CC BY
37
.....СЕМИНАР 14
:.:.Ш.ШДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА
99”
::::: МОСКВА, МГГУ, 25.01.99 - 29.01.99 :::::::
^ Ю.А. Павлов, 2000 ■ ■ ■}/•.
УДК 679.8:622 ........ ;
Ю.А. Павлов
ПРОБЛЕМЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПРОГРЕССИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ОБРАБОТКИ ДЕКОРАТИВНОХУДОЖЕСТВЕННЫХ ИЗДЕЛИЙ В КАМНЕОБРАБАТЫВАЮЩИХ ПРОИЗВОДСТВАХ (
П
роцесс высокоточной размерной обработки художественных изделий со сложными контурами из облицовочных и поделочных камней (столешниц, фигурных рам, карнизов, объемных орнаментов, барельефов и скульптур) требует применения многокоординатных фрезерных и профильношлифовальных станков, оснащенных абразивно-алмазными инструментами (периферийными или торцевыми кругами, тарельчатыми, дисковыми или концевыми фрезами разных форм). Однако отечественное машиностроение не производит подобных типов станочного оборудования с программным управлением, соответствующих требованиям камнеобрабатывающих производств. Поэтому профильношлифовальные и контурно-фрезерные камнеобрабатывающие станки с ЧПУ импортируется в основном из Италии. Недостаточно выпускается в нашей стране и разнообразный абразивно-алмазный инструмент, специально спроектированный для таких станков. Для развития российской камнеобрабатывающей отрасли актуальным становится теоретическое и экспериментальное исследование прогрессивных технологических процессов абразивно-алмазной профильной обработки камней, керамики и других высокотвердых материалов, определяющих технические требования к вновь разрабатываемым станкам данной группы.
Изготовление декоративно-художественных изделий, фрагментов архитектурного оформления зданий, элементов интерьера и других профилированных деталей является наиболее трудоемким и дорогостоящим процессом в камнеобрабатывающем производстве [3]. В связи с этим необходимо использовать прогрессивные технологии, повышающие производительность размерной обработки и качество таких изделий при снижении себестоимости их изготовления. Эффективными методами бездефектной размерной обработки твердых и хрупких материалов в настоящее время являются высокоскоростное и глубинное шлифование, осуществляемые профилированными абразивно-алмазными инструментами на специализированном оборудовании [1], [2]. Высокоскоростное глубинное шлифование применяется для обработки изделий со сложным профилем, при котором глубина резания (размер подачи) а достигает 10 мм и более, чтобы обеспечить снятие припуска на обработку за 1-2 про-
хода. Скорость резания (окружная скорость шлифовального круга) vc составляет 60-120 м/с при использовании стандартных кругов из корунда или карбида кремния на керамической или полимерной связке и может возрастать до 150 -250 м/с при применении высокопрочных кругов (на сверхтвердой связке или стальных) с покрытием из кубического нитрида бора или синтетических алмазов, а скорость подачи заготовки V/ изменяется в диапазоне 1000-10000 мм/мин
[4].
На рис. 1 дана принципиальная схема высокоскоростного глубинного шлифования. Материал на поверхности заготовки во всю глубину а и ширину Ь снимается одним проходом шлифовального круга. При этом ха-зии движения подачи круга со скоростью V/ не играет роли. Она может быть линейной при плоском шлифовании, либо круговой при наружном круглом шлифовании, а также криволинейной при многокоординатном контурном шлифовании. Поперечное сечение круга имеет произвольный профиль, возможно применение комплекта из нескольких кругов разной конфигурации. Важным при этом, однако, является то, что при высоких окружных скоростях vc шлифовального круга скорости подачи V/ также были повышенными. Такие режимы являются обязательными для реализации максимальных показателей производительности и качества обработки. Важным параметром процесса абразивно-алмазной обработки является толщина стружки за один оборот шлифовального круга h0 , определяющая физические явления в рабочей зоне (формирование микростружки, упруго-пластичный сдвиг поверхностного слоя, трение, хрупкое разрушение и износ круга, тепловые нагрузки). Из схемы на рис. 1 следует:
h0 =/с&тф= 7ЮкКу^2ае - а2е ,мм/об (1)
где /о - подача на один оборот круга, /0=\/п, мм/об; V/ -скорость подачи, мм/ мин; п - частота вращения круга, равная п=60*10\/жВк, об/мин; vc - окружная скорость шлифовального круга, м/с; Dк - диаметр круга, мм; ф - угол зоны контакта круга с заготовкой, рад;
cosф=1-ae; KV=v/60*103vc - коэффициент скорости шлифования; ае=2а/Ок - относительная глубина шлифования.
При условии использования шлифовальных кругом с большим диаметром, когда Dк»a и ае2^0, можно применять приближенную формулу:
h0=7ЮкКу 2ае , (1а)
Площадь поперечного сечения стружки S0, снимаемой за один оборот круга, определяется из соотношения:
S0=Dкфh0/4=aeKVкDк2/2, мм2/об. (2)
Объем материала V0, снимаемого за один оборот круга зависит, от ширины Ь его рабочей части:
V0=s0b=aebeKVлDк3/4, мм3/об, (3)
где Ье=2ЬЮк - относительная ширина шлифования.
Производительность процесса высокоскоростного глубинного шлифования Qw находится в следующей зависимости от окружной скорости круга vc:
Qw=Von/60==aebeKDk2103vcM, мм3/с (4)
Для нахождения зависимости производительности Qw от скорости подачи vf следует воспользоваться следующим соотношением:
Qw=aebeDk2v/30, мм3/с (5)
Часто для сравнительной оценки процессов шлифования используют характеристику удельной
производительности QW съема материала в единицу времени, отнесенной к ширине круга, равной 1 мм:
Qw1=Qw/b=aeDkv/15, мм3/мм-с (6)
Кинематика процесса шлифования определяет в значительной степени его статические, динамические и температурные характеристики. Статика процесса характеризуется силами резания, схема действия которых показана на рис. 1. Результирующая сила F является равнодействующей двух составляющих сил резания: касательной (тангенциальной) Ft и радиальной (нормальной) Fn.
В технологии шлифования материалов периферийным инструментом обычно используют координатные силовые параметры резания: горизонтальная сила Fz, характеризующая усилие подачи, и вертикальная сила Fy (усилие прижима заготовки). Отношение Fy/Fz определяется в значительной степени кинематикой процесса шлифования. В частности, с увеличением скорости резания vc это отношение уменьшается, а с возрастанием vf глубины a оно растет. Силы резания Fz и Fy связаны параметрами Ft и Fn следующими соотношениями:
Fz =Fnsin р+Fcos р,
(7)
Fy =Ftsin рц Fncosp,
здесь верхний знак характеризует встречное шлифование (против подачи), а нижний знак - попутное шлифование (по подаче).
Рис.1. Схема процесса глубинного профильного шлифования:
а - расчетная схема нагружения единичного зерна; б - модель теплового воздействия на зерно
Обычно усилия резания определяются на основе расчетной модели процесса стружкоотделения для одного зерна шлифовального круга (рис. 1,а). В результате анализа процесса микрорезания отдельным зерном, имеющим форму усеченного конуса, в направлении его движения определяются составляющие единичных сил: нормальная сила F1n , которая обеспечивает внедрение абразивного зерна в материал заготовки, его смятие и разрушение; тангенциальная сила FtI, осуществляющая срезание стружки по круговой траектории движения вершины зерна. Кроме того, на передней грани действует сила трения рт=^р, препятствующая сходу стружки, где ц - коэффициент трения. Соотношение FnI/FtI зависит от прочности обрабатываемого материала и возрастает с ее увеличением. На основании аналитического исследования процесса микрорезания единичным зерном по принятой модели получены формулы для расчета сил резания, которые устанавливают степенные зависимости между составляющими силы шлифования (Н) и рядом безразмерных параметров, характеризующих условия обработки:
F‘1 = -и ;
(8)
Р‘у = КВутр^К:2а:2Ц <2М*2иЛ
здесь: К-р^ КРу - коэффициенты составляющих сил, связанные с размерностью параметров; тр - сопротивляемость обрабатываемого материала сдвигу, МПа; Rk=Dк/2 - радиус круга, мм; К„ - относительная скорость шлифования; ае -относительная глубина шлифования; Ь1=10'3ус'2к/а. - критерий Пекле, где ус - скорость шлифования, м/с; гк - зернистость круга, мкм (по ГОСТ 3647-80), аг - коэффициент температуропроводности, характеризующий скорость выравнивания температуры , м2/с; Ы=10~32к^к - безразмерная зернистость круга; и=с^к4 - безразмерная величина, характеризующая плотность зерен в переходном слое, где сУ -градиент плотности режущих зерен, мм -4.
Из полученных соотношений после подстановки экспериментально найденных значений показателей степеней и значений сопротивляемости материалов сдвигу следует, что с ростом у, ае, Тр и гк значения сил резания увеличиваются, а с увеличением ус и Rк - уменьшается. Сила ру растет несколько быстрее с увеличением У/и ае, чем То же наблюдается и с увеличением
прочности обрабатываемого материала тр, которое одновременно сопровождается уменьшением коэффициента а.
Эффективная мощность резания, характеризующая технологическую производительность процесса шлифования, находится из формулы:
Р=Р.Ус, Вт. (9)
Энергия Ш определяет так называемую технологическую нагрузку на инструмент и обрабатываемую поверхность в процессе резания:
Ш=(Рх-Рхо)‘х=б0(Рх-Рхо)1„/у/, Дж, (10)
здесь: Рс0 - мощность холостого хода, Вт; ‘¡=б01у/у/ - машинное время, с,
где Iу - длина обрабатываемой поверхности заготовки, мм;
V/ - скорость подачи, мм /мин.
Возрастание Ш до значений предельной нагрузочной способности абразивных зерен вызывает повышенный износ шлифовального круга, которая оценивается коэффициентом абразивной способности:
G=V/Vk, (11)
где V - объем сошлифованного материала, мм3 ; V: - объемный износ кромочных зон круга, мм3.
Процесс шлифования сопровождается интенсивным нагревом зоны контакта абразивного зерна круга с поверхностью заготовки, связанным с тем, что большая часть энергии резания и сдвига обрабатываемого материала, а также работа сил трения в плоскости сдвига, на передней и задней поверхностях каждого единичного зерна преобразуются в тепло (см. рис.1,б). Тепловое воздействие, возникающее в процессе микрорезания, определяется характером распределения плотности потока q тепловыделения и поверхностной плотности теплоотдачи qs. Возникающее при этом температурное поле в граничной зоне зерна способствует разрушению системы зерно-связка, то есть износу круга, а также изменению свойств поверхностного слоя материала заготовки. На основании теоретических исследований тепловой модели процесса микрорезания высокопрочных материалов с низким коэффициентом теплопроводности, соизмеримым с теплопроводностью абразивного зерна, установлено, что максимальное значение температуры устанавливается в вершине режущей кромки. Функция, описывающая в степенном параметрическом виде среднюю температуру на поверхности зерна (0 С), может быть представлена следующей зависимостью:
Тт = КТ(тр/сре)К1НуЦгМ!и-‘М-"С "ВГрЕо] (12)
здесь: КТ - температурный коэффициент, зависящий от размерности параметров; тр - сопротивляемость обрабатываемого материала сдвигу, МПа; сре - теплофизическая по-
Рис. 2. Зоны эффективного шлифования различными методами
стоянная абразивного зерна, Дж/(м3 • оС); КУ, Ь1, М и и - безразмерные параметры, определение которых дано в комментарии к формулам (8); М=Ху/Хе - критерий, характеризующий теплофизические свойства обрабатываемого материала по отношению к свойствам зерна; С=Х/Хе - критерий, учитывающий теплофизические свойства связки круга по отношению к зерну; X», Хе и Ху - коэффициенты теплопроводности материала заготовки, зерна и связки круга, соответственно, Вт/(м-°С); Bi=(as/Xe)■zk - критерий Био, характеризующий интенсивность теплообмена с окружающей средой, где а5 - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2-оС); zk - зернистость круга, мкм; Ро1 -критерий Фурье, характеризующий продолжительность цикла теплового воздействия на зерно, находится по формуле:
Ро1 = аДкт/2ае / (ус? zk2;, где а. - коэффициент температуропроводности, м2/с.
Теоретические и экспериментальные исследования показали, что решающим для процесса теплообразования фактором является повышение производительности шлифования Q1у в то время, как окружная скорость круга ус оказывает значительно меньшее влияние на увеличение средней температуры Тт. Выбор неоптимальных режимов высокоскоростного глубинного шлифования может вызвать изменения структуры и физико-механических свойств поверхностного слоя материала заготовки на глубину 1и из-за повышения Тт до 1300 - 1800оС, то есть температуры плавления. Одновременное повышение скорости подачи V/ позволяет уменьшить установившуюся температуру, главным образом за счет сокращения машинного времени ‘ц и увеличения доли теплового потока, отводимого со стружкой (до 70%). В любом случае требуется интенсивное охлаждение рабочей зоны с помощью высокоэффективных смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ).
Воспользуемся полученными параметрами для наглядного представления областей эффективного применения с точки зрения удельной производительности Q1у трех методов шлифования (рис.2).
Многопроходное продольное шлифование с так называемым "маятниковым" циклом осуществляется с небольшими размерами подачи (глуби-нами резания) 0,01 <а< 0,1 мм и ограниченными скоростями главного движения 30<ус<45 м/с. Скорости подачи могут изменяться в очень широком диапазоне 60 <у/< 12000 мм/мин. Превышение V/ определенного предела, величина которого зависит от многих факторов, повлечет за собой увеличение усилий шлифования ру , Fz .
В результате этого возрастает износ круга и снижается его размерная стойкость. Характерными признаками предельной наработки шлифовального круга являются повышенные вибрации, недопустимое ухудшение шероховатости обрабатываемой поверхности, возрастание геометрических погрешностей профиля изделия и появление дефектов на рабочей поверхности круга. Увеличе-
Рис. 3. Функциональные взаимоотношения между параметрами и результатами обработки методом высокоскоростного глубинного шлифования
ние усилий шлифования при данном способе обработки может быть вызвано и повышением размера подачи а. Однако в этом случае, также как и при увеличении скорости шлифования V,;, нарастает темпе-
ратура Tm в рабочей зоне. Следовательно практически непреодолимым ограничивающим фактором повышения производительности данного метода шлифования становится так называемый "термический пробел"-зона недопустимых значений подач а и окружных скоростей vc.
Однопроходное глубинное шлифование с традиционно используемыми рабочими скоростями 30<vc<45 м/с отличается малыми значениями скоростей подачи заготовки 60<у/<300 мм/мин и широким диапазоном изменения глубины снимаемого слоя материала 0,01<a<25 мм. Возрастание производительности обработки при этом достигается главным образом за счет увеличения размера подачи а. Ограничивающими факторами здесь также являются предельные усилия резания, растущие вместе со скоростью подачи vf, и предельная температура Tm в рабочей зоне, возрастающая при увеличении глубины а и скорости vc шлифования.
Высокоскоростное глубинное шлифование по прогрессивной технологии HSG (High Speed Grinding) характеризуется резким повышением окружной скорости круга 60<vc<250 м/с, а также широкими диапазонами значений скоростей подачи 300<v/ <10000 мм/мин и размеров подачи 0,3<a<30 мм. Одновременное повышение окружной скорости vc шлифовального круга, скорости vf и размера подачи a позволяет выйти за границы "термического пробела". Это
объясняется тем, что при возрастании окружной скорости круга с одновременным пропорциональным повышением скорости подачи температура в рабочей зоне Tm уменьшается, позволяя дополнительно увеличить размер подачи a без температурного ограничения. Производительность съема материала при использовании HSG- технологии многократно увеличивается в сравнении с любыми другими методами обработки. Параметры процесса формообразования (точность формы и размеров) и шероховатости поверхности обрабатываемых этим методом изделий не только сохраняются, но и при выборе оптимальных технологических режимов улучшаются. В значительной мере увеличивается соотношение G между объемом снимаемого материала и износом шлифовального круга, то есть возрастает его размерная стойкость.
Существует две возможности использования достигаемых при методе HSG - технологии результатов обработки
(рис.3): 1 - улучшение качества обрабатываемых поверхностей заготовок,
если повышается скорость ус и следовательно уменьшаются усилия шлифования при постоянстве удельной производительности съема материала Q1у; 2 - возрастание удельной объемной производительности Q1у при одновременном повышении ус и скорости подачи V/[4].
Объем снимаемого материала в единицу времени Qw при высокоскоростном глубинном шлифовании многократно превышает производительность любых других методов обработки. Данная технология не рассчитана на высокопроизводительную чистовую обработку плоских или цилиндрических поверхностей большой площади, а самые оптимальные результаты дает при профильном плоском и наружном круглом шлифовании, при обработке сложных контуров и объемных фигур врезным и однопроходным строчным шлифованием.
Итак, для использования преимуществ технологии высокоскоростного глубинного шлифования в камнеобрабатывающих производствах требуется: выполнение дополнительных теоретических и экспериментальных исследований по уточнению параметров статических, динамических и тепловых моделей процесса микрошлифования различных видов природного кам-онпя;тимизация режимов шлифования по критерию наибольшей эффективности технологических процессов обработки конкретных видов
камней; анализ возможностей существующего оборудования и разработка требований к специализированным станкам для высокопроизводительной профильной обработки камней; анализ абразивно-алмазного инструмента, используемого в камнеобрабатывающем и других произ-
водствах, с точки зрения применения их для прогрессив-
ных технологий шлифования.
С
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Оптимизация технологии глубинного шлифования / С.С. Силин, Б.Н. Леонов, В.А. Хрульков и др. - М.: Машиностроение, 1989. (Серия "Новости технологии"). -120 с.
2. Скоростная алмазная обработка деталей из технической керамики / Н.В. Никитин, В.Б. Рабинович, В.Н. Субботин и
др.; Под ред. З.И. Кремня. -Л.: Машиностроение, 1984. (Библ-ка шлифовщика). -131 с.
3. Сычев Ю.И., Берлин Ю.Я. Шлифовально-полировальные и фрезерные работы по камню: Учеб. для ПТУ. -М.: Стройиздат, 1985. -312 с.
4. Guhring K. HSG-Verfahren (HighSpeed-Grinding) - Eine Möglichkeit zur Leistungssteigerung bei der Metallzerspanung. Jahrbuch " Schleifen, Honen, Lappen und Polieren"/ Hrsg. Prof. Salje E. 51 Ausg. -Essen,"Vulkan-Verlag",1984. -s.35 - 43.
Павлов Юрий Александрович - доцент, кандидат технических наук, кафедра «Технология художественной обработки минералов», Московский государственный горный университет.
..................................................................
