Повышение эффективности работы шлифовального круга за счет создания "бегущей волны" на его рабочей поверхности - Статья

ПОВЫШЕНИЕ ЭФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ШЛИФОВАЛЬНОГО КРУГА ЗА СЧЕТ СОЗДАНИЯ «БЕГУЩЕЙ ВОЛНЫ» НА ЕГО РАБОЧЕЙ ПОВЕРХНОСТИ Разработана методика эксплуатации шлифовального круга с учетом управления процессом износа рабочей поверхности режущего инструмента на операциях шлифованияСебестоимость данной операции, так же, существенно отражается на себестоимости готового изделия, и в большинстве случаев зависит от стойкости режущего инструмента, его способности сохранять необходимые режущие характеристики в процессе обработки для обеспечения изготовления деталей с заданными параметрами точности. По данным [1] расход шлифовальных кругов на правку составляет 90 - 95 % от общего их расхода, а затраты на правку достигают 70% от себестоимости операций. При этом прослеживается взаимосвязь затрат на правку с шлифуемостью материала заготовки: чем труднее обрабатывается материал заготовки, тем большую долю составляют затраты на правку в себестоимости операции. 1 - кругло шлифовальный полуавтомат модели ВИА-16, 2 - шлифовальный круг (ШК), 3 - заготовка, 4 - тензоцентра, 5 - устройство профилографирования ШК, 6 - датчик угла поворота - бесконтактный вращающиеся трансформатор модели 5БВТ-Д, 7 - привод ШК для профилографирования, 8 - магнитострикционный преобразователь, 9 - устройство для правки ШК. Необходимо отметить, что время эксплуатации ШК, по предложенной методики, можно увеличить используя эффект самозатачивания РПШК в процессе резания, но реализация «самозатачивания РПШК» затруднено вследствие изменения режимных параметров процесса резания, так как процесс имеет большие инерционные характеристики, а их изменения могут привести к дестабилизации работы процесса резания в целом, и как следствие, к появлению брака - прижогов на обрабатываемой поверхности заготовки.

Основной задачей современного производства является выпуск конкурентно способной продукции. Конкурентность, в свою очередь, достигается соотношением себестоимости изделия к его качественным показателям. Формирование же качественных показателей, как правило, происходит на финишных операциях технологического процесса изготовления изделия - на операциях шлифования. Себестоимость данной операции, так же, существенно отражается на себестоимости готового изделия, и в большинстве случаев зависит от стойкости режущего инструмента, его способности сохранять необходимые режущие характеристики в процессе обработки для обеспечения изготовления деталей с заданными параметрами точности.

Неотъемлемой частью процесса шлифования является правка шлифовального круга. По данным [1] расход шлифовальных кругов на правку составляет 90 - 95 % от общего их расхода, а затраты на правку достигают 70% от себестоимости операций. При этом прослеживается взаимосвязь затрат на правку с шлифуемостью материала заготовки: чем труднее обрабатывается материал заготовки, тем большую долю составляют затраты на правку в себестоимости операции. Учитывая, что в современном машиностроении труднообрабатываемые материалы (коррозионностойкие и жаростойкие стали, титановые и жаропрочные никелевые сплавы и др.) все шире используются для изготовления деталей машин, вопрос сокращения доли операции правки в процессе шлифования становятся все более актуальным.

Основной причиной для проведения процесса правки шлифовального круга является неравномерный износ его рабочей поверхности в процессе обработки деталей, появление недопустимой волнистости на его периферии, сокращение его режущих характеристик и, как следствие, снижение качества обработанной поверхности - появление волнистости, отклонения формы, прижогов и т.д.

Целью данной статьи является повышения эффективности работы режущего инструмента с учетом снижения доли затрат на проведения операции правки шлифовального круга за счет разработки методики управления процессом износа РПШК.

Основное содержание работы. На рисунке 1 представлена экспериментальная установка обработки деталей на операциях круглого наружного шлифования. Принцип работы установки приводиться в [2], отличительной особенностью от уже рассмотренной установки является наличие устройства правки ШК 9.

Рисунок 1 - Экспериментальная установка (вид сверху)

1 - кругло шлифовальный полуавтомат модели ВИА-16, 2 - шлифовальный круг (ШК), 3 - заготовка, 4 - тензоцентра, 5 - устройство профилографирования ШК, 6 - датчик угла поворота - бесконтактный вращающиеся трансформатор модели 5БВТ-Д, 7 - привод ШК для профилографирования, 8 - магнитострикционный преобразователь, 9 - устройство для правки ШК.

УЗК - ультро-звуковой генератор модели УЗГ 3 0.4, УП - усилитель - преобразователь сигналов (тензостанция) модели ТС-6К, АЦП - аналога - цефровой преобразователь модели ЛА-50USB

Вісник СЕВНТУ: зб. наук. пр. Вип. 150/2014. Серія: Машиноприладобудування та транспорт. — Севастополь, 2014.

МАШИНОПРИЛАДОБУДУВАННЯ ТА ТРАНСПОРТ 179

На рисунке 2 представлена Блок-схема работы экспериментальной установки (рисунок 1)

Начало 1

2 Данные

Процесс 3 А правки ШК

нет Анализ 4 состояния

РПШК да 5 Процесс резания

(ПР)

6 да Анализ нет состояния ПР

7 Б

Коррекция ПР

9 8 да Анализ состояния

РПШК нет Анализ да состояния ПР

нет

Конец 10

Рисунок 2 - Блок-схема работы экспериментальной установки

Общая концепция работы экспериментальной установки описывается следующим алгоритмом: 1. Формирование начальных характеристик РПШК происходит в процессе правки ШК: R(j,х) = R0(x) AA (x)?cos(kj gk (x)), (1) k=1 m k где R0(x) - среднее значение радиуса ШК, Ак (x) - амплитуда и gk (x) - фаза k -й гармоники в плоскости проведенной на расстоянии x от базовой плоскости.

Так как формирование начальной РПШК в процессе правки большей степени зависит от жестко -демпфирующих характеристик приводов станка [1], то актуально производить «управляемый» процесс правки, на котором производится формирование РПШК с заданной геометрией Ак (x) и (kj gk (x)) (рисунок 2, блок А).

На «управляемом» процессе правки при помощи магните - стрикционного привода (рисунок 1, п.9) на правящий инструмент подается вибрационный сигнал заданного закона, вследствие чего на

Вісник СЕВНТУ: зб. наук. пр. Вип. 150/2014. Серія: Машиноприладобудування та транспорт. — Севастополь, 2014.

180 МАШИНОПРИЛАДОБУДУВАННЯ ТА ТРАНСПОРТ

РПШК формируется профиль с заданными параметрами волнистости D[R]0 = Ak (x)2 - начальная дисперсия волнистости РПШК.

2

Анализ геометрии РПШК осуществляется путем профиллоtrialрования (рисунок 1, п.5), результатом данной операции является построение kpytrialamm и определение закона распределения волнистости на РПШК. По полученным данным формирtrial данные для коррекции параметров процесса резания [2].

2. Износ РПШК происходит в процессе резания от оборота i к обороту i 1 и корреляционно связан с исходной формой РПШК (1): D i(j,x)=DR ( ,x) A R j(x)?cos(jj g j(x)), (2) j i D

R где DR ( ,x) - реднее значение износа ШК, ADR j(x) - мплитуда и g j(x) - фаза j -й гармоники в плоскости проведенной на расстоянии x от базовой плоскости. j i

В условии установившегося процесса износ является постоянным ( DRI(j,x) = DRI 1(j,x)), но не равномерным по РПШК изза сдвига фазы износа g j (x) за счет жестко - демпфирующих характеристик процесса резания […].

Контроль состояния процесса резания осуществляется путем анализа силовых параметров процесса при помощи тензоцентров заготовки (рисунок 1, п. 4).

При достижении «критичных» силовых параметров процесса резания, когда D[Ri]@ D[R]max , проводится коррекция - сдвиг фазы волнистости РПШК на угол ai = artcos?ADR ji 2Ak ? для достижения

? ?

? ? эффекта самоперерезания волн, путем ввода дополнительного вибрационного сигнала со стороны заготовки посредством магните - стрикционного привода (рисунок 1, п.8) или изменением жестко - демпфирующих характеристик процесса (разно массовая оправка) (рисунок 3, блок Б).

3. В случаи, когда коррекция параметров процесса резания не приводит к стабилизации (износ РПШК выше допустимого уровня - D[Ri]> D[R]max ), проводится процесс правки.

4. Если ШК претерпел критический износ (ШК выработан до недопустимого диаметра или получен механический скол на РПШК) процесс прекращается, проводится переналадка оборудования.

На рисунке 3 представлен формализированный график отражающий цикличность процесса эксплуатации ШК с учетом проведения операций коррекции в процессе обработки детали.

Рисунок 3 - График эксплуатации ШК

На начальном этапе, точка А, проводится операция правки ШК, на которой формируется исходный профиль РПШК с дисперсией D[R]0 . Кривая АВ характеризует процесс резания, в ходе которого происходит рост величины дисперсии до уровня D[R]max после чего проводится коррекция, кривая ВС, результатом которой является снижение величины дисперсии до уровня D[R]ic . Величина D[R]ic > D[R]0 это связано с особенностями процесса износа РПШК при обработке детали - снижение режущих способностей ШК за счет образования площадок на режущих гранях зерен, засаливания между зерновых пор продуктами съема материала и т.д. Далее возобновляется без коррекционный процесс резания, кривая СД.

Принципы функционирования циклов АВ-ВС-СД повторяются до тех пор (точка Х), когда процесс коррекции становится невозможен изза недопустимого снижения режущей способности РПШК. Для восстановления режущей способности необходимо провести процесс правки ШК.

Вісник СЕВНТУ: зб. наук. пр. Вип. 150/2014. Серія: Машиноприладобудування та транспорт. — Севастополь, 2014.

МАШИНОПРИЛАДОБУДУВАННЯ ТА ТРАНСПОРТ 181

Необходимо отметить, что время эксплуатации ШК, по предложенной методики, можно увеличить используя эффект самозатачивания РПШК в процессе резания, но реализация «самозатачивания РПШК» затруднено вследствие изменения режимных параметров процесса резания, так как процесс имеет большие инерционные характеристики, а их изменения могут привести к дестабилизации работы процесса резания в целом, и как следствие, к появлению брака - прижогов на обрабатываемой поверхности заготовки.

Методика эксплуатации ШК, рисунок 3, представляет собой эффект «Бегущей волны» [4], вернее его частного случая «Частично бегущей волны» широко применяемый в разделах физики, описывающие волновые процессы, в радио-электроники и пневмо и гидродинамики, теории упругости и т.д.

Эффект «Частично бегущей волны» представляет собой волновое движение, при котором поверхность равных фаз (фазовые волновые фронты) перемещается с конечной скоростью (постоянной для однородной среды), но с разными амплитудами. С бегущей волной, групповая скорость которой отлична от нуля, связан перенос энергии, импульса или других характеристик процесса.

Реализация эффекта «Частично бегущей волны» на РПШК в процессе резания (рисунок 3) возможно только при наличии системы управления (рисунок 2), ядром которой, является математическая модель износа РПШК. Рассмотрим основные положения модели: 1. Исходя из основных характеристик эффекта [4] для его реализации необходимо, что бы значения амплитуд на участках (рисунок 3) были постоянны, т.е. А (x) =const, следовательно, дисперсия износа D[DR]=const. k

2. Так как процесс является дискретным (от i к i 1), то исходя из уравнения (1) с учетом износа (2) получим: А (x)1 ?cos(kj gk (x)1) = Ak (x)0 ?cos(kj 0) ADR j(x)1 ?cos(jj g j(x)1). (3) k

3. Исходя из выше изложенного, введем ряд допущений: - изменение амплитуды волнистости за один оборот ШК значительно меньше амплитуды исходной волнистости A R j(x) >> А (x)0 ;

D k

- для установившегося процесса A R j(x) =С?А (x)0

D k

Тогда при А (x)1 = А (x)0 , уравнение (3) запишется в виде: k k для первого контакта cos(kj gk (x)1) = cos(kj 0) C?cos( jj g j(x)1), для второго контактаcos(kj gk (x)1 gk (x)2) = cos(kj gk (x)1) C?cos(jj g j(x)1 g j(x)2). 4. С учетом многопроходности процесса шлифования, уравнение (3) будет иметь вид: cos(kj gk(x)i) =cos(kj gk(x)i 1) C?cos(jj gj(x)i) (4)

5. Величина сдвига фазы исходной волнистости за счет износа РПШК в процессе резания определяется как разность между последующими контактами: gk(x)i =gk(x)i 1 g j(x)i), (5) где где gk (x)i и gk (x)i 1 - фазы профиля шлифовального круга на i и i 1 обороте, g j (x)i) - фаза износа шлифовального круга на i обороте.

6. Изменение профиля шлифовального круга во времени является процессом случайным. Корреляционная функция, характеризующая изменение отклонений профиля, уравнение (3), описывается известной зависимостью [5]: K g1,g2)= ? 2 ADR2 A ? ADR ?cosa?cosk(g2 g1) (6) 7. Дисперсия профиля D[DR]определяется по корреляционной функции (6) K( 1,g2 ) из условия

2

2

? ?

? ?

? ?

A k k

( g равенства углов g1 = g2 : D[DR]= 20 ADR A 0 ? ADR cosa (7) 8. Из анализа уравнения (7) следует, что дисперсия профиля D[DR] остается неизменной в том

2 k

A 2 k

2 случае, если сумма второго и третьего слагаемых уравнения (7) равняется нулю:

Вісник СЕВНТУ: зб. наук. пр. Вип. 150/2014. Серія: Машиноприладобудування та транспорт. — Севастополь, 2014.

182 МАШИНОПРИЛАДОБУДУВАННЯ ТА ТРАНСПОРТ

ADR A 0 ? ADR cosa = 0 (8)

2 k

2

Откуда: D[DR]= Ak0 - const - постоянная величина, обозначим как DП .

2

2

9. Значение угла a - характеризующего смещение между амплитудой начальной волнистости Ak0 шлифовального круга и амплитудой износа ADR (рисунок 4, а), определяется из уравнения (8) cosa = ADR = C (9) k0

2 2

A Коэффициент C (9) характеризует природу износа шлифовального круга в процессе обработки и зависит от характеристик режущего инструмента и процесса резания в целом.

а) б)

Рисунок 4 - а) - Смещение амплитуды износа относительно амплитуды начальной волнистости шлифовального круга; б) - Изменение дисперсии D DR с учетом сдвига фаз a и коэффициента C . (при ADR =1 мкм).

[

]

Анализ зависимости (7) показывает, что дисперсия рабочего профиля шлифовального круга изменяется за период его стойкости, что существенно отражается на показателях процесса обработки. Возможно управление дисперсией рабочего профиля инструмента за счет изменения сдвига фаз a и коэффициента C (рисунок 4, б) так: при a = 0 - наблюдается максимальный износ на вершине волнистости (cosa = 2A 0 = 2 =1, C =1/2 );

D

A R

C k при a =p - максимальный износ во впадине волны (cosa = 2Ak0 = 2 = 1).

A DR

C

Выводы. Представленная методика позволяет увеличить время эксплуатации режущего инструмента, сократить расход шлифовального круга на операциях правки и тем самым снизить себестоимость процесса обработки.

Перспективы дальнейших исследований в данной области. Разработка автоматизированной системы функционирования установки, как замкнутой системы, с элементами САК и ЧПУ. Переход от макро к микроуровням в описании РПШК, с учетом изменения шероховатости ШК за счет износа режущих зерен, процесса выкрашивания и т.д.

1. Киселев Е.С. Теплофизика правки шлифовальных кругов с применением сож. / Е.С. Киселев. — Ульяновск: УЛГТУ, 2001. — 171 с.

2. Титков В.А. Экспериментальная установка вибрационной обработки деталей на операциях круглого наружного шлифования / В.А. Титков // Вісник СЕВНТУ. Серія: Машиноприладобудування та транспорт: зб. наук. пр. — Севастополь, 2013. — Вип. 140/2013. — С. 184-189.

3. Титков В.А. Формирование рабочего профиля шлифовального круга в процессе правки / В.А. Титков, Ю.К. Новоселов, Д.А. Каинов // Вісник СЕВНТУ. Серія: Машиноприладобудування та транспорт: зб. наук. пр. — Севастополь, 2012. — Вип. 128/2012. — С. 242-248.

4. Прохоров А.М. Физический энциклопедический словарь / А.М. Прохоров. — М.: Советская энциклопедия, 1983. — 453 с.

Вісник СЕВНТУ: зб. наук. пр. Вип. 150/2014. Серія: Машиноприладобудування та транспорт. — Севастополь, 2014.

МАШИНОПРИЛАДОБУДУВАННЯ ТА ТРАНСПОРТ 183

5. Новоселов Ю.К. Обеспечение стабильности точности деталей при шлифовании / Ю.К. Новоселов, Е.Ю. Татаркин. — Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1988. — 128 с.

Поступила в редакцию 03.01.2014 г.

Тітков В.А. Підвищення ефективності роботи шліфувального круга за рахунок створення «біжучої хвилі» на його робочій поверхні

Розроблена методика експлуатації шліфувального круга з урахуванням управління процесом зносу робочої поверхні ріжучого інструменту на операціях шліфування

Ключові слова: Робоча поверхню шліфувального круга (РПШК), правка, знос, корування, дисперсія, бігуча хвиля.

Titkov V.A. Improving the efficiency of operation of the grinding wheel by creating a «traveling wave» on its surface

The developed method of operation the grinding wheel with the account management process of deterioration of a working surface of a cutting tool grinding operations.

Keywords: working surface of grinding wheel (WSGW), edit, wear, control, dispersion, traveling wave.

Вісник СЕВНТУ: зб. наук. пр. Вип. 150/2014. Серія: Машиноприладобудування та транспорт. — Севастополь, 2014.