДУЮЩИХ ПУБЛИКАЦИЯХ

1. Долганов А.М. Тепловой режим абразивного зерна при шлифовании / Сб. науч. тр. аспирантов и преподавателей, посвященный памяти Ф.Ю. Свитковского. Под ред. Т.Н. Ивановой. Ижевск - Екатеринбург: изд-во Института экономики Ур РАН, 2003. С. 170 -173.

2. Долганов А.М., Иванова Т.Н. Технологические возможности повышения производительности шлифования. Сб. ст. VIII Всероссийской науч.-техн. конф. «Современные технологии в машиностроении» 23-24 декабря 2004 г. Пенза: Приволжский дом знаний, 2004. Стр. 50-52.

3. Долганов А.М. Влияние процесса торцового шлифования на качество обрабатываемых плоских поверхностей. / Сб. V международной науч.-техн. Интернет конф. «Фундаментальные и прикладные проблемы технологии машиностроения «Технология - 2004» - Орел: ОрелГТУ, 2004.

4. Долганов А.М., Иванова Т.Н., Люпа Д.С. Некоторые особенности алмазного торцового шлифования металлов. Материалы VIII межд. науч-практич. конф. «Наука и образование-2005», том 61. Техника. - Днепропетровск: Наука и образование, 2005. стр. 71-74.

5. Долганов А.М., Иванова Т.Н., Люпа Д.С. Исследование, разработка и применение технологических процессов шлифования в машиностроении. / Высокие технологии, фундаментальные и прикладные исследования, образование. Т.1: Сборник трудов Первой междун. науч.-практич. конф. «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» / Под ред. А.П. Кудинова, Г.Г. Матвиенко. СПб.: изд-во Политехн. ун-та, 2005. С. 223-225.

6. Долганов А.М., Иванова Т.Н., Люпа Д.С. Современные тенденции в управлении процессом шлифования. Сб. ст. Х международной науч-техн. конф. «Современные тенденции развития транспортного машиностроения» - Пенза: Пензенский государственный университет, 2005. С. 39-41.

7. Долганов А.М. Исследование температурного поля при шлифовании. Сб. ст. международной науч.-техн. конф. «Проблемы исследования и проектирования машин». 24 - 25 ноября 2005 г. - Пенза: НОУ «Приволжский дом знаний», 2005. С. 81-84.

8. Долганов А.М., Иванова Т.Н. Образование и регулирование микрорельефа поверхности детали при шлифовании. Сб. научных тр. научно-практ. конф. «Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании». Том 2. Технические науки. - Одесса: Черноморье, 2005. С. 69-71.

9. Долганов А.М. Анализ работоспособности шлифовального алмазного инструмента. Сб. научных тр. «Технологическое обеспечение надежности и долговечности машин. - Ижевск: ИПМ УрО РАН, 2006. С. 141-144.

10. Долганов А.М. Исследование теплонапряженности процесса торцового шлифования. / Обработка металлов. Технология. Оборудование, Инструменты № 1(30), 2006. Стр. 35-37.

11. Долганов А.М. Шлифовальный инструмент XXI века. Сб. ст. IV международной науч.-техн. конф. «Материалы и технологии XXI века». 23 - 24 марта 2006 г. - Пенза: НОУ «Приволжский дом знаний», 2006. С. 131-133.

12. Долганов А.М., Иванова Т.Н. Исследование температуры оснастки при шлифовании. / Прогрессивные технологии и системы машиностроения: межд. сб. науч. тр. - Донецк: ДонНТУ, 2006. - вып. 31. - С. 111 - 119.

13. Долганов А.М. Теоретические предпосылки для определения оптимальных параметров алмазного прерывистого инструмента. Сб. научных тр. научно-практ. конф. «Современные направления теоретических и прикладных исследований». Т. 3. Технические науки. - Одесса: Черноморье, 2006. С. 4 - 8.

14. Долганов А.М., Иванова Т.Н. Научно-технологическое обеспечение процесса шлифования как высокой технологии XXI века. / Высокие технологии, фундаментальные и прикладные исследования, образование. Т. 6: Сб. тр. Второй международной научно-практической конф. «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» / Под ред. А.П. Кудинова, Г.Г. Матвиенко, В.Ф. Самохина. 07-09.02.2006, СПб: изд-во Политехнического ун-та, 2006. С. 58 - 59.

15. Долганов А.М. Повышение эффективности шлифования за счет применения инструмента с вихревым охлаждением. Сб. статей международной научно-техн. конф. «Процессы абразивной обработки, абразивные инструменты и материалы». Волжский: Волжский институт строительства и технологий (филиал) ВолгГАСУ, 2006. с. 142 - 145.

16. Долганов А.М. Перспективный шлифовальный инструмент с вихревым охлаждением. Сб. ст. 4 Всероссийской науч.-практ. конф. 23.03.2006 «Проблемы повышения эффективности металлообработки на современном этапе». Новосибирск: Новосибирский государственный технический университет», 2006. с. 55 - 59.

17. Долганов А.М. Современные проблемы применения смазочно-охлаждающих технологических средств при обработке труднообрабатываемых материалов. Сб. научных тр. межд. научно-практ. конф. «Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании Т2006». Том 2. Технические науки. - Одесса: Черноморье, 2006. С. 61 - 64.

18. Долганов А.М. Применение воздушного охлаждения как высокой технологии при обработке металлов. / Высокие технологии, фундаментальные и прикладные исследования, образование. Т. 8: Сб. тр. Третьей международной научно-практической конф. «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» / Под ред. А.П. Кудинова, Г.Г. Матвиенко. 14-17.03.2007, СПб: изд-во Политехнического ун-та, 2007. С. 212 - 213.

19. Долганов А.М., Иванова Т.Н. Применение вихревого эффекта охлаждения при шлифовании. / Прогрессивные технологии и системы машиностроения: межд. сб. науч. тр. - Донецк: ДонНТУ, 2007. - вып. 31. - С 133 - 137.

20. Долганов А.М. Теоретические основы вихревого эффекта охлаждения при шлифовании. Сб. научных тр. научно-практ. конф. «Современные направления теоретических и прикладных исследований». Т. 3. Технические науки. - Одесса: Черноморье, 2007. С. 26 -30.

...