Оценка влияния угла охвата лентой обрабатываемой проволоки на характеристики динамической устойчивости процесса ротационного ленточного охватывающего шлифования

http://vestnik-nauki.ru

2016, Т 2, №1

УДК 621.923.01

ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ УГЛА ОХВАТА ЛЕНТОЙ ОБРАБАТЫВАЕМОЙ ПРОВОЛОКИ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ДИНАМИЧЕСКОЙ УСТОЙЧИВОСТИ ПРОЦЕССА РОТАЦИОННОГО ЛЕНТОЧНОГО ОХВАТЫВАЮЩЕГО

ШЛИФОВАНИЯ

С. А. Шиляев

ASSESSMENT OF TAPE WRAP ANGLE MACHINING WIRE ON THE CHARACTERISTICS OF THE DYNAMIC STABILITY OF ROTARY BAND GRINDING

S.A. Shilyaev

Аннотация. Качество поверхностного слоя деталей формируется в результате действия режущего инструмента на материал заготовки в процессе резания. В работе представлена оценка влияния угла охвата лентой обрабатываемой проволоки на характеристики динамической устойчивости процесса обработки на устройстве ротационного охватывающего ленточного шлифования. На основании результатов исследований предложены и обоснованы рациональные конструктивные параметры устройства и технологические режимы обработки на устройстве ротационного ленточного охватывающего шлифования.

Ключевые слова: машиностроение; шлифование; ленточное шлифование; проволока; качество; производительность

Abstract. Quality of the surface layer is a result of the impact of a cutting tool on work material while cutting. The paper presents an assessment of the effect of the angle of wrap tape processed wire on the characteristics of dynamic stability of the processing on the device covering the rotary sanding belt. The results of study offer and explain rational constructive parameters of device and processing modes with the device for rotary band grinding.

Keywords: mechanical; grinding; grinding tape; wire; quality; performance

Состояние проблемы

Качество обработанной поверхности в значительной степени определяется достигнутой в результате обработки шероховатостью поверхности. Зависимость шероховатости от режимов шлифования оценивалась многими исследователями, при этом результаты этих оценок существенно зависели от условий проведения экспериментов и имели довольно широкий диапазон. Качество поверхностного слоя деталей формируется в результате действия режущего инструмента на материал заготовки в процессе резания. Вибрации и колебания при резании, вызывающие периодические перемещения режущей кромки инструмента относительно обрабатываемой детали, увеличивают шероховатость обработанной поверхности [1, 2, 3].

На работающих станках наблюдаются вынужденные и автоматические колебания, передающиеся на станок от соседних станков. Первые вызывают неуравновешенность подвижных вращающихся частей станка и инструмента, а также неравномерность процесса резания. Особенностью вынужденных колебаний является то, что они происходят с частотой, равной (реже кратной) частоте возмущающей силы почти независимо от назначаемых в процессе обработки режимов резания. Наибольшая амплитуда вынужденных колебаний наблюдается при совпадении их частоты с частотой собственных колебаний системы, т. е. при наступлении резонанса.

Безвибрационная обработка деталей на станках может быть обеспечена двумя

http://vestnik-nauki.ru

2016, Т 2, №1

способами [2, 3]:

1) созданием оптимальных условий обработки деталей (правильный выбор режимов резания и инструментов, обеспечения достаточной жесткости системы и т. п.), исключающих возможность появления вибрации. Эти способы уменьшают силы, возбуждающие автоколебания (пассивные способы);

2) применением виброгасителей и повышением жесткости системы станок -приспособление - инструмент - заготовка, что способствует поглощению энергии автоколебаний (активные способы).

Наиболее типичными являются случаи, когда при использовании нормативных режимов резания на станке возникают вибрации, которые приходится устранять изменением технологии обработки деталей. В таких случаях корректируют режимы резания с целью, чтобы их изменение уменьшало силы возбуждения и интенсивность.

При шлифовании упругие перемещения абразивных зерен в значительной мере определяют устойчивость динамической системы станка. Увеличение жесткости опоры зерен в процессе работы приводит к возникновению и интенсификации вибраций. На рис. 1 показана принципиальная схема упругого взаимодействия абразивного инструмента с обрабатываемой деталью, существенным элементом которой является упругое зерно с массой тз и жесткостью сз, размещаемое между шпинделем с инструментом и деталью. Возможная причина возникновения вибраций - не только затупление абразивных зерен, а изменение жесткости опоры зерна в процессе работы инструмента. При наличии устойчивой системы в начальный период работы изменение сз может привести к потере устойчивости системы [3, 4]. Если абразивное зерно, обладающее массой тз имеет упругую опору, то естественно предположить, что в процессе взаимодействия его с обрабатываемым материалом оно будет совершать радиальные, а возможно и другие колебания.

Анализ априорных данных о геометрии вершины зерна и рисок, полученных отдельными зернами в определенных условиях, указывают на наличие высокочастотных радиальных колебаний абразивных зерен, а если это так, то можно найти условия интенсификации взаимодействия колеблющегося зерна с поверхностью, имеющей регулярный характер неровностей. Возможно, совпадение собственной частоты зерна с частотой прохождения неровностей обрабатываемой поверхности может позволить интенсифицировать съем материала. Отсюда возникает задача, связанная с изучением колебаний абразивного зерна.

Рисунок 1 - Принципиальная схема упругого взаимодействия абразивного инструмента с обрабатываемой деталью

Постановка задачи

Процесс ленточного шлифования остается одним из самых сложных с точки зрения моделирования состояния режущего инструмента в процессе обработки и прогнозирования качества обработанной поверхности. Это вызвано случайным расположением абразивных зерен на поверхности инструмента, упругим отжатием и вибрацией абразивных зерен в процессе обработки, постоянно меняющейся площадью зоны контакта. При ленточном шлифовании поворот зерен более выражен в связи с тем, что клеевая связка более эластична по сравнению со связками, применяемыми в шлифовальных кругах, и отсутствуют мостики связки, фиксирующие зерна в боковом направлении. Таким образом, при наличии тканевой

http://vestnik-nauki.ru

основы и эластичной клеевой связки относительное перемещение зерен будет практически независимым.

Известно, что чем больше абразивных зерен, одновременно участвует в резании, тем меньше толщина слоя, срезаемого одним зерном, и наоборот. От толщины среза зависят многие факторы шлифования, в частности, длина дуги контакта, время этого контакта, силовая нагрузка на зерно и энергия, затрачиваемая на удаление металла, а также температура, возникающая в зоне контакта зерна с деталью. Все это в значительной мере сказывается на стойкости абразивного инструмента, его производительности и качестве обработанной поверхности.

Для получения высокого качества поверхности бунтовой проволоки разработано устройство ротационного ленточного охватывающего шлифования [3, 6, 7], позволяющее выполнять обработку с увеличенной площадью контакта инструмента и заготовки.

В основе ротационного ленточного охватывающего шлифования принята схема (рис. 2), в которой абразивная лента располагается на трех роликах - приводном, натяжном и ведомом, и получает главное движение со скоростью резания В1(Урез). При вращении планшайбы абразивная лента огибает проволоку, обеспечивая круговую подачу В2(Бкр) для осуществления процесса резания. Для обработки проволоки по длине задаем продольную подачу от привода подач П3(8прод).

Рисунок 2 - Схема резания при обработке бунтовой проволоки ленточным шлифованием: В1 (Урез) - вращательное движение - скорость резания; В2(Бкр) - вращательное движение - круговая подача ленты с планшайбой; 3(8прод) -прямолинейное движение - продольная подача проволоки

На основании схемы резания при обработке бунтовой проволоки ленточным шлифованием (рис. 2) автором в составе творческого коллектива спроектированы устройства ротационного ленточного охватывающего шлифования, использующие одну (Свидетельство №11503 - Устройство для ленточного шлифования [8]) (рис. 3, а) и две абразивные ленты (Патент на изобретение №2228831 - Ленточно-шлифовальный станок [9]) (рис. 3, б).

http://vestnik-nauki.ru

2016, Т 2, №1

а)

б)

Рисунок 3 - Схема ротационного ленточного охватывающего шлифования: а) с одной абразивной лентой; б) с двумя абразивными лентами

Решение поставленной задачи

Увеличить количество режущих абразивных зерен при ленточном шлифовании можно путем увеличения ширины шлифования и увеличения длины дуги контакта инструмента с обрабатываемой поверхностью. При шлифовании свободной ветвью абразивной лентой бунтовой проволоки увеличение длины дуги контакта возможно за счет увеличения угла охвата абразивным инструментом обрабатываемой заготовки. Кроме того, для обеспечения формообразования протяженной цилиндрической поверхности при обработке бунтовой проволоки необходимо обеспечить вращение инструмента вокруг обрабатываемой заготовки. При увеличении ширины шлифования для обеспечения равномерного прижима ленты к заготовке в процессе обработки и повышения качества поверхности необходимо, чтобы проволока в процессе нагружения от сил резания имела минимальный прогиб в продольном направлении.

Для увеличения площади контакта абразивной ленты с проволокой необходимо изменять положение опорных роликов. Возможными являются следующие схемы изменения площади контакта абразивной ленты с проволокой: с одновременным перемещением двух роликов (натяжного и ведомого ролика) и с перемещением только ведомого ролика по эвольвентой направляющей. Изменение угла охвата за счет перемещения двух роликов имеет существенный недостаток, который заключается в сложности регулирования путем одновременного перемещения обоих роликов. При шлифовании бунтовой проволоки изменять угол охвата ленты с проволокой следует за счет смещения ведомого ролика по эвольвенте (рис. 4).

Реализация схемы (рис. 4) с перемещением ведомого ролика и установленным на планшайбу опорным ножом позволяет увеличить угол охвата, что в свою очередь увеличивает площадь контакта между абразивной лентой и обрабатываемой заготовки и уменьшает прогиб обрабатываемой проволоки, вследствие чего повышается качество шлифованной поверхности.

Исследование динамики привода движения абразивной ленты устройства ротационного ленточного охватывающего шлифования, а также исследование поведения абразивного слоя ленты с учетом упругих свойств связки рассмотрены в работах [3, 10, 11]. Решение аналитических зависимостей на основе уравнений динамики относительного движения абразивной ленты устройства ротационного ленточного охватывающего шлифования, позволили установить критерии и режимы работы устройства, при которых наблюдаемые автоколебания не ухудшают качество поверхности готового изделия.

Рисунок 4 - Схема изменения угла охвата шлифовальной лентой обрабатываемой проволоки Рассматриваемые колебания зерен различным образом влияют на шероховатость поверхности проволоки. Линейные колебания зерен создают на поверхности проволоки микронеровности, которые снижают качество обработки. Следует выбирать режимы обработки с незначительными амплитудами линейных колебаний. Угловые колебания зерен оказывает положительное влияние на качество шероховатой поверхности. Вследствие этих колебаний различные участки рабочей поверхности зерен участвуют в работе, что способствует самоочистке и самозатачиванию зерен. Засаливание зерен не происходит. Указанный положительный эффект наблюдается при амплитудных значениях угловых смещений - 50° <ак < +50°. При больших значениях углов поворота продольной оси зерен происходит разрушение связки, зерна вырывает с поверхности шлифовальной ленты.

Для оценки влияния угла охвата лентой обрабатываемой проволоки на характеристики динамической устойчивости процесса проведены исследования, показывающие, что, как и радиус проволоки, угол охвата проволоки мало влияет на устойчивость процессов автоколебаний, хотя с увеличением угла охвата амплитуда колебаний растет по экспоненциальному закону. С этой точки зрения угол охвата следует ограничивать в пределах 50^55°. (рис. 5).

При увеличении угла охвата характер колебаний не изменяется (рис. 5), но время обработки одним зерном увеличивается, за счет увеличения дуги, проходимой зерном по проволоке. На графиках колебаний происходит увеличение амплитудных значений линейных и угловых смещений зерна при увеличении угла охвата. Анализ уравнений и графических результатов показывает, что при увеличении угла охвата происходит увеличение натяжения в ленте на дуге охвата с увеличением поджима связки. Этот эффект описывается экспоненциальным законом и не влияет на саму картину колебаний зерен. В целом увеличение угла охвата в пределах конструктивных возможностей устройства ротационного ленточного охватывающего шлифования (до 60^65°) положительно влияет на качество обработанной поверхности за счет большего количества зерен, участвующих одновременного в процессе шлифования. Но следует ограничивать угол охвата в пределах 50^55°, чтобы угловые колебания зерна не выходили за допустимые рамки ±50^60° для исключения вырывания зерна из связки.

При выборе шлифовальной ленты для решения конкретных производственных задач необходимо обратить внимание на режущую способность ленты, а именно на коэффициент шлифования. Коэффициент шлифования отражает режущую способность зерен (отношение горизонтальной и вертикальной сил резания). На рис. 6 показаны зависимости линейных и угловых колебаний зерен шлифовальной ленты в зависимости от коэффициента шлифования ц. С увеличением режущей способности, то есть ростом коэффициента ц уменьшаются амплитуды колебаний, следовательно, повышается производительность процесса и

http://vestnik-nauki.ru

уменьшается шероховатость обработанной поверхности. Однако одновременно следует принимать верхние значения силы натяжения ленты, чтобы обеспечить необходимую эффективность процесса.

а)

б)

Рисунок 5 - Графики линейных (а) и угловых (б) колебаний зерна в зависимости от угла охвата лентой проволоки: скорость ленты 18 м/с; натяжение 60 Н; коэффициент шлифования 0,7; диаметр проволоки 5 мм Для увеличения коэффициента д можно применять ленты, в которых обеспечивается закономерное расположение зерен на связке (электростатический способ нанесения зерен), использование зерен закономерной структуры (сиЫ1хоп, тп2ас1 и вс^сИ-Ьгке).

Из анализа условий эксплуатации шлифовальных лент следует, что наибольшее влияние на ее работоспособность оказывают шлифовальные зерна, т.к. именно они являются главными участниками процесса резания. Однако не все зерна полностью используют свои потенциальные возможности. Одна из основных причин низкой эффективности работы зерен в ленте состоит в том, что они имеют произвольную форму и расположение, как следствие, непредсказуемую и часто неблагоприятную для резания геометрию. Подтверждено, что на формирование обработанной поверхности, наряду с формой зерен, влияет также и конкретное расположение зерна на поверхности ленты.

Результаты проведенных исследований хорошо согласуются с работами [4, 5, 12] в которых выявлено и подтверждено, что форма шлифовальных зерен, используемых для изготовления шлифовальных лент и других инструментов, изменяется в широком диапазоне от изометрических до пластинчатых разновидностей и это обстоятельство оказывает существенное влияние на работоспособность инструментов и эффективность процесса шлифования. Большое влияние на эффективность работы лент оказывает также ориентация зерен относительно плоскости резания. При этом установлено, что прочность и режущая способность единичных шлифовальных зерен зависит от их формы и ориентации. Наибольшая режущая способность достигается при угле наклона зерен в интервале 60°^90° в направлении резания.

http://vestnik-nauki.ru

а)

б)

Рисунок 6 - Зависимости линейных (а) и угловых (б) колебаний зерен шлифовальной ленты в зависимости от коэффициента шлифования при следующих параметрах: скорость ленты 18 м/с, усилие натяжения 70 Н, лента зернистостью 40, диаметр проволоки 5 мм

Лабораторные испытания подтверждают, что использование в конструкции шлифовальных лент зерен с контролируемой формой и ориентацией [12] позволяет значительно повысить их работоспособность по сравнению со стандартной лентой. Причем, выбор той или иной формы и ориентации зерен зависит от конкретной задачи.

Таким образом, разработанная динамическая модель ротационного ленточного охватывающего шлифования позволяет определить диапазоны динамической устойчивости устройства ротационного ленточного охватывающего шлифования. Четко установлены границы скоростей ленты (16^18 м/с) и натяжения ленты (50^80Н), в пределах которых не происходит резонанса в колебаниях ленты и зерна в связке. Корме того биения ленты из-за неточности изготовления роликов лентопротяжного механизма оказываются несущественными. Достоверность результатов подтверждается экспериментальными исследованиями, при которых установлено, что при натяжении ленты свыше установленных границ происходит значительное ухудшение качественных показателей, в частности, увеличение шероховатости обработанной поверхности.

Заключение

В результате сравнения качественных и количественных показателей возможных методов обработки бунтовой проволоки, а именно шероховатости поверхности, производительности обработки и стойкости режущего инструмента, установлено, что массовое производство высококачественной бунтовой проволоки диаметром от 1,4 мм до 6 мм должно ориентироваться на технологию обработки проволоки в бунтах, при этом ротационное ленточное охватывающее шлифование является наиболее рациональным методом обработки бунтовой проволоки.

http://vestnik-nauki.ru

2016, Т 2, №1

Угол охвата проволоки при указанных режимах обработки мало влияет на устойчивость процессов автоколебаний, хотя с увеличением угла охвата амплитуда колебаний растет по экспоненциальному закону. С этой точки зрения угол охвата следует ограничивать в пределах 50^55°. При выборе шлифовальной ленты для решения конкретных производственных задач необходимо обратить внимание на режущую способность ленты, а именно на коэффициент шлифования. С увеличением режущей способности, то есть с ростом коэффициента д, уменьшаются амплитуды колебаний, следовательно, повышается производительность процесса и уменьшается шероховатость обработанной поверхности. Однако одновременно следует принимать верхние значения силы натяжения ленты, чтобы обеспечить необходимую эффективность процесса. Для увеличения коэффициента д можно применять ленты, в которых обеспечивается закономерное расположение зерен на связке (электростатический способ нанесения зерен), использование зерен закономерной структуры (сиЫ1хоп, тп2ас! и всо1;ск-Ьп1е). Для получения полированной поверхности проволоки следует применять шлифовальные ленты с алмазными зернами зернистостью порядка 5М.

1. Маслов Е.Н. Теория шлифования материалов. М.: Машиностроение, 1974. 319 с.

2. Кудинов В. А. Динамика станков. М.: Машиностроение, 1967. 357 с.

3. Шиляев С. А. Создание оборудования и эффективной технологии ротационного ленточного охватывающего шлифования бунтовой проволоки малого диаметра: диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.02.13 -Машины, агрегаты и процессы (машиностроение)»; Ижевск: ФГБОУ ВПО «ИжГТУ имени М.Т. Калашникова», 2013. 348с.

4. Зенков Б.Н., Трифонов О.А. Определение жесткости опоры зерна абразивного круга в процессе шлифования // Совершенствование процессов обработки металлов резанием. - Ижевск: «ИМИ», 1975. №6. С.43-48.

5. Пузанов В.В., Зенков Б.Н., Трифонов О.А. Устойчивость динамической системы станка при шлифовании // Совершенствование процессов обработки металлов резанием. -Ижевск: «ИМИ», 1976. №1. С.3-14.

6. Шиляев С. А. Автоматическая линия для ротационного охватывающего ленточного шлифования длинномерных заготовок малого диаметра // Вестник машиностроения. Москва: ООО «Издательство Машиностроение», 2009. №4. С.71-74.

7. Шиляев С.А., Федоров В.Б. Технология и устройство ротационного ленточного охватывающего шлифования бунтовой проволоки малого диаметра // Вюник СевНТУ: Зб. наукових праць. Серiя: Машиноприладобудування та транспорт. Севастополь: СевНТУ, 2014. №150. С.196-201.

8. Устройство для ленточного шлифования / С.А. Шиляев, Ф.Ю. Свитковский, Т.Н. Иванова, С.Л. Сюрсин, А.И. Гальчик. Свидетельство №11503. Заявл.05.04.99. Опубликовано: 16.10.99, Бюл. №10.

9. Ленточно-шлифовальный станок / С.А. Шиляев, Ф.Ю. Свитковский, Т.Н. Иванова. Патент на изобретение №2228831. Заявл.25.07.2002. Опубликовано: 20.05.2004, Бюл. №14.

10. Шиляев С. А., Иванов А.Г. Исследование поведения шлифовального слоя ленты с учетом упругих свойств связки // Интеллектуальные системы в производстве. Ижевск: ИжГТУ, 2010. №2 (16). С.69-77.

11. Шиляев С.А., Иванов А.Г. Исследование динамики относительного движения абразивной ленты устройства ротационного охватывающего ленточного шлифования // Вестник ИжГТУ. Ижевск: ИжГТУ, 2009. №3 (43). С.46-50.

12. Коротков А.Н., Люкшин В.С. Повышение работоспособности шлифовальных лент за счет использования зерен с контролируемой формой и ориентацией на основе // Обработка

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

Вестник науки и образования Северо-Запада России

http://vestnik-nauki.ru -------

2016, Т. 2, №1

металлов, 2006. №2 (31). С.14-15.

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРЕ

Шиляев Сергей Александрович ФГБОУ ВПО «Ижевский государственный технический университет имени М.Т.Калашникова», г. Ижевск, Россия, доктор технических наук, доцент, профессор кафедры «Автомобили и металлообрабатывающее оборудование» E-mail: shiljaev@mail.ru

Shilyaev Sergey Alexandrovich F SEI HPE «Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Professional Education «Kalashnikov Izhevsk State Technical University» (Kalashnikov ISTU), Izhevsk, Russia, Doctor of Technical Sciences, assistant professor, professor of «Automobiles and Metal-Working Machinery» department

E-mail: shiljaev@mail.ru

Корреспондентский почтовый адрес и телефон для контактов с автором статьи: 426069, г. Ижевск, Студенческая ул., д. 7, ФГБОУ ВПО «ИжГТУ имени М.Т.Калашникова», Шиляев С.А., тел. 8-906-816-45-03