Полный текст

Введение В настоящее время в различных отраслях производства широко применяются операции плоского шлифования торцом круга. Эти операции осуществляются на плоскошлифовальных станках. На машиностроительных предприятиях, как правило, используются шлифовальные станки с геометрическим замыканием кинематической цепи «абразивный круг - обрабатываемая поверхность» (рис. 1, б) [1]. В этом случае глубина резания t шлифовальным кругом определяется настроечным размером h между базовой поверхностью станка и абразивным инструментом. Жесткость и виброустойчивость такой схемы позволяет обеспечить высокую геометрическую и размерную точность, а также высокое качество обработанной поверхности. При этом глубина резания t является параметром известным и при формировании технологического процесса учитывается при назначении режимов резания [2]. а б Рис. 1. Принципиальные схемы шлифования торцом круга: 1 - шлифовальный электродвигатель; 2 - шлифовальный круг; 3 - обрабатываемая деталь; 4 - базовая поверхность; 5 - подмоторная плита; 6 - станина; 7 - пневмоцилиндр; 8 - параллелограммный механизм Кроме классических плоскошлифовальных станков существует и специализированное оборудование, также работающее по принципу плоского шлифования торцом круга, но имеющее принципиальное отличие, заключающееся в силовом замыкании кинематической цепи «абразивный круг - обрабатываемая поверхность» (рис. 1, а). При такой схеме шлифовальный круг 2 прижимается к обрабатываемой поверхности пневмоцилиндром 7 через приводной электродвигатель 1, закрепленный на подмоторной плите 5 параллелограммной подвески 8. Такая конструкция обеспечивает строго вертикальное опускание и поднимание шлифовальной головки. Усилие прижатия F шлифовального круга к обрабатываемой поверхности определяется давлением в пневмоцилиндре, которое автоматически регулируется в зависимости от токовой нагрузки на обмотках электродвигателя. Ярким примером применения такой схемы шлифования является оборудование для профилирования головки рельсов, используемое как в стационарных условиях, на рельсосварочных предприятиях, так и на специализированных машинах на железнодорожном ходу [3]. На высокую точность обработки данная схема не претендует, а эффективность ее применения определяется прежде всего повышенной производительностью. Недостатком силового замыкания является невозможность назначения глубины резания t в качестве исходных данных. Глубина резания самопроизвольно формируется в процессе обработки в зависимости от ряда факторов: усилия прижатия, геометрии и физико-механических свойств обрабатываемой поверхности, режимов обработки и др. Всё это приводит к снижению эффективности шлифования с применением данной схемы по причине нерациональной работы абразивного инструмента. Для устранения указанного недостатка при формировании технологического процесса с применением упругой подвески шлифовальной головки необходимо создать теоретическую основу, позволяющую использовать глубину резания в качестве назначаемого и управляемого параметра, позволяющего устанавливать максимально эффективные режимы работы абразивного инструмента [4]. Теория Основным параметром, определяющим эффективность процесса шлифования, является глубина среза единичным абразивным зерном. Для ее нахождения воспользуемся известной формулой, определяющей объем металла, удаляемого за проход шлифовальным кругом [5]: где B - ширина дорожки шлифования, мм; L - длина обрабатываемого участка пути, мм; t - глубина резания шлифовальным кругом, мм. Этот же объем удаленного металла представим выражением [6] (1) где aср - средняя глубина единичных срезов абразивными зернами, мм; γ - передний угол режущей части абразивного зерна, град; μ - концентрация единичных срезов по длине обработанной поверхности, шт./мм. Приравняв эти два объема, определили среднюю глубину среза единичными зернами по формуле (2) в которой определяющим параметром является концентрация единичных рисок по длине обработанной поверхности μ, которую можно определить по формуле где Z - концентрация зерен на рабочей поверхности шлифовального круга, шт./мм2 [7]. Проведенный кинематический анализ [6] позволил определить время, за которое шлифовальный круг проходит расстояние для полной обработки поверхности: где Rкр - наружный радиус шлифовального круга, мм; rкр - внутренний радиус шлифовального круга, мм; Sп - продольная минутная подача, м/мин. С учетом полученных выражений среднюю глубину среза единичными зернами определили по формуле (3) где vср - средняя скорость движения зерен, расположенных на разном расстоянии от оси вращения круга, м/с. Анализ полученной зависимости показал, что влияние режимных факторов на глубину срезов абразивными зернами в равной степени одинаково на всем диапазоне их изменения. Увеличение одного из параметров в два раза при постоянных других приводит к изменению аср в среднем в 1,4 раза [6]. Определение рациональных значений возможного повышения режимных параметров шлифования требует рассмотрения кинематики процесса в комплексе с силовой моделью процесса шлифования рельсов [8]. С точки зрения обеспечения максимальной производительности задача, решаемая силовой моделью, сводится к определению максимально возможной глубины единичного среза aкр, превышение которой приводит к вырыванию абразивного зерна из связки шлифовального круга [9]. Как отмечено в исследованиях А.В. Королева [10], наиболее опасными являются растягивающие напряжения в связке, которые в большей степени определяются тангенциальной составляющей силы резания, значение которой можно определить, воспользовавшись моделью, разработанной С.Н. Корчаком [11]. Согласно этой модели сила, действующая на единичное абразивное зерно, F¢ является суммой тангенциальных сил от напряжения пластического сдвига и трения о заднюю поверхность зерна. С учетом принятых моделей формула для определения тангенциальной составляющей силы резания будет иметь следующий вид: (4) где τс - касательные напряжения, при которых происходит сдвиг в зоне деформации, МПа; где β1 - угол между линией среза и направлением равнодействующей от сил пластического деформирования срезаемого слоя; β - угол между плоскостью сдвига и линией среза. Критическую нагрузку, вырывающую зерно из связки шлифовального круга, с достаточной степенью точности определили по формуле [12] (5) где dз - диаметр абразивного зерна шлифовального круга, мм; σсв - предельная величина напряжений материала связки на растяжение, МПа; Kстр - коэффициент структуры шлифовального круга, учитывающий наличие пор в зоне контакта абразивного зерна со связкой. Если считать соотношение (4) справедливым для критических значений параметров среза aкр, произведем замену в этом соотношении aср на aкр. С учетом принятого допущения приравняем правые части формул (4) и (5), а полученное уравнение решим относительно aкр: (6) Таким образом, получена зависимость, определяющая максимально возможное значение глубины единичного среза, при котором происходит вырывание острого абразивного зерна из связки шлифовального круга [6]. Максимально возможная глубина резания шлифовальным кругом определена из расчета критической нагрузки на единичное зерно. Для этого приравняли величину акр, рассчитанную из условия прочности закрепления зерна в связке (6), к величине аmax, определенную по кинематическим параметрам (3), а полученное уравнение решили относительно t: (7) Полученная формула устанавливает связь глубины резания шлифовальным кругом с кинематическими и силовыми параметрами процесса шлифования, характеристикой шлифовального круга и обрабатываемого материала и позволяет рассчитывать глубину резания шлифовальным кругом при работе инструмента в режиме самозатачивания. Величина глубины резания, полученная по данной формуле, позволяет обеспечить максимальную производительность шлифования. При этом полученное значение t является предельно допустимым, а его превышение приведет к катастрофическому износу абразивного инструмента [6]. Методика экспериментального исследования Для оценки справедливости полученной зависимости проведен эксперимент, целью которого ставилось сравнение расчетных значений максимально возможной глубины резания tрасчет с фактически полученными значениями t при шлифовании. Исследования проводились на специально изготовленной установке [13], на шлифовальных кругах, изготовленных с использованием циркониевого электрокорунда на бакелитовой связке пяти различных рецептур производства компании «Абразивные заводы Урала» [14]. Методика проведения эксперимента заключалась в изменении усилия прижатия шлифовального круга к обрабатываемой поверхности при постоянной скорости резания и продольной подачи в соответствии со значениями, принятыми в расчете. Усилие прижатия позволяло изменять глубину резания, фактическое значение которой определялось измерением обрабатываемой поверхности до и после шлифования [6]. В качестве критерия, определяющего оптимальность глубины резания, был принят коэффициент шлифования Kш, характеризующий отношение объема удаленного металла к объемному износу инструмента. В соответствии с этим для каждого шлифовального круга было рассчитано значение Kш. Значение глубины резания, соответствующее максимальному коэффициенту шлифования, являлось наиболее эффективным, и это значение сравнивалось с расчетным [6]. Результаты и обсуждения Проведенный эксперимент показал, что для максимального коэффициента шлифования Kш (рис. 2) расхождение фактически полученных значений глубины резания t с расчетными значениями tрасчет в среднем составляет 12 %. Так, наибольшие расхождения результатов 17,5 и 13,1 % отмечены при исследовании шлифовальных кругов с максимальной зернистостью соответственно 200 и 160 мкм. Минимальное отклонение 7,9 % зафиксировано при наименьшей зернистости инструмента 100 мкм. Рис. 2. Влияние глубины резания на коэффициент шлифования. Марки шлифовальных кругов: 1 - 35-250´76´150 38А 160 ЧТ2 БУ; 2 - 35-250´76´150 38А 100 Т1 БУ; 3 - 35-250´76´150 38А 125 СТ3 БУ; 4 - 35-250´76´150 38А 125 ВТ1 БУ; 5 - 35-250´76´150 38А 200 ЧТ2 БУ На графиках видно, что экстремумы экспериментальных кривых смещены относительно расчетных прямых в сторону уменьшения глубины резания (см. рис. 2). Это говорит о более высоких значениях сил резания, действующих на шлифовальный круг, нежели значения сил резания, определенные в расчете. На основе проведенных исследований можно сделать вывод, что аналитическая модель определения оптимальной глубины резания, с учетом выявленных особенностей расчета, может использоваться на начальных этапах проектирования технологического процесса шлифования и с достаточной точностью определять режимные области обработки с учетом кинематических и силовых параметров. Практическая реализация Полученные результаты исследований были апробированы при проектировании технологического процесса шлифования рельсов на рельсошлифовальном поезде РШП-48. При этом необходимо было учитывать тот факт, что основным критерием эффективности процесса шлифования рельсов является производительность обработки в силу условий эксплуатации железнодорожного пути. Очевидно, при профильном шлифовании рельсов, так же как и при других видах шлифования, высокие скорости не всегда будут эффективны. Необходимо найти область рационального применения высоких скоростей резания, разработать технологические рекомендации по их применению. Для реализации этой задачи была разработана методика проектирования технологического процесса шлифования рельсов с учетом полученных результатов математического моделирования. В общем виде указанную методику можно описать следующими этапами [15, 16]: 1. Формирование исходных данных (характеристики абразивного инструмента и рабочего оборудования, параметры обрабатываемого участка пути и требования по формированию качества поверхности рельсов на данном участке, база ремонтных профилей рельсов). 2. В соответствии с характеристикой абразивного инструмента, из условия критической силы резания, определяется максимальная глубина резания, которая, с учетом выбранного ремонтного профиля рельса, определяет количество проходов и фактическую глубину резания на каждом проходе для каждого шлифовального круга. 3. Устанавливаются режимы шлифования, определяющие максимальную производительность обработки. По заданным режимам шлифования рассчитываются параметры качества поверхности после обработки. 4. Производится сравнение расчетных значений параметров качества поверхности с требуемыми значениями, и при несоблюдении условий создается цикл по корректировке режимов шлифования в сторону уменьшения производительности. Значения режимов шлифования, удовлетворяющие всем условиям, задают контрольные параметры рабочего оборудования: силу тока шлифовальных электродвигателей и давление в пневмосистеме прижатия шлифовальных кругов. Полученные значения формируют технологический процесс шлифования рельсов. Разработанная методика проектирования технологических процессов шлифования рельсов, реализующая принцип оптимизации комплекса параметров механической обработки для обеспечения повышенного уровня эксплуатационных свойств рельсов с максимальной производительностью, позволила реализовать принципиально новый подход в планировании технологических воздействий, выборе режимов и условий шлифования, заключающийся в обеспечении требуемых параметров качества поверхности с максимальной производительностью. Реализация данного подхода была бы не возможна без возможности назначения глубины резания на стадии формирования технологического процесса. Заключение Разработанная модель процесса шлифования торцом круга, учитывающая особенность нестационарной обработки, заключающейся в упругой подвеске шлифовальной головки, позволила выявить взаимосвязи параметров технологического процесса и использовать глубину резания t в качестве управляемого параметра механической обработки. Полученные результаты позволили внести в технологию шлифования торцом круга с применением упругой подвески шлифовальной головки элемент управления, реализуемого в части оптимизации работы абразивного инструмента.

Об авторах

В. А Аксенов

Российская открытая академия транспорта Московского государственного университета путей сообщения

Email: v.aksenov@rgotups.ru

А. С Ильиных

Сибирский государственный университет путей сообщения

М. С Галай

Сибирский государственный университет путей сообщения

А. В Матафонов

Центральная дирекция по ремонту пути

Список литературы

Статистика

Просмотры

Аннотация - 65

PDF (Russian) - 22

Ссылки

• Ссылки не определены.