Оценка степени влияния отдельных режимов резания на показатели процесса шлифования

УДК 621.923

ОЦЕНКА СТЕПЕНИ ВЛИЯНИЯ ОТДЕЛЬНЫХ РЕЖИМОВ РЕЗАНИЯ НА ПОКАЗАТЕЛИ ПРОЦЕССА ШЛИФОВАНИЯ

Ю.К. Новоселов, В.Б. Богуцкий

EVALUATION OF THE DEGREE OF THE INFLUENCE OF INDIVIDUAL CUTTING MODES ON THE PARAMETERS OF THE GRINDING PROCESS

Y.K. Novoselov, V.B. Bogutsky

Аннотация. В статье показано, что при сравнительной оценке качества шлифовальных кругов целесообразно -проводить испытания одного из режимов резания, оказывающего превалирующее влияние на процесс обработки. Приведены результаты исследований закономерностей изменения основных показателей процесса шлифования в зависимости от отдельных факторов режима резания и отдельных характеристик шлифовальных кругов выполненных с применением способа композиционного планирования эксперимента. На основе полученных результатов сделан вывод о возможности сравнительных испытаний шлифовальных кругов при изменении одной только поперечной подачи при постоянных значениях других факторов режима резания, что позволяет значительно сократить объем испытаний при выборе кругов для конкретных операций шлифования.

Ключевые слова: шлифование; шлифовальный круг; режимы резания; экспериментальные исследования; показатели процесса шлифования.

Abstract. The article shows that the comparative evaluation of the quality of grinding wheels is advisable -to test one of the cutting conditions, which has a predominant influence on the processing process. Results of researches of regularities of change of the basic indicators of process of grinding depending on separate factors of a mode of cutting and separate characteristics of grinding wheels executed with application of a method of composite planning of experiment are resulted. Based on the results obtained, it is concluded that the possibility of comparative tests of grinding wheels when changing only one transverse feed at constant values of other factors of the cutting mode, which can significantly reduce the amount of testing when choosing wheels for specific grinding operations.

Key words: grinding; grinding wheel; cutting conditions; experimental studies; parameters of the grinding process.

Введение

При сравнительной оценке качества шлифовальных кругов целесообразно -проводить испытания одного из режимов резания, больше всего -влияющего на процесс шлифования. Определение такого фактора имеет решающее значение для разработки методики испытания шлифовальных кругов и для отладки процессов шлифования. Вместе с тем по этому вопросу в литературе встречаются значительные расхождения и противоречия. Это объясняется большим числом факторов, влияющих на показатели процесса шлифования, нестабильностью качества кругов, отсутствием определенной (единой) методики выполнения экспериментов. Определение указанных зависимостей теоретическим путем связано с большими затруднениями и значительными допущениями.

Постановка задачи

Большинство исследователей ([1-7] и др.) принимают структурное уравнение влияния факторов резания на показатели процесса шлифования общего вида:

П = W^'S'Si,

где П - показатель процесса шлифования; Ук - скорость круга, м/сек; Уи - скорость- детали, м/мин; 81/ - продольная подача, мм/об; - поперечная подача, мм/ход; С, и, х,у, г - постоянная и показатели степеней.

Понятно, что относительное значение показателей определяет степень влияния каждого фактора режима резания на показатели процесса. В одних- зависимостях (в качестве примера в таблице 1 приведены зависимости для расчета силы резания Рг при шлифовании) показатель степени при продольной подаче оказывается больше показателя степени при поперечной подаче, в других - меньшее, в третьих они равны между собой.

Таблица 1- Эмпирические зависимости показателей процесса шлифования

Полученные зависимости Авторы Обрабатываемый материал

Pz = С • С7 sf7 sf-6 z и lf tf [1, 3-5, 9] Сталь среднеуглеродистая НВ 143.. .241

Pz = С • Уи0-45 S0/5 sf-68

Pz = С • Уи0-75S-sf-6

Pz = С • Уи0АS0-37Stf6 [2, 6-8, 10] Сталь среднеуглеродистая НЯС 42.51

Pz = С • у032 sf-54sf-71 z и lf tf

Pz = С • У"Л2 s0AS sf-73 z и lf tf

В некоторых случаях показатели степеней при скорости изделия, продольной поперечной подачах равны между собой и авторы -делают вывод об одинаковом влиянии всех видов подач на показатели процесса шлифования.

Зависимости влияния отдельных факторов режимов обработки на показатели процесса шлифования, опубликованные в литературе (таблица 1), являются результатом математической обработки экспериментальных работ, выполненных при изменении поперечной подачи мм/двойной ход стола или ход стола. Величина является зависимой переменной от величины продольной подачи 81/ мм/об, которая, в свою очередь, зависит от числа оборотов или скорости изделия.

Выразим значения поперечной подачи и продольной подачи 81/ через минутные поперечную и продольную подачи и Зы

= ^

°1т

^ = -ут

и

где Ьх - длина хода, м; ё - диаметр детали, мм.

Подставив значения и 81/ из уравнений (2) и (3) в уравнение (1) получим:

п = С т

т\/хкитт V/

Результаты исследования

Исследования закономерностей изменения основных показателей процесса шлифования (производительности обработки, износа круга, его стойкости, радиальной силы резания и шероховатости) в зависимости от отдельных факторов режима резания и некоторых параметров характеристики кругов при условии независимости переменных (поперечная подача

принята в мкм/мин), выполнялись с применением способа композиционного планирования эксперимента (метод Бокса) [13-15].

Для получения достоверных результатов было выполнено значительное количество экспериментов с кругами различных характеристик при черновом, чистовом и тонком шлифовании. Было испытано 6 кругов на керамической (1 250*32*76 14АБ54(.Г.. Х)6Б2) и 15 кругов на бакелитовой связке (1 250*32*76 25АБ54(.Г.. Х)6У2), твердость испытываемых кругов находилась в пределах 1..Ь. При испытании кругов на бакелитовой связке, в матрицу планирования наряду с параметрами режима шлифования, были включены зернистость круга и фактическая твердость, оцениваемая глубиной лунки на пескоструйном приборе. Круги для испытаний подбирались в соответствии с глубиной лунки по определенной закономерности. Также были испытаны мелкозернистые круги на бакелитовой (Б), вулканитовой (Я) и глифталевой (БЕ) связках.

Эксперименты проводились на круглошлифовальном станке модели БИА16, оборудованном измерительной установкой для регистрации износа кругов и радиальной силы резания (см. рисунок). Съем металла контролировался с использованием пневмоскобы, а шероховатость поверхности - профилометром-профилографом мод. 252.

Шлифовались образцы из стали 40ХС (НЯС 48.51). Размеры шлифуемой поверхности: диаметр 40 мм, длина 150 мм, применяемая СОТС - 3%-ный водный раствор эмульсола НГЛ-205. Повторность опытов трехкратная. Продолжительность опытов 10 мин. Параметры режимов резания (частота вращения инструмента и заготовки, радиальная и продольная подачи, время обработки, диаметр образца и усилие резания) контролировали с помощью бесконтактного тахометра АТ-6, секундомера, цифрового индикатора МагСа1ог 1087 2Я, пнев-москобы и тензоцентров.

Матрица планирования (таблица 2) при проведении испытаний кругов на бакелитовой связке представляет собой четвертную реплику для 6-ти независимых переменных - 4-х параметров режима и 2-х параметров характеристики кругов (26-2) с 4-мя центральными точками (всего 20 точек). Таким образом, для испытания этих кругов (с трехкратной повторностью опытов и кругов), понадобилось 180 опытов (при обычном планировании необходимо было провести более 6000 опытов).

а) б) е)

Рисунок - Оборудование для экспериментальных исследований: а - круглошлифовальный станок с экспериментальной установкой; б - тензоцентра для измерения сил резания; в -

пневмоскоба для контроля съема металла.

Результаты аппроксимировались в виде степенных зависимостей, коэффициенты и показатели степени которых рассчитывались по методу наименьших квадратов на ЭВМ с использованием программы 81ай8йса. Оценка надежности полученных эмпирических уравнений производилась по результатам шлифования на нулевом режиме, которые сопоставлялись с рассчитанными по этим уравнениям. Расхождения в основном не превышают 10%, за ис-

ключением эмпирических зависимостей износа круга от параметров режима при шлифовании кругами на керамической связке, для которых расхождения составили 13% и 19%.

Таблица 2 - Матрица планирования и результаты экспериментов

Уровни и № опыта Переменные параметры По

N1 0,01 мм N2 0,01 мм VK, м/сек; Vu, м/мин; S/m, мм/мин; Stm, мкм/мин; Производительность Qm, 3 . а г у р км к о ^ 3/ н 3/ зм К о Радиальная сила Ру, Н Шероховатость Ra, мкм

Основной 16 4,75 27 33 0,75 18

Верхний 25 5,17 35 44 1,0 32

Нижний 6 4,12 20 22 0,5 8

1. - - - - - - 0,21 0,08 1,9 0,7

2. - - - + - - 0,48 0,48 2,5 1,0

3. - - + - + - 0,31 0,05 1,8 0,55

4. - - + + + + 0,73 0,37 2,8 1,0

5. - + + - - + 0,38 0,50 1,5 0,85

6. - + + + - - 0,24 0,09 1,1 0,5

7. - + - - + + 0,31 0,5 2,4 0,8

8. - + - + + - 0,20 0,08 1,5 0,6

9. + - - - + + 0,68 0,37 4,9 1,9

10. + - - + + - 0,30 0,04 4,2 1,1

11. + - + + - - 0,40 0,03 3,4 0,75

12. + - + - - + 0,94 0,30 5,5 1,7

13. + + + + + + 0,58 0,43 2,6 1,3

14. + + - - + - 0,30 0,05 2,6 0,8

15. + + - + - + 0,45 0,48 2,8 1,7

16. + + - - - - 0,21 0,08 2,0 1,1

17. 0 0 0 0 0 0 0,44 0,20 3,0 1,1

18. 0 0 0 0 0 0 0,47 0,19 2,7 1,1

19. 0 0 0 0 0 0 0,47 0,19 2,5 1,1

20. 0 0 0 0 0 0 0,47 0,10 2,3 1,1

Результаты испытаний с использованием метода композиционного планирования экспериментов позволят сделать полный анализ влияния факторов режимов шлифования и параметров характеристики кругов. Показатели степени при Vu и Sm (таблица 3 и таблица 4) для всех зависимостей равны нулю или весьма близки к нулю. В некоторых случаях, например, в уравнении производительности, эти показатели степени оказались в пределах +0,01.-0,02, что свидетельствует о весьма слабом, в пределах погрешности замеров, влиянии радиальной и продольной подач на процесс шлифования.

Влияние поперечной подачи на показатели процесса шлифования гораздо сильнее. С увеличением поперечной подачи увеличивается производительность, но в еще большей степени увеличивается износ круга, так что удельная производительность снижается; значительно возрастает шероховатость поверхности, снижается -стойкость круга, но съем металла за период -стойкости остается неизменным, увеличивается радиальная сила резания и несколько коэффициент режущей способности.

Скорость круга значительно влияет почти на все оценочные показатели. С ее ростом увеличиваются производительность стойкость круга, коэффициент режущей способности, уменьшаются износ круга, шероховатость поверхности изделия, радиальная сила резания.

При работе кругами всех характеристик предпочтительна наибольшая скорость круга. Полученные результаты не расходятся с данными других авторов.

Таблица 3 - Зависимости показателей процесса шлифования от некоторых параметров ха-_рактеристики кругов и факторов режима шлифования_

Характеристика круга Зависимости

1 250x32x76 14АБ54(1..Х)6В2 /О ИЛ а „0.20 тт -1.55 Т7 0.54тл 0.09 о 0.05 о 0.51 3/ Qm = 54,6 • go ИЯ Ук Уи Б 1т Бы , мм /мин ТГ тп -0.04 тт -0.64т,7 -0.24tt-0.06o0.C4o1.24 3/ У, = 313 • go ИЯ Ук Уи Б 1т Бы , мм /мин-Г> л ао^ „0.34 тт 0.04Т7 -0.35tt0.35 о0.10 о0.29 Яа = 0 026 • go ИЯ Ук Уи Б 1т Бы , мкм

1 250x32x76 25АБ54(1..Х)6У2 Qm = 0.35 • go029И0К15УГУи0-05Б^Бт63, мм3/мин. у, = 3.51 • go-021 И-^УГХ^Б-т^Б^, мм3/мин. Т> Г\ ЛП „0.35 тт -0.52тт-0.32tt0.05 о-0.04 о 0.36 Яа = 0 47 • go ИЯ Ук Уи Б1т Б/т , мкм Г) т „0.26 тт -2.02 тт -0.14тт 0.07 о 0.20 о 0.22 тт Ру = 177 • go ИЯ Ук Уи Б1т Б/т , Н

*В таблице 3: go - размер абразивного зерна, мкм; ИЯ - твердость обрабатываемого материала, НЯС; Яс - параметр шероховатости поверхности; Qm - производительность процесса шлифования (скорость съема металла заготовки); У, - объемный износ шлифовального круга.

Таблица 4 - Зависимости показателей процесса от факторов режима шлифования

Характеристика круга Зависимости

1 250x32x76 25АБ180К6В2 Г\ 1 0.16 т^ 0.18 о 0.11 о 1.35 3/ Qm = 19Ук Уи Б 1т Бы , мм /мин- 0.65 0.10 0.01 1.64 3 У, = 0 62 Ук Уи Б 1т Бы , мм /мин Яа = 1.1 • 10 -4 УгУи0-08 бы09 бы69, мкм. Ру = 4.5 • 104Ук-2Л1Уи-0-07бы06бы43,Н.

1 250x32x76 14АБ280К6ВБ. Qm = 6.4 • 10 -3У-Уи^ Бы0 02 Бы74 , мм3/мин. У, = 4.5 • УГУи0-'2Б-т0 08 бы72, мм3/мин. Я а = 0.16 • 10 -3 УгУи0-13 БГ бы36, мкм. Ру = 2.3 • 103Ук-0МУГбЫ37бы12,н.

1 250x32x76 14АБ240К6Я ГЛ ПП ТТ-0.1^ -0.05 о -0.05 о 0.95 3/ Qm = 130 • Ук Уи Б1т Бы , мм /мин- -0.50 -0.10 -0.38 2.09 3 У, = 67 • Ук Уи Б1т Бы , мм /мин- Яа = 0.16 • Ук-°-42Уи0-06Б0т"бы97, мкм. Ру = 9.4 • бы20бы36, Н.

При принятой поперечной подаче Бы мм/мин зависимость будет иметь вид:

п = С т • у^б^ы

а при шлифовании детали определенного диаметра ё и при постоянной длине хода детали Ьх:

п = с уvх-убтт 2 бы.

Вследствие незначительного различия в величинах показателей х и у; у и 2 (табл. 1) показатели при Уи и Бы по абсолютному значению будут малыми. Так, для уравнения, пред-

ложенного [9] показатель степени при скорости детали будет равен 0.932 - 0,940 = -0,008 , при продольной подаче 0.940 - 0,992 = -0,052 .

Физическая сущность преимущественного влияния поперечной подачи на показатели процесса шлифования определяется явлением выдавливания металла в процессе микрорезания каждым зерном, которое в основном зависит от глубины резания и определяет условия эксплуатации шлифовального круга: отдельные абразивные зерна работают с переменной глубиной резания, возникают силы резания, ассиметрично действующие на каждое зерно и расшатывающие зерна в связующем веществе; повышается интенсивность вещества; повышается интенсивность износа круга и уменьшается производительность съема металла. Все эти явления усугубляются с увеличением глубины резания [6, 8, 10-12].

Выводы

Полученные результаты позволяют сделать вывод о возможности сравнительных испытаний шлифовальных кругов при изменении одной только поперечной подачи при постоянных значениях других факторов режима резания. Это позволяет значительно сократить объем испытаний при оценке и выборе кругов для конкретных операций шлифования.

ЛИТЕРАТУРА

1. Маслов Е.Н. Теория шлифования материалов. М: Машиностроение, 1974.320 с.

2. Ипполитов Г.М. Абразивно-алмазная обработка. М: Машиностроение, 1969. 334 с.

3. Mark J. Jackson, Paulo Davim. Machining with Abrasives. Springer Science New York, Business Media London, 2011. 432 р.

4. Shaw C. Milton. Principles of Abrasive Processing. Oxford Series on Advanced Manufacturing, 13. New York: Oxford University Press 1996. 592 р

5. Корчак С.Н. Производительность процесса шлифования стальных деталей. М.: Машиностроение, 1974. - 280 с.

6. Филимонов Л.Н. Стойкость шлифовальных кругов. Л.: Машиностроение, 1973. 132

с.

7. Stephen Malkin, Changsheng Guo. Grinding technology. Theory and Applications of Machining with Abrasives. New York: Industrial Press . 2008. 369 р.

8. Rowe Brian W. Principles of modern grinding technology. Jordan Hill, Oxford ОХ2 8DP: UK 2009. 421 р.

9. Муцянко В.И. Филимонов Л.Н. Основы выбора шлифовальных кругов и подготовка их к эксплуатации. Л.: Машиностроение, 1987. 134 с.

10. Ардашев Д.В. Гузеев В.И. Проектирование операций шлифования на основе прогнозирования работоспособности шлифовальных кругов // Известия ВолГТУ. 2017. № 9. С. 98-102.

11. Bogutsky V., Novoselov Y., Shron L. Patterns of removing material in workpiece -grinding wheel contact area// 4nd International Conference on Industrial Engineering (ICIE-2017), Procedia Engineering. 2017. Vol. 206, P. 991-996.

12. Oluwajobi Akinjide O., Chen X. The fundamentals of modelling abrasive machining using molecular dynamics. International Journal of Abrasive Technology. 2010. Vol. 3, (28). P. 354381.

13. Налимов В.В., Чернова Н.А. Статистические методы планирования экстремальных экспериментов. М.: «Наука», 1965. 340 с.

14. Bradley E. Huitema. The analysis of covariance and alternatives: statistical methods for experiments, quasi-experiments, and single-case studies. John Wiley & Sons, Inc. 2011. 688 p.

15. Selvamuthu Dharmaraja, Dipayan Das. Introduction to statistical methods, design of experiments and statistical quality control. Springer 2018. 445 р.

REFERENCES

1. Maslov E.N. Teoriya shlifovaniya materialov [Theory of grinding materials]. M: Mash-inostroenie, 1974. 320 р.

2. Ippolitov G.M. Abrazivno-almaznaya obrabotka [Abrasive-diamond treatment]. M: Mashinostroenie, 1969. 334 р.

3. Mark J. Jackson, Paulo Davim. Machining with Abrasives. Springer Science New York, Business Media London, 2011. 432 р.

4. Shaw C. Milton. Principles of Abrasive Processing. Oxford Series on Advanced Manufacturing, 13. New York: Oxford University Press. 1996. 592 р.

5. Korchak S.N. Proizvoditel'nost'processa shlifovaniya stal'nyh detalej [Productivity of the grinding process of steel parts]. M.: Mashinostroenie, 1974. 280 р.

6. Filimonov L.N. Stojkost' shlifoval'nyh krugov [Durability of grinding heels]. Leningrad: Mashinostroenie, 1973. 132 р.

7. Stephen Malkin, Changsheng Guo. Grinding technology. Theory and Applications of Machining with Abrasives. New York: Industrial Press . 008. 369 р.

8. Rowe Brian W. Principles of modern grinding technology. Jordan Hill, Oxford ОХ2 8DP: UK. 2009. 421 р.

9. Mucyanko V.I. Filimonov L.N. Osnovy vybora shlifoval'nyh krugov i podgotovka ih k ek-spluatacii [The basics of choosing grinding wheels and preparing them for use]. L.: Mashi-nostroenie, 1987. 134 р.

10. Ardashev D.V. Guzeev V.I. Proektirovanie operacij shlifovaniya na osnove prognoziro-vaniya rabotosposobnosti shlifoval'nyh krugov [Design of grinding operations on the basis of predicting the performance of grinding wheels]. Izvestiya VolGTU. 2017. No. 9, pp. 98-102.

11. Bogutsky V., Novoselov Y., Shron L. Patterns of removing material in workpiece -grinding wheel contact area. 4nd International Conference on Industrial Engineering (ICIE-2017), Procedia Engineering. 2017. Vol. 206, pp. 991-996.

12. Oluwajobi Akinjide O., Chen X. The fundamentals of modelling abrasive machining using molecular dynamics. International Journal of Abrasive Technology. 2010. Vol. 3, (28). 2010, pp. 354-381.

13. Nalimov V.V., Chernova N.A. Statisticheskie metody planirovaniya ekstremal'nyh ek-sperimentov [Statistical methods for planning extreme experiments]. Moscow: Nauka, 1965. 340 р.

14. Bradley E. Huitema. The analysis of covariance and alternatives: statistical methods for experiments, quasi-experiments, and single-case studies. John Wiley & Sons, Inc. 2011. 688 p.

15. Selvamuthu Dharmaraja, Dipayan Das. Introduction to statistical methods, design of experiments and statistical quality control. Springer. 2018. 445 р.

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ

Новоселов Юрий Константинович

Севастопольский государственный университет, г. Севастополь, Россия, доктор технических наук, профессор, профессор кафедры Технология машиностроения.

E-mail: YKNovoselov@sevsu.ru

Novoselov Yurij Konstantinovich

Sevastopol State University, Sevastopol, Russia, doctor of technical sciences, professor, professor of dept. Technology of mechanical engineering.

E-mail: YKNovoselov@sevsu.ru

Богуцкий Владимир Борисович Севастопольский государственный университет, г. Севастополь, Россия, кандидат технических наук, доцент кафедры Технология машиностроения. E-mail: VBBogutskiy@sevsu.ru

Bogutsky Vladimir Borisovich Sevastopol State University, Sevastopol, Russia, candidate of technical sciences, assistant professor of dept. Technology of mechanical engineering. E-mail: VBBogutskiy@sevsu.ru

Корреспондентский почтовый адрес и телефон для контактов с авторами статьи: 229053, г. Севастополь, ул. Университетская 33. Новоселов Ю.К., Богуцкий В.Б.

+7 (8692) 54-06-67