Задание

Построить математическую модель процесса торцевого фрезерования и опреде­лить оптимальные режимы резания диаметром 10i мм, стойкостью Т=30, 60, 120 мин., материал – сталь 45, СЧ25, требуемая шероховатость =5-60 мкм, глубина резания =0,5+0,1i мм.

4. Практическая работа №4 Оптимизация процесса шлифования

Абразивная обработка характеризуется большими затратами механической энергии. По удельной работе, используемой в каче­стве основного энергетического критерия процесса шлифования, нельзя определить, какая часть работы шлифования расходуется непосредственно на разрушение обрабатываемого материала, а ка­кая часть превращается в теплоту, уходящую из зоны шлифования через заготовку, инструмент и СОЖ.

На основе термодинамического анализа операции шлифования металлов предложен новый энергетический критерий для оценки эффективности этой операции - КПД:

(51)

где - изменение критической плотности внутренней энергии в срезаемом объеме материала (теоретической работы разрушения), Дж/мм³;

- удельная работа шлифования, Дж/мм³;

- начальный уровень плотности скрытой энергии в срезаемом слое материала, Дж/мм³.

Исследования показали, что значение хорошо коррелирует с энтальпией материала при температуре плавления, которая может быть определена по справочным данным или рассчитана по формуле

(52)

где - средняя удельная теплоемкость обрабатываемого материала при изменении температуры от 0°С до Дж/(г- °С);

- плотность материала, г/мм³;

- скрытая теплота плавления, Дж/мм³.

Значение можно определить по следующей зависимости:

(53)

где - твердость обрабатываемого материала по Виккерсу, МПа;

- эмпирический коэффициент, принимающий значение от 0,067 при расчете деформированных (поверхностных) слоев материала до 0,047 при расчете недеформированных (внутренних) слоев.

Для расчета производительности [мм³/с или мм³/(мм-с)] и мощности (Вт) шлифования получены зависимости:

(54)

(55)

где - объем материала, снимаемого с заготовки мм³;

- основное время операции шлифования детали, с;

- произведение поправочных коэффициентов для КПД, связанных с производительностью и учитывающих изменение технологических условий операции шлифования по сравнению с базовыми условиями;

- базовое значение КПД.

Для возможности использования на практике термодинамиче­ского метода прогнозирования эффективных технологических условий абразивной обработки были установлены зависимости между КПД ( ) и другими параметрами операции шлифования (мощностью , производительностью , шероховатостью обработанной поверхности, температурой в зоне шлифования, стойкостью круга и себестоимостью С обработки) при различных условиях резания. Полученные зависимости позволяют решать следующие задачи, связанные с оптимизацией технологических параметров процесса шлифования.

1. Прогнозировать максимальную производительность операции шлифования. Дня этого в формулу (54) необходимо подставить максимальное значение , КПД и значение мощности , при котором на обработанной поверхности отсутствуют прижоги. Последнее определяют для термически не обработанных деталей по выражению (где и - мощность и КПД электродвигателя станка), а для термически обработанных деталей ( 40) по выражению

(56)

где - глубина лунки, образуемой индентором при определении твердости абразивного круга (см. данные, представленные ниже), мм;

- окружная скорость заготовки, м/мин;

- высота круга, мм.

Твердость круга	М1-МЗ	СМ1-СМ2	С1-С2	СТ1-СТ2	Т1-Т2
к, мм	6,5	4	2,8	2	1,2

2. При заданной производительности вести обработку с минимальными мощностью , составляющей силы резания, температурой Т и себестоимостью С, что будет способствовать снижению энергетических затрат, повышению точности обработанной детали, стойкости круга и качества полученной поверхности.

В этом случае сравниваются начальное и прогнозируемое значения КПД, т. е. значения, которые соответствуют существующим технологическим условиям данной операции абразивной обработки и новым технологическим условиям, которые могут быть реализованы в условиях данного производства.

Значение КПД рассчитывают по формулам:

(57)

(58)

где - базовое значение КПД (при шлифовании на проход заготовок из углеродистой стали ( 1800-2000) кругом ПП 600x63*305 24А40СМ15К с подачей эмульсии и правкой круга алмазным карандашом; окружная скорость круга ,-35 м/с; заготовки =20 м/мин);

и - эмпирические коэффициенты (при круглом шлифовании с продольной подачей =0,014 и =16,78; при круглом шлифовании с поперечной подачей =0,78 и =7,43; при плоском шлифовании = 0,79 и = 9,47);

- удельная производительность (производительность V , от­несенная к длине обрабатываемой поверхности), мм³/(ммс);

К=1 при правке алмазным карандашом и 0,25 при правке шарошкой;

(59)

где - в м/с; - в мм; - в МПа;

- номер зернистости абразива;

- продольная подача правящего инструмента, м/мин;

- поперечная подача правящего инструмента, мм/дв. ход;

- поправочный коэффициент, зависящий от типа применяемой СОЖ.

Тип СОЖ	Без подачи СОЖ	Содовый раствор	Эмульсия	Минеральное масло	Укринол	Соевое масло
	0,9	0,9	1	1,1	1,2	1,3

Максимальное значение КПД, которому соответствует минимум себестоимости С абразивной обработки,

(60)

где = 22 % - максимальный базовый КПД, соответствующий минимальной себестоимости операции шлифования при указанных выше базовых технологических условиях;

- произведение поправочных коэффициентов, учитывающих изменение технологических условий операции шлифования, рас­считываемое по приведенным ниже формулам:

(61)

- диаметр круга, мм.

Значение предела прочности на сжатие с абразивного материа­ла в зависимости от характеристики круга и значения поправочного коэффициента в зависимости от типа применяемой СОЖ приведены ниже.

Характеристика	14А40СМ 15К5	24А40СМ 15К5	37А4ОСМ 15К5	34А40СМ 15К5	38А4ОСМ 15К5	44А40СМ 15К5
, МПа	700	760	800	900	1150	1400
Тип СОЖ	Без подачи СОЖ	Содовый раствор	Эмульсия	Минеральное масло	Укринол	Соевое масло
	0,7	0,8	1	1,05	1,1	1,15

В качестве примера рассмотрим операцию чернового шлифования шейки вала-шестерни из стали 40Х ( =6000 МПа), осущест­вляемую методом врезания абразивным кругом ПП 600*50x305 24А40СМ15К5 на круглошлифовальном станке мод. ЗМ151А (мощность электродвигателя 7 кВт). При шлифовании подается 5 %-ный содовый раствор (расход 22 л/мин). Диаметр шейки до шлифования =25,3 мм, после шлифования =25,03 мм; длина шейки =40 мм; требуемая шероховатость обработанной поверхности = 2 мкм.

Заводской режим шлифования: =35 м/с, =20 м/мин; = 0,004 мм/об. Правка круга осуществляется алмазным карандашом при =0,2 м/мин, = 0,02 мм/дв.ход, числе режущих и выхаживающих ходов соответственно = 10, =2. Производительность операции рассчитываем по формуле

, (62)

где - припуск на сторону, мм; и - в мм;

- в м/мин; - в мм/об.

Удельная производительность . По формуле (2.58) определяем = 8,2 %, а по формуле (2.57) с уче­том результата расчета по выражению (2.59) находим = 2,4%. Полученное значение КПД указывает на низкую эффективность и производительность операции шлифования шейки вала-шестерни при существующих технологических условиях обработки. На осно­ве приведенной методики предлагаем новые технологические ус­ловия, которые могут быть реализованы в условиях данного произ­водства: назначить = 50 м/с и - 25 м/мин; в качестве СОЖ использовать Укринол-12; алмазную правку осуществлять при = 0,4 м/мин, = 0,04 мм/дв. ход, = 8, = 2. С учетом результата расчета при новых (прогнозируемых) технологических условиях, указанных выше, находим = 7,5%. Затем, рассчитав предварительно мощность =4800 Вт при - 40 мм, параметр = 3,5 Дж/мм³ при = 10 Дж/мм³ и =6000 МПа (для стали), определяем максимальную производительность операции шлифования V - 102,8 мм³/с и на основании подученного значения V на­ходим новую подачу = 0,006 мм/об. Предварительно определив по формулам (2.89) значение =0,5 получаем максимальное значение КПД, которое при данном сочетании характеристики аб­разивного круга и обрабатываемого материала, а также типа ис­пользуемой СОЖ обеспечивает минимальную себестоимость опе­рации шлифования: = 11 %. Сравнение полученных значений и показывает, что эффективность обработки детали ниже той, которую можно достичь при прогнозируемых технологических условиях, так как дальнейшее повышение КПД возможно лишь путем интенсификации режима шлифования, что приведет к росту мощно­сти шлифования и снижению качества обрабатываемой поверхности.

Использование разработанной методики прогнозирования эффективных технологических условий операции шлифования позволило благодаря увеличению значения с 2,4 до 7,5 % повысить производительность обработки шейки вала-шестерни с 40,2 до 102,8 мм³/с и в 2,5 раза снизить основное время [10].