Республика Крым, Россия
УДК 621.7 Обработка давлением. Пластическое формообразование. Формоизменяющие операции (без снятия стружки). Отделка в целом. Соединение материалов. Процессы (технология), инструменты, машины и оборудование
В настоящее время операция шлифования валков прокатных станов с использованием мелкозернистых кругов является наиболее прогрессивным методом финишной обработки, т. к. исключение трудоемких доводочных процедур из технологического цикла позволило обеспечить заданную точность размеров, формы, шероховатости поверхности, физико-механических свойств обрабатываемого материала, снизить трудоемкость изготовления изделий. Учитывая, что производительность шлифования мелкозернистыми кругами повышается с повышением глубины резания единичным зерном, рассмотрена методика расчета циклов шлифования по радиальному усилию для обработки поверхности валков холодной прокатки мелкозернистыми абразивными кругами. Проведен расчет, а также определены оптимальные режимы высокопроизводительного цикла шлифования деталей из стали 9Х2, 55…60 HRC, кругами 1-400x50x203 63С М14 СМ 8Б с изменением радиальной составляющей силы резания на этапах цикла. Для экспериментальной проверки рассчитанного цикла были проведены опыты по шлифованию образцов d×l = 65×250 мм при постоянном радиальном усилии, соответствующей заданной шероховатости поверхности и с изменением радиального усилия. Радиальное усилие шлифования задавалось натягом технологической системы и поддерживалось по прибору для регистрации радиального усилия в течение каждого прохода. При проведении опытов проводились замеры: съема металла на диаметр рычажной скобой; параметров шероховатости поверхности на профилометре-профилографе мод. 201. Проведенные испытания подтвердили эффективность применения расчетных циклов с изменением радиального усилия. При использовании предложенных циклов обеспечивается заданная шероховатость поверхности, при этом производительность операции увеличивается в 2,0 – 2,5 раза.
шлифование, валки холодной прокатки, операция, производительность, радиальная составляющая силы резания, мелкозернистые шлифовальные круги, режим шлифования
В настоящее время в качестве финишных операций при изготовлении валков холодной прокатки используются процессы абразивной обработки, такие как шлифование и суперфиниширование [1]. Для исключения трудоемких доводочных процедур из технологического цикла в последнее время стали использовать процессы круглого наружного шлифования мелкозернистыми кругами, что позволило обеспечить заданную точность размеров, формы, шероховатости поверхности, физико-механических свойств обрабатываемого материала, снизить трудоемкость изготовления изделий [2]. В условиях серийного производства необходимо обеспечить шероховатость поверхности валка Ra не более 0,02 мкм, точность поверхности по пятому квалитету. Большими проблемами для производства являются: определение числа операций шлифования деталей, выбор характеристик шлифовальных кругов и назначение режимов шлифования [3]. Решение первых двух проблем подробно изложено в работах [4 – 7]. Сведения по назначению оптимальных режимов обработки для операции шлифования валков в литературе практически отсутствуют.
Целью данной работы является разработка методики расчета высокопроизводительных циклов шлифования валков холодной прокатки, на основе построения математических моделей и оптимизации цикла по радиальному усилию.
Материалы и методы
Известно, что производительность шлифования мелкозернистыми кругами повышается с повышением глубины резания единичным зерном.
В работе [9] показано, что производительность шлифования повышается с повышением интенсивности радиального усилия шлифования . При шлифовании большинства металлов зависимость скорости врезания
(радиальный съем за единицу времени) от интенсивности радиального усилия имеет вид прямой линии, проходящей через начало координат, при этом зависимость изменения шероховатости поверхности от интенсивности усилия шлифования выражается функцией вида:
Максимально допустимая глубина резания единичным абразивным зерном при припуске на шлифование
определится (рис. 1) по уравнению:
где – радиальный съем материала;
– коэффициент пропорциональности;
– высота неровностей по десяти точкам (сумма средних абсолютных значений высот пяти наибольших выступов профиля и глубин пяти наибольших впадин профиля в пределах базовой длины).
Максимальная глубина резания единичным зерном при шлифовании соответствует наибольшей впадине текущей шероховатости поверхности . Это выражается зависимостью
Подставляя значение из уравнения (1) при
в уравнение (3) и определяемое при этом
в уравнение (2), получим:
При работе круга в режиме самозатачивания радиальный съем материала пропорционален скорости врезания и времени
[10]:
из уравнения (4), запишем бесконечно малое приращение радиального съема металла:Определяя из уравнения (6) и подставляя его в уравнения (4) получим зависимость изменения интенсивности радиального усилия шлифования от времени шлифования:
где – постоянная интегрирования.
Уравнения (7) показывает, что для получения высокой производительности при шлифовании мелкозернистыми кругами, интенсивность радиального усилия должна снижаться по мере съема припуска. В начальный период времени целесообразно работать с радиальным усилием, значительно превышающим усилие, при котором обеспечивается получение заданной шероховатости поверхности. Однако интенсивность усилия шлифования может быть повышена до определенной величины, определяемой прочностью абразивного зерна и прочностью закрепления его в круге.
В общем случае, когда снимаемый припуск больше поверхностного слоя, в котором распределена предварительная шероховатость, весь припуск под шлифование тонкозернистым кругом может быть разбит на три участка (см. рис. 1).
Величина припуска первого участка равна слою, в котором распределена предварительная шероховатость поверхности . В период удаления этого слоя меняется длина линии контакта круга с деталью [6]:
Графически изменение радиального усилия шлифования на первом участке цикла представлено на рис. 2 линией .
Ко второй части припуска может быть отнесен слой металла , лежащий под слоем предварительной шероховатости поверхности и сошлифуемый при максимально допустимой интенсивности радиального усилия шлифования. В период удаления этого слоя длина линии контакта круга с деталью не меняется и равна длине круга. Радиальное усилие сохраняется постоянным и может быть определено по уравнению (8), т. к. параметр Е при
мало отличается от единицы.
После съема основной части припуска радиальное усилие шлифования должно быть уменьшено до усилия, при котором обеспечивается заданная шероховатость поверхности. При этом участке цикла снимается оставшаяся часть припуска
.
Снижение радиального усилия шлифования на третьем участке цикла определяется по уравнению (7). Графически изменение радиального цикла представлено на рис. 2 линией ЕК.
При шлифовании с продольной подачей радиальное усилие может быть изменено только в начале или конце прохода. Рассмотрим особенности контакта круга с деталью в период удаления первой части припуска при наличии продольной подачи. В этом случае (рис. 3) линия касается круга с деталью не параллельна обрабатываемой поверхности (линия АВ). Условия контакта круга с деталью изменяются не только по мере съема предварительной шероховатости поверхности, но и по высоте круга. При шлифовании с максимально допустимой интенсивностью радиального усилия шлифования, линия АВ будет прямой. Элементарное приращение длины линии контакта круга с деталью (рис. 3), принимая параметр Е при бесконечно малом приращении Н постоянным определяется:
На третьем участке цикла радиальное усилие шлифования может быть изменено также как на первом и втором участках, периодически. При непосредственном снижении усилия с усилия второго участка цикла до усилия, при котором обеспечивается заданная шероховатость поверхности, число проходов на третьем участке цикла определится (см. рис. 1) по уравнению:
Графически высокопроизводительный цикл при шлифовании мелкозернистыми кругами с продольной подачей на рис. 4 представлен ломаной линией .
Пример расчета цикла и его экспериментальная проверка. Рассмотрим пример расчета высокопроизводительного цикла шлифования деталей из стали 9Х2, HRC = 55…60, кругами 1-400 x 50 x 203 63С М14 СМ 8Б. Размеры детали d×l = 65×250 мм, припуск на шлифование мм. Предварительная шероховатость поверхности соответствует
мкм. Шероховатость после шлифования должна соответствует
мкм. Коэффициенты неоднородности шероховатости
. Шлифование ведется с продольной подачей
м/мин, допустимая интенсивность радиального усилия шлифования
для круга 63С М14 СМ 8Б, определенная экспериментально по радиальному усилию, при котором наблюдалось осыпание круга, равна 15 Н. Дополнительными опытами при шлифовании образцов без предварительной шероховатости были установлены следующие эмпирические зависимости изменение радиального съема металла и шероховатости поверхности от интенсивности радиального усилия шлифования:
На третьем участке цикла (четвертый проход) радиальное усилие должно быть снижено до усилия, обеспечивающего получение заданной шероховатости поверхности. Определяется из уравнения (1) при мкм,
Н (табл. 2).
Число проходов на третьем участке цикла определяется по уравнению (19) . Принимаем
(см. табл. 1).
Для экспериментальной проверки рассчитанного цикла были проведены опыты по шлифованию образцов d×l=65×250 мм на станке RSM М500 B CNC при постоянном радиальном усилии, соответствующей заданной шероховатости поверхности Н и с изменением радиального усилия по радиальное усилие циклу. Радиальное усилие шлифования задавалось натягом технологической системы и поддерживалось по прибору для регистрации радиального усилия в течение каждого прохода постоянными с точностью ± 20 Н.
При проведении опытов проводились замеры: съема металла на диаметр рычажной скобой, с ценой деления 0,001 мм; шероховатости поверхности Ra, мкм, на профилометре-профилографе мод. 201.
Повторность опытов при радиальном усилии Н и при изменении радиального усилия по циклу была принята равной девяти. Усредненные данные по производительности шлифования, шероховатости поверхности и машинному времени обработки образца приводятся в табл. 2.
Предложенная методика позволяет рассчитать высокопроизводительный цикл шлифования мелкозернистыми кругами. Проведенные эксперименты подтверждают эффективность применения расчетных циклов, так данные табл. 2 показывают, что при изменении радиального усилия шлифования по циклу при высокой производительности процесса достигается заданная шероховатость поверхности. При шлифовании с постоянным радиальным усилием Н машинное время шлифования детали в 2,5 раза выше, чем при шлифовании с изменением радиального усилия по рассчитанному циклу.
1. Malkin S., Guo C. Grinding Technology: Theory and Applications of Machining with Abrasives. New York: Industrial Press, 2008. 372 р. ISBN 978-0-8311-3247-7.
2. Суслов А.Г., Шалыгин М.Г., Кузнецов С.В. Исследование поверхностей с различной механической обработкой на уровне субшероховатости // Наукоемкие технологии в машиностроении. 2015. № 9 (51). С. 45-47.
3. Bratan S., Roshchupkin S., Kharchenko A., Belousov S. Quality improvement of manufacturing rolling mill rolls, CIS Iron and Steel Review. Metallurgical Equipment. 2021. Vol. 22. P. 26-31. doi: https://doi.org/10.17580/cisisr.2021.02.05.
4. Носенко В. А., Федотов Е. В., Даниленко М. В. Математическое моделирование распределения вершин зерен при шлифовании в результате различных видов изнашивания с использованием марковских случайных процессов // МНИЖ. 2015. № 2-1 (33).
5. Bratan S., Ságová Z., Sága M., Yakimovich B., Kuric I. New Calculation Methodology of the Operations Number of Cold Rolling Rolls Fine Grinding/ Applied Sciences (Switzerland), 2023, 13 (6), 3484. https://doi.org/10.3390/app1306348
6. Братан С.М., Дымченко И.А., Головин В.И., Новоселов Ю.К. Методика расчета числа операций при тонком шлифовании валков холодной прокатки и ее экспериментальная проверка // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. 2023. № 2 (358). С. 90 -106.
7. L. Godinoa, I. Pomboa, J.A. Sanchez, J. Alvarez. On the development and evolution of wear flats in microcrystalline sintered alumina grinding wheels, Journal of Manufacturing Processes. 2018. Vol. 32. P. 494-505.
8. Братан С.М., Рощупкин С.И., Часовитина А.С., Гупта К. Влияние на вероятность удаления материала относительных вибраций абразивного инструмента и заготовки при чистовом шлифовании // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). 2022. Т. 24. № 1. С. 33-47. DOIhttps://doi.org/10.17212/1994-6309-2022-24.1-33-47.
9. Корчак С.Н. Производительность процесса шлифования стальных деталей. М.: Машиностроение, 1974. 280 с.
10. Bratan S., Roshchupkin S., Chasovitina A.The correlation of movements in the technological system during grinding precise holes, 2021, Materials Science Forum, 1037 MSF, pp. 384-389. DOI:https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.1037.384
