Исследование износа абразивно-отрезных кругов и виброскорости их колебаний при различных режимах резания

УДК 621.922.3

Н. А. Старовойтов, Е. Н. Демиденко, С. И. Красюк

ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗНОСА АБРАЗИВНО-ОТРЕЗНЫХ КРУГОВ И ВИБРОСКОРОСТИ ИХ КОЛЕБАНИЙ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ РЕЖИМАХ РЕЗАНИЯ

UDC 621.922.3

N. Â. Starovoytov, Е. N. Demidenko, S. I. Krasyuk

INVESTIGATION OF WEAR OF ABRASIVE CUT-OFF WHEELS AND VIBRATION VELOCITY OF THEIR OSCILLATIONS UNDER DIFFERENT CUTTING CONDITIONS

Аннотация

Приведены результаты экспериментальных исследований износа абразивно-отрезных кругов и виброскорости их колебаний при различных режимах резания. Установлено, что процесс резания недостаточно демпфирует колебания абразивно-отрезного круга, упругая гидромеханическая система станка обладает недостаточной виброустойчивостью, в результате чего его виброскорость при резании превышает допустимые пределы. Для повышения эффективности процесса резания необходимы более глубокое исследование упругой гидромеханической системы станка и разработка мероприятий по увеличению виброустойчивости.

Ключевые слова:

абразивно-отрезной круг, коэффициент шлифования, виброскорость.

Abstract

The paper presents the results of experimental studies of wear of abrasive cut-off wheels and the vibration velocity of their oscillations under different cutting modes. It is established that the cutting process does not damp oscillations of the abrasive cut-off wheel sufficiently, and the elastic hydromechanical system of the machine has insufficient vibration resistance, as a result of which its vibration velocity during cutting exceeds the permitted limits. To improve the efficiency of the cutting process, a deeper study of the elastic hydromechanical system of the machine is required, as well as the development of measures to increase vibration resistance.

Key words:

abrasive cutting wheel, grinding ratio, vibration velocity.

Введение

В абразивной разрезке имеющиеся работы главным образом направлены на изучение зависимости износа абразивно-отрезных кругов от режимов резания без учета влияния колебаний на их износ [1]. В [2] дана формула математической модели износа абразивно-отрезного круга, которая определяет зависимость основного критерия эффективно-

сти процесса резания, скорости износа круга, от соотношения частоты колебаний и частоты вращения, скорости подачи, амплитуды колебаний и угла поворота круга. В [3] для абразивно-отрезных кругов зернистостью в диапазоне (40...80)• 10-6 м приведена предельно допустимая виброскорость, что позволяет правильно сделать выбор круга определенной зернистости по критерию наибольшей эффективности

© Старовойтов Н. А., Демиденко Е. Н., Красюк С. И., 2018

процесса резания.

Исследования проводились на абразивно-отрезном станке мод. 8В242 в лаборатории СКБ ОЦ ОАО «СтанкоГомель».

При резании абразивными кругами круглых заготовок на протяжении реза длина дуги контакта круга с заготовкой меняется в широких пределах, круг работает в активном режиме самозатачивания в широком диапазоне подач и частот вращения. В связи с этим без изучения влияния режимов резания на интенсивность колебаний круга и его износ невозможно в дальнейшем правильно разработать мероприятия, направленные на улучшение динамических характеристик гидромеханической системы станка с целью повышения ее виброустойчивости.

Целью работы является исследование износа абразивно-отрезных кругов и виброскорости их колебаний при различных режимах резания.

Постановка задачи, методика исследования

Исследования проводились на абразивно-отрезном станке мод. 8В242 с качающейся шпиндельной бабкой и регулируемым главным электроприводом ЭКТ-63/380-У4 для поддержания постоянной скорости резания (рис. 1). На шпинделе были установлены шкив с числом зубьев 26 и абразивно-отрезной круг 41-400х4х32 14А 80-Н 41-43ББ ГОСТ 21963-2002, а на валу электродвигателя - шкив с числом зубьев 41. Привод круга осуществлялся плоскозубчатым ремнем.

Для определения характера пространственного перемещения корпуса шпиндельной бабки на холостом ходу и в работе с помощью виброизмерительной многоканальной аппаратуры ВМ-1 с индуктивными датчиками МВ-27 производились замеры виброперемещения шпинделя в точках 1, 4, призм в точке 5, виброскорости шпинделя в точке 1 относительно призм в точке 5 и корпуса

качалки в точке 2. Анализатор осциллограмм построен на базе компьютерного комплекса, включающего в себя многоканальные устройства преобразования аналогового сигнала в цифровой (АЦП) с дальнейшим анализом с помощью программы «Visual Analyzer 1.3», работающей в среде Windows.

Измерения показывают, что амплитуда виброскорости заготовки, закрепленной в призмах в точке 5, в направлении подачи круга по оси y в 12...15 раз меньше по сравнению с амплитудой виброскорости шпинделя в точке 1 и синфазная с ней. Величина виброскорости заготовки в направлении, перпендикулярном направлению подачи по оси z, в 1,5.2 раза меньше виброскорости шпинделя в этом направлении и также синфазная с ней.

Толщина срезаемого слоя по оси z приблизительно в 19.21 раз меньше толщины срезаемого слоя по оси y при равенстве амплитуд виброперемещения a и a .

ky kz

Изменение скорости резания в диапазоне = 50.80 м/с при наибольшей амплитуде колебаний по оси z A = 100 • 10-6 м и частоте колебаний

kz

круга fk = 126 Гц не превышает 0,1 %.

В связи с этим влиянием колебаний призм по осям y и z и шпинделя по оси z на изменение средней толщины срезаемого слоя и скорости резания можно пренебречь.

Анализ кривой 1 (рис. 2) зависимости виброскорости Avy от частоты

вращения круга nk на холостом ходу показывает, что имеется резкое возрастание амплитуды виброскорости шпинделя относительно призм на частотах его вращения в диапазонах 50.60, 70.80 и 120.130 с-1. С увеличением подачи круга амплитуда виброскорости на частотах в диапазоне 70.80 Гц возрастала.

Рис. 1. Схема расположения точек измерения на абразивно-отрезном станке мод. 8В242

Луу 0,08

0,06 0,04 0,02 0

56

64

72

80 88 96 104 112 с-1

2,0

1,2

0,8

0,4

в

128

Пк

Рис. 2. Зависимость амплитуды виброскорости круга Луу на холостом ходу (1), коэффициента шлифования в (2), амплитуды виброскорости круга Л^ (3) от частоты вращения круга Пк при разрезании полосы Ьз = 0,06 м из стали 35 со скоростью подачи уп = 0,0134 м/с и скоростью резания ук = 80 м/с без охлаждения

0

Шпиндель имел наибольшую амплитуду виброскорости относительно корпуса качалки в диапазоне частот 60.80 с-1, а корпус качалки - в диапазоне частот 120.130 с-1.

При анализе зависимости виброскорости Луу (рис. 1, кривая 3) и коэффициента шлифования О (отношение объема срезаемого металла к объему изношенного абразива, кривая 2) от частоты вращения круга пк при постоянных скорости резания у^ и подаче Уп

можно сделать выводы, что на определяющих критических частотах вращения круга /к = 58 с-1 и /к = 126 с-1 вынужденные колебания шпинделя соответственно меньше в 3,3 и 2 раза по сравнению с колебаниями на холостом ходу (кривая 3) за счет демпфирования силами резания, но превышают предельно допустимую виброскорость [3]. Можно также отметить, что замкнутая гидромеханическая упругая система станка обладает низкой виброустойчивостью, что значительно уменьшает коэффициент шлифования и эффективность процесса резания. Необходимо более глубокое всестороннее исследование причин такой ее низкой виброустойчивости.

При абразивной разрезке стали 35 кругами 41-400х4х32 14А 80-Н 41-43ББ ГОСТ 21963-2002 со скоростью резания 80 м/с без охлаждения постоянная демпфирования процесса резания по оси у на несколько порядков ниже, например, по сравнению с постоянной демпфирования при точении, и равна Ткр = (0,3.3,0) • 10-8 с. Коэффициент

резания по оси у при абразивной разрезке равен кру = (12.13) • 10"6 Н/м и более чем в 3 раза превышает коэффициент резания при точении. Но несмотря на это, демпфирование силами резания при абразивной разрезке мало, а суммарная демпфирующая способность упругой системы при резании всего в 2.5 раз выше демпфирующей способности без сил резания.

Ввиду этого вынужденные колебания при абразивной разрезке слабо демпфируются силами резания по сравнению с точением, что, очевидно, связано с работой круга в режиме интенсивного самозатачивания и низкой виброустойчивостью упругой гидромеханической системы.

Анализ зависимости (рис. 3, кривая 1) виброскорости Ау и коэффициента шлифования О (кривая 2) от величины подачи круга Уп при постоянных скорости резания у^ и частоте вращения пк показывает, что с увеличением подачи круга возрастает демпфирование вынужденных колебаний силами резания, при этом амплитуда виброскорости Луу уменьшается, а коэффициент шлифования О повышается. При оптимальной подаче, равной Уп = 0,0134 м/с, коэффициент шлифования О достигает максимума, затем при ее увеличении уменьшается [2].

Коэффициент шлифования имеет максимальное значение при оптимальной подаче Уп = 0,0134 м/с в связи с тем, что предельно-допустимая амплитуда виброскорости для данной подачи имеет максимальную величину [3].

Для увеличения коэффициента шлифования при разрезании заготовок различных диаметров кругами различной зернистости необходимо работать на оптимальных подачах круга, которые зависят от длины дуги контакта круга с заготовкой, зернистости круга и также его виброскорости [3].

Анализ зависимости (рис. 4, кривая 1) виброскорости Ау и коэффициента шлифования О (кривая 2) от скорости резания у^ при постоянных

скорости подачи Уп и частоте вращения круга пк показывает, что с повышением скорости резания Ук возрастают амплитуда виброскорости круга ЛУу и величина коэффициента шлифования О.

1уу

0,07 м/с

0,05 0,04 0,03

у

0,01

2

^ 1

0

0,0066

0,01

0,0134 0,0168

Уп -

,м0/2с0

1,75 1,5

1,25 1,0

0,75 0,5 в

0,25

0

0,0236

Рис. 3. Зависимость амплитуды виброскорости круга Луу (1), коэффициента шлифования в (2) от подачи круга Уп при разрезании полосы шириной Ь3 = 0,06 м из стали 35 со скоростью резания ук = 80 м/с без охлаждения

0,035 м/с 0,025 0,02 0,015

Уу

0,005 0

56

60

64

2 ^^

1

68 Ук -

72

м7/6с

2,1 1,8

1,5 1,2 0,9 0,6 0,3 0

80

в

Рис. 4. Зависимость амплитуды виброскорости круга Луу (1), коэффициента шлифования в (2) от скорости резания ук при разрезании полосы шириной Ьз = 0,06 м из стали 35 со скоростью подачи уп = 0,0134 м/с, частотой вращения круга пк = 64 с-1 и без охлаждения

Повышение коэффициента шлифования О с ростом скорости резания Ук происходит за счет более быстрого увеличения предельно-допустимой виброскорости по сравнению с виброскоростью круга, а также за счет увеличения оптимальной подачи круга с ростом скорости резания [3].

Таким образом, возрастание скорости резания требует повышения виброустойчивости гидромеханической системы станка, что должно привести к ещё большему увеличению коэффициента шлифования.

Анализ зависимости (рис. 5, кривая 1) виброскорости ЛУу и коэффициента шлифования О от длины дуги контакта круга с заготовкой Ьз при постоянных скорости подачи Уп , скорости резания Ук и частоте вращения круга пк показывает, что с увеличением длины дуги контакта Ьз возрастает амплитуда виброскорости круга ЛУу и уменьшается коэффициент шлифования О.

УУ

0,03 м/с

0,02

У

0,01

0,02

22

1 ^^

1,8

1,2

О

0,6

0,04

0,06

м

0,08

Ьз

Рис. 5. Зависимость амплитуды виброскорости круга Луу (1), коэффициента шлифования О (2) от ширины разрезаемой полосы Ь3 из стали 35 со скоростью подачи Уп = 0,0134 м/с, частотой вращения круга пк = 64 с-1, скоростью резания Ук = 80 м/с и без охлаждения

0

0

Уменьшение коэффициента шлифования (рис. 5, кривая 2) связано с превышением предельно-допустимой виброскорости с ростом длины дуги контакта круга с заготовкой, что приводит к более интенсивному самозатачиванию круга и снижению демпфирующих способностей процесса резания [3].

С уменьшением длины дуги контакта возрастает оптимальная подача, при которой коэффициент шлифования будет максимальным. При разрезании

круглых заготовок оптимальная подача круга выбирается для максимальной дуги контакта и всегда будет меньше для меньших длин дуги контакта при врезании круга и на выходе из заготовки, что может вызвать некоторое увеличение износа круга.

Можно предположить, что рост скорости подачи круга на входе и выходе круга из круглой заготовки может привести к снижению виброскорости круга из-за увеличения демпфирования

силами резания и некоторому уменьшению износа круга, а также к повышению производительности, что требует экспериментальной проверки.

Заключение

1. Виброскоростью колебаний призм по осям у и г на износ абразивно-отрезных кругов можно пренебречь в связи с малым влиянием на изменение средней толщины срезаемой стружки.

2. Вынужденные колебания шпинделя при абразивной разрезке недостаточно демпфируются силами резания по сравнению, например, с точением, что вызвано интенсивным режимом самозатачивания, в связи с чем уменьшение интенсивности колебаний возможно в основном за счет увеличения виброустойчивости упругой гидромеханической системы станка.

3. С увеличением частоты вращения круга при постоянной скорости резания

растет его виброскорость, что приводит к увеличению износа круга и уменьшению коэффициента шлифования.

4. С увеличением подачи круга возрастает демпфирование вынужденных колебаний силами резания, снижается виброскорость круга. Коэффициент шлифования имеет максимальную величину при оптимальной подаче круга и уменьшается на других подачах, отличающихся от оптимальной.

5. С увеличением скорости резания уменьшается демпфирование вынужденных колебаний силами резания, возрастают виброскорость круга и коэффициент шлифования. Рост скорости резания требует повышения виброустойчивости упругой гидромеханической системы станка.

6. С увеличением длины дуги контакта круга с заготовкой возрастает виброскорость круга и уменьшается коэффициент шлифования.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Кечек, М. А. Исследование процесса разрезания металла абразивными кругами : автореф. дис. ... канд. техн. наук / М. А. Кечек. - Ростов-на-Дону, 1966. - 17 с.

2. Старовойтов, Н. А. Математическое моделирование процесса износа абразивно-отрезных кругов при гармонических колебаниях / Н. А. Старовойтов // Материалы, технологии, инструменты. -2015. - Т. 20, № 2. - С. 41-45.

3. Старовойтов, Н. А. Определение допустимого уровня виброскорости колебаний абразивно-отрезного круга / Н. А. Старовойтов / Вестн. ГГТУ им. П. О. Сухого. - 2016. - № 4. - С. 46-50.

4. Кедров, С. С. Колебания металлорежущих станков / С. С. Кедров. - Москва : Машиностроение, 1978. - 199 с.

5. Кудинов, В. А. Динамика станков / В. А. Кудинов. - Москва : Машиностроение, 1967. - 300 с.

6. Мартынов, Б. П. Исследование колебаний и волнистости обрабатываемых деталей при внутреннем шлифовании с целью повышения точности и производительности обработки / Б. П. Мартынов, Т. С. Воробьева // Производительная обработка материалов. - Воронеж : Воронеж. политехн. ин-т, 1973. - Вып. 1. - С. 168-181.

7. Никулин, Б. И. Устойчивость динамической системы шлифования / Б. И. Никулин, В. П. Рога-чев // Изв. вузов. Машиностроение. - 1975. - № 2. - С. 143-146.

8. Кудинов, В. А. Динамические частотные характеристики процесса шлифования / В. А. Куди-нов, В. М. Гришин // Станки и инструменты. - 1972. - № 1. - С. 7-9.

Статья сдана в редакцию 21 декабря 2017 года

Николай Андреевич Старовойтов, доц., Гомельский государственный технический университет им. П. О. Сухого. Тел.: 8-0293-50-45-65.

Евгений Николаевич Демиденко, ст. преподаватель, Гомельский государственный технический университет им. П. О. Сухого. Тел.: 8-0447-78-65-15.

Станислав Иосифович Красюк, ст. преподаватель, Гомельский государственный технический университет им. П. О. Сухого. Тел.: 8-0296-51-71-34.

Nikolai Andreyevich Starovoytov, Associate Prof., Sukhoi State Technical University of Gomel. Phone: 8-0293-50-45-65.

Evgeny Nikolayevich Demidenko, senior lecturer, Sukhoi State Technical University of Gomel. Phone: 8-0447-78-65-15.

Stanislav Iosifovich Krasyuk, senior lecturer, Sukhoi State Technical University of Gomel. Phone: 8-0296-51-71-34.