СПОСОБ ВЫБОРА ОПТИМАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ ШЛИФОВАНИЯ ДЕТАЛИ
SELECTION OF OPTIMUM PART GRINDING CONDITIONS

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для выбора оптимальных режимов шлифования.
Известна модель удержания алмазно-абразивного зерна в органических связках шлифовального инструмента, включающая два обратных круговых конуса с общим основанием, которое в диаметрально противоположных точках в плоскости действия радиальной и тангенциальной составляющих силы резания размещено на двух параллельных пружинах, расположенных со стороны органической связки в направлении радиальной составляющей силы резания, причем одна из диаметрально противоположных точек основания, удаленная от оси симметрии конусов в направлении тангенциальной составляющей, выполнена в виде шарнирной подвижной опоры с возможностью перемещения в направлении радиальной составляющей силы резания (патент на полезную модель РФ №63283, МПК B24D 3/00, 2007 г., бюл. №15).
max
ш
Недостатком является то, что приведенная модель не позволяет визуально наблюдать за изменением угла поворота 0≤α≤α=γ-arctg(k+f) алмазно-абразивного зерна в органической связке шлифовального инструмента и контролировать время достижения в зависимости от параметров режима резания положения зерна, задаваемого углом α.
Известен способ обработки материалов на профильно-шлифовальном станке, при котором обрабатываемая деталь закрепляется на координатном столе, имеющем продольное, поперечное и вертикальное перемещения под объективом оптического устройства, содержащего осветители, систему линз, призм, зеркал и экран, с закрепленным на нем чертежом профиля детали, выполненного в заданном масштабе, обработку детали производят шлифовальным кругом на шпинделе в перемещающейся шлифовальной головке относительно профиля детали, при этом режущая кромка шлифовального круга должна все время точно совпадать с соответствующей точкой спроектированного оптической системой увеличенного изображения этого профиля, совмещенного с профилем чертежа на экране (Металлорежущие станки. Кол. авторов под ред. проф. В.К. Тепинкичиева. - М.: Машиностроение, 1973. - С. 105-106).
Способ имеет следующие недостатки.
1. Ограниченные технологические возможности, связанные с тем, что нельзя проектировать на экран режущую часть единичного зерна шлифовального круга, так как оно размещено в органической связке большого массива окружающих зерен, кроме того, шпиндель с шлифовальным инструментом вращается с большой частотой, а шлифовальная головка совершает возвратно-поступательное движение, это не позволяет добиться неподвижности зерна на экране.
2. Невозможен выбор оптимальных режимов шлифования по времени достижения единичным зерном конечного положения, заданного углом поворота зерна в органической связке шлифовального инструмента из начального положения до контактирования с обрабатываемой деталью.
При проведении информационного поиска из уровня техники наиболее близкий аналог-прототип не выявлен.
Технической задачей предлагаемого изобретения является расширение технологических возможностей обработки и быстрый выбор оптимальных режимов шлифования.
Технический результат по расширению технологических возможностей обработки и быстрому выбору оптимальных режимов шлифования достигается тем, что в способе выбора оптимальных режимов шлифования детали с помощью шлифовального инструмента, состоящего из единичных алмазно-абразивных зерен с конусной режущей частью, закрепленных в органической связке и размещенных в державке-инденторе, установленной на цилиндрической поверхности круга, смонтированного на шпинделе, включающем проведение экспресс-контроля режимов шлифования обрабатываемой детали, которую закрепляют на координатном столе, выполненном с возможностью продольного, поперечного и вертикального перемещений, под объективом оптического устройства, состоящего из осветителя, выполненного с возможностью стробоскопической подсветки, и экрана, на котором размещают изображения внешнего контура конусной режущей части единичного зерна упомянутого шлифовального инструмента в начальном положении зерна до его контактирования с обрабатываемой деталью и в его конечном положении, соответствующем заданному углу поворота упомянутого зерна в органической связке, меньшему, чем угол его вырывания из органической связки, посредством упомянутой подсветки проецируют тень контура конусной режущей части единичного зерна шлифовального инструмента в заданном масштабе на экран оптического устройства и совмещают ее с упомянутым изображением режущей части единичного зерна в начальном положении, осуществляют по меньшей мере один цикл шлифования детали с заданными режимами шлифования, при этом производят стробоскопическую подсветку шлифовального инструмента с синхронизацией частоты вспышек упомянутого осветителя и частоты вращения шпинделя шлифовального инструмента и фиксируют время от момента начала шлифования до момента достижения упомянутой тенью контура конусной режущей части единичного зерна ее упомянутого конечного положения, осуществляют последующий экспресс-контроль аналогичным путем с другими заданными режимами шлифования, а в качестве оптимальных режимов шлифования выбирают режимы, соответствующие наибольшему времени достижения упомянутой тенью контура конусной режущей части единичного зерна ее упомянутого конечного положения.
На фиг. 1 приведена схема осуществления способа при поступательном перемещении плоской детали.
Обрабатываемая деталь 1 закреплена на координатном столе, выполненном с возможностью продольного, поперечного и вертикального перемещений (координатный стол не показан). Шлифовальный инструмент, состоящий из единичных алмазно-абразивных зерен 2 с конусной режущей частью, закрепленных в органической связке 3 и размещенных в державке-инденторе 4, установленной на цилиндрической поверхности круга 5, смонтирован на шпинделе 6. Экспресс-контроль режимов шлифования проведен под объективом оптического устройства 7, состоящего из осветителя 8, выполненного с возможностью стробоскопической подсветки, и экрана 9, на котором на чертеже 10 размещены изображения внешнего контура конусной режущей части единичного зерна 2 шлифовального инструмента в начальном положении 11 (штриховая линия) зерна 2 до его контактирования с обрабатываемой деталью 1 и в его конечном положении 12 (сплошная линия), соответствующем заданному углу поворота α зерна 2 в органической связке 3, меньшему, чем угол его вырывания из органической связки 3.
Посредством подсветки осветителем 8 тень контура конусной режущей части единичного зерна 2 шлифовального инструмента спроецирована в заданном масштабе на экран 9 оптического устройства 7 и совмещена с изображением режущей части единичного зерна 2 в начальном положении 11. С заданными режимами шлифования осуществлен по меньшей мере один цикл шлифования детали 1, при этом произведена стробоскопическая подсветка шлифовального инструмента с синхронизацией частоты вспышек осветителя 8 и частоты вращения шпинделя 6 шлифовального инструмента с фиксированием времени от момента начала шлифования до момента достижения тенью контура конусной режущей части единичного зерна 2 ее конечного положения 12.
Последующий экспресс-контроль осуществлен аналогичным путем с другими заданными режимами шлифования, а в качестве оптимальных режимов шлифования выбраны режимы, соответствующие наибольшему времени достижения тенью контура конусной режущей части единичного зерна 2 ее конечного положения 12.
Способ выбора оптимальных режимов шлифования детали осуществляют следующим образом.
В определенных ситуациях, в том числе при запуске в производство нового материала или шлифовального инструмента, из-за недостатка времени провести полный комплекс исследований для получения необходимой информации не представляется возможным. Для таких случаев необходим экспериментальный экспресс-способ, позволяющий решить задачу поиска оптимальных режимов шлифования с минимальными трудозатратами, например, инструментом с алмазно-абразивными зернами в органической связке.
Предварительно из одной партии отбирают алмазно-абразивные зерна одинакового размера с режущей частью в форме конуса со скругленной вершиной. Каждое отобранное зерно 2 размещают в органической связке 3, заполняющей определенный объем державки-индентора 4. После отвердевания связки державку-индентор 4 с единичным зерном 2 в органической связке 3 жестко устанавливают на периферии цилиндрической поверхности круга 5, например завинчиванием или посадкой с натягом нижней части державки-индентора 4 в круг 5. Сформированный шлифовальный инструмент монтируют на шпинделе 6.
max
max
ш
max
Y
Z
тp
Y
Обрабатываемую плоскую деталь 1 закрепляют на координатном столе, имеющем продольное, поперечное и вертикальное перемещения, под объективом оптического устройства 7, состоящего из осветителя 8, выполненного с возможностью стробоскопической подсветки, и экран 9 с фиксированием на нем чертежа 10, которое может быть произведено расположением чертежа 10 между двумя экранными стеклами, наклеиванием его на экрана 9, ориентированием в трафарете и т.д. На чертеже 10 в заданном увеличенном масштабе изображают внешние контуры конусов режущей части единичного зерна 2 в начальном и конечном положениях 11, 12. Начальное положение 11 соответствует единичному зерну 2 до контактирования с деталью 1 в непосредственной близости от места его выхода из вертикальной нижней позиции. Конечное положение 12 задают углом поворота α зерна 2 в органической связке 3, меньшим угла α вырывания единичного зерна из нее: α<α=γ-arctg(k+f), где α - угол вырывания алмазно-абразивного зерна из органической связки; γ - половина угла при вершине конуса режущей части единичного зерна;  - коэффициент шлифования; P и P - соответственно радиальная и тангенциальная составляющие силы резания;  - коэффициент трения скольжения зерна с обрабатываемой деталью; F - сила трения скольжения между алмазно-абразивным зерном и обрабатываемой деталью; N=P - нормальная реакция обрабатываемой детали.
ш
Значения или теоретические и экспериментальные средства и методы определения коэффициентов К и f приведены во многих источниках, например:
а) Малыхин В.В., Новиков С.Г. Количественная оценка удержания алмазных зерен в кругах на органической связке // Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации: Материалы 1 международной научно-технической конференции / Курск, Гос. техн. ун-т. - Курск, 2003. - С. 107-109;
б) Малыхин В.В., Новиков Ф.В., Новиков Г.В. Теоретический подход к повышению эффективности процесса алмазного электроэрозионного шлифования // Известия ТулГУ. Серия. Технология машиностроения. Вып. 1. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2004. - С. 83-89;
в) Малыхин В.В. Моделирование функционирования подсистемы «зерно-связка» при алмазном шлифовании // Известия ТулГУ. Серия. Технология машиностроения. Вып. 1. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2004. - С. 89-94;
г) Маслов Е.Н. Теория шлифования материалов. - М.: «Машиностроение», 1974. - С. 88-89.
Осветителем 8 освещают зерно 2, деталь 1, чертеж 10 и через оптическое устройство 7 проецируют конусную форму режущей части единичного зерна 2 в виде четкой тени на экран 9. Без включения электродвигателя вручную проворачивают шлифовальный инструмент и совмещают четкую тень с начальным положением 11 единичного зерна 2 на чертеже 10.
1
Задают режимы микрорезания-царапания обрабатываемой детали: частоту вращения шпинделя 2 с шлифовальным инструментом; продольную подачу детали 1; глубину микрорезания. Продольным и поперечным перемещениями координатного стола подводят деталь 1 к шлифовальному инструменту, вертикальным перемещением устанавливают глубину обработки. Включают электродвигатель с необходимой частотой вращения шпинделя 6 и при этом производят стробоскопическую подсветку шлифовального инструмента с синхронизацией частоты вспышек осветителя 8 и частоты вращения шпинделя 6 шлифовального инструмента, совмещают тень от режущей части единичного зерна 2 на экране 9 с внешним контуром конуса начального положения 11 на чертеже 10. Тогда в стробоскопическом эффекте тень зерна 2 «замирает» на внешнем контуре начального положения 11 на чертеже 10 при вращающемся шпинделе 6. Заданную продольную подачу детали 1 производят продольным перемещением координатного стола. С момента контактирования единичного зерна 2 с обрабатываемой деталью 1 начинают хронометраж времени, а на экране 9 визуально наблюдают за изменением угла поворота зерна 2 в органической связке 3 по движению его тени, ранее до начала обработки, находившейся в покое. Тень поворачивается в одном направлении, не возвращаясь в начальное положение 11, так как шпиндель 6 вращается с большой частотой, а зерно 2 инерционно, поэтому оно не совершает колебательное движение из текущего промежуточного положения к вертикальной нижней позиции и обратно, кроме того, режущая часть зерна 2 экспонируется на экран 9 в непосредственной близости от места его выхода после контактирования с деталью 1. После достижения тенью конечного положения 12, заданного углом α на чертеже 10, останавливают отсчет времени и фиксируют станочное время микрорезания-царапания детали 1 единичным зерном 2 в органической связке 3. Если же единичное зерно 2 прошло всю деталь по длине, но тень его режущей части не достигла заданного угла α, то есть не совместилась с конечным положением 12 на чертеже 10, то время останавливают после прохода зерном 2 всей детали 1, прекращают и ее продольную подачу. Возвращают деталь 1 в первоначальное положение перед микрорезанием, поперечным перемещением координатного стола смещают след от царапания, при начале микрорезания включают новый отсчет времени до момента достижения тенью зерна 2 конечного положения 12, заданного углом α. Фиксированное время суммируют с ранее полученным, таким образом учитывают только чистое станочное время T микрорезания детали 1, причем осуществляют по меньшей мере один цикл шлифования детали с заданными режимами шлифования.
Замеры времени можно производить секундомерами, последовательно включая и выключая их с суммированием значений, использовать конструкцию шахматных часов, когда шахматист последовательным нажатием на кнопку суммирует затраченное время на обдумывание ходов, в нашем же случае очередное нажатие кнопки показывает суммарные затраты времени на микрорезание детали, или применять автоматизированные системы контролирования отсчета необходимого времени.
2
3
Для исключения случайных погрешностей измерения времени могут быть проведены несколько циклов шлифования с одними и теми же режимами, при этом находят среднее арифметическое значение, например, из трех измерений. Для этого при тех же самых режимах микрорезания-царапания детали проводят еще два измерения. Из специального круга 5 вывинчиванием или выпрессовкой освобождают державку-индентор 4 с отработанным единичным зерном 2 в органической связке 3. На цилиндрической поверхности круга 5 в освобожденном гнезде размещают другую ранее заготовленную державку-индентор 4 с размещенным в ней новым единичным зерном 2 в органической связке 3. В той же последовательности производят измерение чистого станочного времени Т. В третий раз заменяют единичное зерно 2 и замеряют время Т шлифования детали, после чего определяют первое среднее арифметическое время:
Аналогичным путем с другими заданными режимами шлифования осуществляют последующий экспресс-контроль.
1
2
3
Изменяют один или несколько режимов микрорезания детали. Каждый раз с новыми державкой-индентором 4 и единичным зерном 2 в органической связке 3 троекратно повторяют микрорезание-царапание материала и находят значения времени Т′, Т′, Т′ и их среднее значение
1
2
3
Вновь задают параметры обработки, определяют T″, Т″, Т″ и
и т.д.
ср max
Из найденных средних значений времени выбирают максимальное значение Т поворота единичного зерна 2 в органической связке 3 на заданный угол α. Режимы микрорезания при выбранном времени и будут являться оптимальными и определены при малых трудозатратах.
ср max
Так как единичные зерна и органическая связка, с которыми проводилось микрорезание, соответствуют реальному шлифовальному инструменту, например шлифовальному кругу, то оптимальные режимы микрорезания при Т можно рекомендовать и для выбора оптимальных параметров шлифования данной детали шлифовальным кругом.
При осуществлении по меньшей мере одного цикла шлифования детали 1 с заданными режимами шлифования выбирают режимы, соответствующие наибольшему времени достижения тенью контура режущей части единичного зерна 2 конечного положения 12.
Оригинальностью предложенного способа выбора оптимальных режимов шлифования детали является то, что он осуществлен с помощью шлифовального инструмента, состоящего из единичных алмазно-абразивных зерен 2 с конусной режущей частью, закрепленных в органической связке 3 и размещенных в державке-инденторе 4, установленной на цилиндрической поверхности круга 5, смонтированного на шпинделе 6, включает проведение экспресс-контроля режимов шлифования обрабатываемой детали 1, которую закрепляют на координатном столе, выполненном с возможностью продольного, поперечного и вертикального перемещений, под объективом оптического устройства 7, состоящего из осветителя 8, выполненного с возможностью стробоскопической подсветки, и экрана 9, на котором размещают изображения внешнего контура конусной режущей части единичного зерна 2 шлифовального инструмента в начальном положении 11 зерна 2 до его контактирования с обрабатываемой деталью 1 и в его конечном положении 12, соответствующему заданному углу поворота зерна 2 в органической связке 3, меньшему, чем угол его вырывания из органической связки 3, посредством подсветки осветителем 8 проецируют тень контура конусной режущей части единичного зерна 2 шлифовального инструмента в заданном масштабе на экран 9 оптического устройства 7 и совмещают ее с изображением режущей части единичного зерна 2 в начальном положении 11, осуществляют по меньшей мере один цикл шлифования детали 1 с заданными режимами шлифования, при этом производят стробоскопическую подсветку шлифовального инструмента с синхронизацией частоты вспышек осветителя 8 и частоты вращения шпинделя 6 шлифовального инструмента и фиксируют время от момента начала шлифования до момента достижения тенью контура конусной режущей части единичного зерна 2 ее упомянутого конечного положения 12, осуществляют последующий экспресс-контроль аналогичным путем с другими заданными режимами шлифования, а в качестве оптимальных режимов шлифования выбирают режимы, соответствующие наибольшему времени достижения тенью контура конусной режущей части единичного зерна 2 ее конечного положения 12, что позволяет:
1. Расширить технологические возможности обработки, так как микрорезание детали осуществляют единичным зерном в органической связке с продольной подачей координатного стола при стробоскопической подсветке шлифовального инструмента с синхронизацией частоты вспышек осветителя и частоты вращения шпинделя, что дает возможность оптическим устройством проецировать на экран с закрепленным на нем чертежом конусную форму режущей части единичного зерна и визуально наблюдать за изменением поведения единичного зерна в органической связке по положению его четкой тени на экране.
2. Оперативно выбирать оптимальные режимы шлифования по наибольшему времени достижения единичным зерном конечного положения, заданного углом поворота зерна в органической связке шлифовального инструмента, из начального положения до контактирования с обрабатываемой деталью.
Таким образом, предложенный способ позволяет достичь технического результата по расширению технологических возможностей обработки и быстрому выбору оптимальных режимов шлифования.