Исследования движения частиц шлифовального материала при обработке винтовых поверхностей шлифовальным материалом в камере Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Долотин А.И., Долотина Е.А., Перевертов В.П.

Пензенский государственный университет

Самарский университет железнодорожного транспорта

ИССЛЕДОВАНИЯ ДВИЖЕНИЯ ЧАСТИЦ ШЛИФОВАЛЬНОГО МАТЕРИАЛА ПРИ ОБРАБОТКЕ ВИНТОВЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ШЛИФОВАЛЬНЫМ МАТЕРИАЛОМ В КАМЕРЕ

Актуальной задачей современного машиностроения является финишная обработка винтовых деталей. Долговечность и работоспособность винтовых и червячных передач в значительной мере определяется шероховатостью винтовой поверхности. Повышенная шероховатость приводит к ускорению износа рабочих поверхностей сопрягаемых деталей и снижению эксплуатационных характеристик передачи.

Требуемая техническими условиями шероховатость винтовых поверхностей червяка или ходового винта в пределах Ra = 0,4 ... 0,2 мкм достигается шлифованием и полированием. Шлифование, как правило, производится профильными шлифовальными кругами; обработка производится на специальных станках, для обслуживания которых требуются высококвалифицированные специалисты. Все это приводит к повышению себестоимости обработки при сравнительно низкой производительности труда. Кроме того, применяемые методы обработки эластичными абразивными и войлочными кругами или абразивными лентами не всегда обеспечивают стабильное качество по профилю сложной винтовой поверхности. Поэтому актуальной является задача разработки новых способов финишной обработки винтовых поверхностей незакрепленным шлифовальным материалом.

Известны разные способы обработки винтовых поверхностей деталей незакрепленным шлифовальным материалом. Так в производственной практике получили применение шпиндельная виброабразивная и центробежная обработка. Однако низкое контактное давление шлифовального материала на обрабатываемую поверхность не позволяет эффективно удалять неровности с закаленных поверхностей стальных деталей. Для повышения эффективности обработки винтовых поверхностей деталей предлагается новая технология обработки в камере со статическим уплотнением абразивной среды.

Предложен новый способ камерной абразивной обработки и устройство для его осуществления [1] . Сущность предложенного способа заключается в том, что обрабатываемую длинномерную заготовку 1 (рисунок 1) устанавливают горизонтально, зажимают в патроны, погружают в абразивную среду, находящуюся в камере 2 и герметично закрывают крышкой 3. Уплотнение абразивного материала производят давлением сжатого воздуха, подаваемого через штуцеры 4 и 5 в полости секций, образованных цилиндрической стенкой камеры и эластичными диафрагмами б. Одновременно с уплотнением обеспечивают циркуляцию смазочно-охлаждающей жидкости через камеру при помощи подводящего 7 и отводящего 8 штуцеров .

Рисунок 1 - Принципиальная схема обработки винтовых поверхностей деталей в камере со статическим уплотнением шлифовального материала

При обработке винтовых поверхностей длинномерных деталей камере сообщают принудительное циклическое перемещение Sk вдоль оси заготовки на величину шага винтовой линии за каждый оборот обрабатываемой детали Пд.

Для повышения качества поверхности и производительности обработки, в камере создают переменное давление абразива на поверхность детали путем разделения камеры на изолированные секции при помощи перегородок 9 и 10. Величина давления сжатого воздуха на эластичные стенки камеры в головной части равна 0,2 МПа, что соответствует режиму чернового шлифования, а в конце камеры 0,02 МПа, что соответствует режиму чистового (доводочного) шлифования.

Важным вопросом для определения технологических режимов обработки деталей данным способом является исследование кинематики движения абразивных частиц по винтовой поверхности детали.

При обработке деталей происходит перемещение частиц шлифовального материала относительно обрабатываемой поверхности. Это движение обусловлено действием сил инерции, возникающих от переносного и кориолисова ускорений, силы внешнего давления сжатого воздуха на эластичные стенки камеры и силы трения.

Дифференциальные уравнения движения частицы шлифовального материала будут представлены в виде:

mx = m W ■ r ■ cos(d + f) - 2mw z - Fdae ■ sin(d + f) - F^ ■-==L==

+ y + z

2 У

my = m wd pf + 2mw y - F^, ■ 2

yjx + y + z

z

• 2 *2 *2

x2 + y2 + z2

где m - масса абразивной частицы, Ид -окружная скорость детали, 5 - угол винтового профиля в

поперечном сечении,г - радиус траектории перемещения абразивной частицы по обрабатываемой поверхности, ф - угол винтового профиля в продольном сечении,р - радиус винтового профиля,Рдав - сила давления сжатого воздуха на абразивное зерно, FTp - сила трения абразивной частицы об обрабатываемую поверхность, xyz - координаты положения частицы относительно соответствующих осей.

Рассмотрим движение частицы по радиусу, который примем за ось х. Тогда y=0, z=0 и первое уравнение системы имеет вид:

mz = m ■ W ■r ■ sin(d + f) - 2mw x + Fdae ■ cos(d + f) - F^

2 1 х = (mwar cos(d + f) - Fa s n(d + f) - Fmp) ■ — . (2)

Общее решение получим последовательно интегрируя уравнение два раза:

а

2 t

х = (—Wr cos(d + f) - Fdae s n(d + f) - Fmp) ■ — + C|t + C2 ,

(3)

где t - время, С1, С2 - постоянные интегрирования.

Рассмотрим движение частицы по радиусу, который примем за ось у, т.е. x=0, z = 0. Решение системы в этом случае сводится к линейному неоднородному уравнению:

my - 2ma>ay — тюд3рф - F,

Общее решение уравнения имеет вид:

тр

(4) .

y — Ci + Суэ

W - —WPf - Fmp t

2mw

(5) .

Примем радиус движения частицы за ось z, тогда x=0, у=0.

Последнее уравнение системы примет вид:

2 1 z — (magr sn(d + f) + Fa cos(d + f) - Fmp) — (6) .

Общее решение уравнения получим дважды проинтегрировав его:

t2

z — (mwar sn(d + f) + Fa cos(d + f) - Fmp) — + C^ + C

(7)

Постоянные интегрирования находятся из начальных условий: при t = 0 частица находится на расстоянии Г0 от оси z и не двигается вдоль радиуса, т.е.

х — r0, х — 0.

В результате получены следующие значения:

С1 — 0 (8)

С 2 — r0 (9)

Значения координат x, y, z и скоростей х, y, Z для различных значений t приведены в таблице 1. Таблица 1 - Значения координат и скоростей движения относительно координатных осей абразивной

частицы для Х0 = 0,02 м и Юд=12,5 с-1

t, c Х, м У, м z, м х, м/с у, м/ с Z , м/с Vr, м/с

0 0,02 0 0 0 0 0 0

о и 0,026 0,018 0,029 0,84 1,74 1,64 1,44

0,2 0,068 0,045 0,037 1,14 3,6 2,97 3,12

го о 0,187 0,157 0,0148 3,08 8,12 4,53 6,54

Данные расчетов показывают, что движение абразивных частиц происходит ускоренно при достаточно высоких значениях скоростей. Это позволяет вести речь о благоприятных условиях для повышения эффективности обработки деталей.

ЛИТЕРАТУРА

1. Способ камерной абразивной обработки и устройство для его осуществления / А. В. Зверовщиков, А.Н. Мартынов, В.З. Зверовщиков, А.И. Долотин. Патент на изобретение № 2218262, Б.И. №34, 2003