СТОЙКОСТЬ КОМПОЗИЦИОННЫХ ШЛИФОВАЛЬНЫХ КРУГОВ

НАДЕЖНОСТЬ МАШИН
УДК 621. 922.025: 621. 923. 1
Н.И. Веткасов СТОЙКОСТЬ КОМПОЗИЦИОННЫХ ШЛИФОВАЛЬНЫХ КРУГОВ
Приведены результаты экспериментальных исследований стойкости композиционных шлифовальных кругов с радиальными пазами и прорезями, заполненными твердым смазочным материалом, при круглом наружном, внутреннем и плоском шлифовании торцом круга.
N.I. Vetkasov RESISTANCE OF COMPOSITE CRINDING WHEELS
This article demonstrates the results of experimental researches of stability of composite wheels with radial slots and cross-hatchings which have been filled in with rigid lubricant are adduced at round outdoor, in-house and planar grinding by a back of a circle.
Перспективным направлением повышения эффективности шлифовальных операций является применение композиционных шлифовальных кругов (КШК), на стойкость которых существенно влияют число и размеры конструктивных элементов (пазов, прорезей или каналов), заполненных твердым смазочным материалом (ТСМ).
Исследования стойкости КШК проводили при круглом наружном шлифовании заготовок из стали ШХ15, HRC 63...65, при внутреннем шлифовании заготовок из сталей 30ХГСА, HRC 32.37 и 40Х, HRC 41.45 и при плоском шлифовании торцом чашечного круга заготовок из сталей ХВГ, HRC 54.56 и Р6М5, HRC 63.65.
Круглое наружное шлифование выполняли КШК с радиальными пазами на керамической и бакелитовой связке, номенклатура которых представлена в табл. 1. За базу для сравнения принимали результаты шлифования стандартным кругом такого же типоразмера и характеристики. Заготовки из стали ШХ15 шлифовали на круглошлифовальном станке с подачей поливом 3%-ной эмульсии Укринол-1М с расходом (5-6) дм /мин на 10 мм высоты круга.
В результате исследований подтверждено, что при круглом наружном шлифовании КШК во всех случаях имели больший период стойкости, чем стандартные круги тех же размеров и характеристик (круги К1 и К2, рис. 1). Повышение стойкости кругов при этом было довольно существенным и достигало (50-100)% (круги К2 и К7, рис. 1). Наибольшее значе-
ние тс при шлифовании имел круг К7 с максимальным числом пазов г«=24. Лишь круг К4 имел тс, равный периоду стойкости круга К1.
Таблица 1
Номенклатура шлифовальных кругов 1-250x25x76, использованных при проведении стойкостных испытаний
Обозначение круга Характеристика круга Количество пазов в КШК Состав ТСМ*
К1 СК - 24А40НСМ17К5 0 -
К2 СК - 24А40НС17К5 0 -
КЗ КШК 24А40НСМ17К5 8 ТСМ1
К4 8 ТСМ2
К5 16 ТСМ1
К6 16 ТСМ2
К7 24 ТСМ1
К8 24 ТСМ2
К9 СК - 24А40НСМ17Б 0 -
К10 СК - 24А40НС17Б 0 -
К11 КШК 24А40НСМ17Б 8 ТСМ1
К12 8 ТСМ2
К13 16 ТСМ1
К14 16 ТСМ2
К15 24 ТСМ1
К16 24 ТСМ2
* - ТСМ1 - графит ГЛ1, пульвербакелит, декстрин (соответственно 70, 29 и 1% по массе);
- ТСМ2 - графит ГЛ1, технический воск, хлорид калия, сера (соответственно 40, 50, 5 и 5% по массе)
Сопоставление периодов стойкости всех испытанных кругов (см. рис. 1) привело к заключению, что по этому критерию преимущества имели КШК с пазами, заполненными ТСМ1 -70% графита ГЛ1, 29% пульвербакелита, 1% декстрина. КШК, пазы которых были заполнены ТСМ2 на основе технического воска, имели также больший, чем у стандартных кругов, период стойкости, однако «прирост» тс этих кругов с увеличением числа пазов Zn был не таким значительным, как при шлифовании КШК, пазы которых были заполнены ТСМ1, и не превышал 25%. Исключение составил круг К6 с zn=16, период стойкости которого на 50% превысил период стойкости СК. Важной закономерностью явилось увеличение периода стойкости КШК с увеличением числа пазов zn как при шлифовании с выхаживанием, так и без него.
При постоянной протяженности радиального паза t'п увеличение числа пазов zn равнозначно увеличению параметра V КШК. Тот факт, что параметр V существенно влияет на его стойкость (особенно при V>0,2), свидетельствует о существенном влиянии теплоты, выделяющейся в зоне шлифования, на процесс снятия стружки и затупления режущих и давящих зерен. В связи с этим, очевидно, что увеличение протяженности пазов КШК является средством повышения производительности при обеспечении нормированного значения периода их стойкости. Однако чрезмерное увеличение протяженности радиальных пазов нецелесообразно, так как под действием динамических ударов из-за наличия высокочастотных колебаний большой амплитуды интенсифицируется износ кругов и снижается период их стойкости. Оптимальное значение параметра V, при котором достигается максимальное снижение средней контактной температуры Тк и высокая стойкость КШК, находится в диапазоне 0,2-0,4.
10
мин
8
К1 К2 КЗ К4 К5 К6 К7 К8
Рис. 1. Периоды стойкости тс испытанных кругов по критерию появления прижогов или огранки на шлифованных поверхностях заготовок: К1-К8 - обозначение круга по табл. 1; \/к=35 м/с; 1/з=35 м/мин; 5вр=0,35 мм/мин; выхаживание продолжительностью 5 с; материал заготовки - сталь ШХ15, НЯС 61.65; СОЖ - 3%-ная эмульсия Укринол-1 М; снимаемый припуск г=0,5 мм
Как и при шлифовании КШК на керамической связке, периоды стойкости КШК на бакелитовой связке (см. рис. 2) превысили периоды стойкости соответствующих стандартных кругов К9 и К10. Подтвердилось также преимущество КШК с пазами, заполненными графитом, пульвербакелитом и декстрином: круги К13 и К15 по значениям тс превосходили круги К14 и К16 (см. рис. 2). Период стойкости возрастал также и при увеличении zn: рост тс составил от 17 до 50% при увеличении zn с 8 до 24 соответственно.
10
мин
8
К9 К10 К11 К12 К13 К14 К15 К16
Рис. 2. Периоды стойкости тс испытанных кругов:
К9-К16 - обозначение круга по табл. 1; УК=35 м/с; 1/з=35 м/мин; 5вр=0,35 мм/мин; выхаживание продолжительностью 5 с; материал заготовки - сталь ШХ15, ИЯС 61.65; СОЖ - 3%-ная эмульсия Укринол-1 М; снимаемый припуск г=0,5 мм
6
4
т
С
2
0
6
4
С
2
0
С целью более всестороннего исследования влияния условий шлифования на стойкость КШК 1-250x25x76 с радиальными пазами на керамической связке проведен многофакторный эксперимент 24, в ходе которого варьировали числом пазов zn, твердостью Твк и зернистостью Зк КШК и скоростью врезной подачей Sвр.
По материалам экспериментальных исследований построена регрессионная зависимость для расчета периода стойкости КШК при круглом наружном шлифовании с врезной подачей:
тс = 462,9 -15,12 • Sк - 9,78 • Твк - 6,89 • zп -1284,4 • + 0,44 • Sк • Твк +
+ 0,36 • Зк • zп + 42,18 • Зк • SвP + 0,32 • Твк • zп + 30,08 • Твк • Sвр + 34,73 • zп • Sвр -
- 0,02 • Sк • Твк • ^ -1,29 • Зк • Твк • Sвр -1,4 • Зк • Zn • Sвр -1,41 • Твк • Zn • Sвр.
Полученная модель прошла проверку на однородность дисперсий, значимость коэффициентов регрессии и адекватность с помощью критериев Кохрена Gкр, Стъюдента гкр и Фишера Fкр, значения которых определили по справочной литературе для рассчитанных чисел степеней свободы и параллельных опытов ^кр=0,2419; гкр=2,0003; Fкр=2,17). Проверка показала, что расчетные значения критериев Gр, гр, Fр не превышали их критических значений (Gр<Gкр; гр<гкр; Fр<Fкр).
По представленной модели построили графики изменения стойкости КШК в зависимости от числа пазов zn, твердости Твк, зернистости Sк КШК и скорости врезной подачи Sвр (рис. 3).
Рис. 3. Зависимость периода стойкости тс КШК 1-250x25x76 от скорости врезной подачи 8вр, зернистости Зк, твердости Твки числа пазов гп КШК: Ц(=35 м/с; 14=35 м/мин; абразивный материал - электрокорунд белый 24А; материал заготовок - сталь ШХ15, НЯС 61.65; СОЖ - 3%-ная эмульсия Укринол-1М;
ТСМ - 70% графита серебристого; 29% пульвербакелита; 1% декстрина; снимаемый припуск г=0,5 мм; - твердость круга СМ1;---------твердость круга С1
Как следует из рис. 3, больший период стойкости по сравнению с композиционными кругами зернистости 40 имели КШК зернистости 16. С увеличением скорости врезной подачи Sвр с 0,1 до 0,35 мм/мин разница тс кругов зернистости 16 и 40 сохраняется неизменной на уровне (35-65)% , хотя абсолютные значения тс всех кругов уменьшились на (70-74)%. При этом период стойкости кругов твердостью СМ1 с увеличением зернистости снижается более
резко, чем тс кругов твердости С1. Это снижение составило (60-70)% у кругов твердостью СМ1 против (25-35)% у кругов твердостью С1 (рис. 3). Отмечено также, что с увеличением числа пазов zn и уменьшением твердости круга стойкость тс КШК зернистости 16 растет, а тс КШК зернистости 40 уменьшается. На наш взгляд, это связано с особенностями условий работы зерен разных размеров при усилении, с одной стороны, смазочного действия ТСМ и уменьшении, с другой стороны, количества режущих зерен на рабочей поверхности КШК. Известно, что в процессе работы мелкие зерна выкрашиваются из связки, а крупные - скалываются, образуя большое количество новых режущих кромок. С уменьшением твердости круга и увеличением числа пазов гп возрастает интенсивность выкрашивания режущих зерен из связки и уменьшается количество сколов режущих зерен с образованием новых режущих кромок, что, в конечном итоге, обусловливает различный характер изменения тс КШК зернистости 16 и 40. Наибольший период стойкости во всем диапазоне значений врезной подачи Sep имел круг 24А16НСМ17К5 с двадцатью четырьмя радиальными пазами.
Сравнение периода стойкости КШК 5-60x40x20 24А25НСМ17Б с периодами стойкости СК и ПШК такого же типоразмера и характеристики проводили по результатам внутреннего шлифования заготовок из сталей 30ХГСА и 40Х на универсальном круглошлифовальном станке мод. 3А110В, оснащенном внутришлифовальной головкой. КШК и ПШК имели шесть радиальных прорезей, параметр V при этом был равен 0,24. Прорези КШК были заполнены ТСМ - графит ГЛ1 (75%) и технический воск (25%). Шлифовали заготовки с подачей поливом 0,5%-ного водного раствора кальцинированной соды с расходом 3,5 дм /мин. Варьировали продольной подачей шлифовального круга Sn в диапазоне (0,5-2,0) м/мин.
Как и при круглом наружном шлифовании заготовок из стали ШХ15, период стойкости испытанного КШК на бакелитовой связке превысил периоды стойкости соответствующих стандартного и прерывистого кругов (рис. 4) как при шлифовании заготовок из стали 30ХГСА, так и при шлифовании заготовок из стали 40Х. Прирост тс КШК по сравнению со стойкостью СК при внутреннем шлифовании заготовок из стали 30ХГСА составил 93%, заготовок из стали 40Х - 170%. По сравнению с ПШК период стойкости КШК увеличился в среднем на (8-10)%. Наибольший прирост тс КШК по сравнению с тс СК достигал при шлифовании с Sn=0,5 м/мин. Очевидно, что повышение стойкости КШК по сравнению с тс СК при шлифовании с Sn=0,5 м/мин связано как с усилением смазочного действия ТСМ, так и с периодическим прерыванием процесса шлифования. Причем, за счет прерывистости рабочей поверхности круга стойкость КШК увеличилась на 57%, а за счет смазочного действия ТСМ - на 38% при шлифовании заготовок из стали 30ХГСА и соответственно на 110 и 60% при шлифовании заготовок из стали 40Х.
Рис. 4. Периоды стойкости тс испытанных шлифовальных кругов 5-60x40x20 24А25НСМ17Б на операции внутреннего шлифования: гп=6; ТСМ - графит (75%) и технический воск (25%) по массе; СОЖ - 0,5%-ный водный раствор кальцинированной соды;
1/К=35 м/с, 1/з=35 м/мин, Бв=0,005 мм/дв.х,
- Sn=0,5 м/мин, "I- Sn=2,0 м/мин
V
Сталь 30ХГСА
v
Сталь 40Х
Периоды стойкости чашечных конических КШК и СК 11-125x45x32 92А25ПСМ16К6 сопоставили при плоском шлифовании торцом круга, моделирующем заточку инструмента из сталей ХВГ, HRC 54.56, и Р6М5, HRC 63.65, на плоскошлифовальном станке мод. 3Д710В-1. Радиальные прорези КШК заполняли ТСМ, состоящим из графита ГЛ1, пульвербакелита и декстрина (соответственно 70, 25 и 5% по массе). Шлифование выполняли всухую - без применения СОЖ. В ходе исследований варьировали врезной подачей шлифовального круга Sep в диапазоне от 0,01 до 0,05 мм, числом радиальных прорезей zn от 3 до 8, продольной подачей S„ от 2 до 10 м/мин, длиной радиальных прорезей L™n от 7 до 18 мм. По результатам полного факторного эксперимента 24 получены регрессионные зависимости для расчета стойкости КШК и СК, представленные в табл. 2. Расчеты по этим зависимостям позволили оценить влияние условий шлифования на стойкость КШК. В качестве примера на рис. 5 приведены графические зависимости стойкости от врезной подачи. Отмечено, что во всем диапазоне изменения врезной подачи Sep при шлифовании заготовок из сталей ХВГ и Р6М5 композиционный круг имел больший период стойкости, чем стандартный круг. Повышение стойкости КШК при шлифовании заготовок из стали ХВГ было довольно существенным и достигало (160-350)%.
Таблица 2
Регрессионные зависимости для расчета периода стойкости тс чашечных конических шлифовальных кругов 11-125x45x32 92А25ПСМ16К6 при заточке режущего инструмента из сталей ХВГ и Р6М5
Материал заготовки Круг Уравнение регрессии
Сталь ХВГ СК Тс = 12,88 - 0,31 • Sn - 237,5 • Sep + 6,25 • Sn • Sep
КШК Тс = 5,54 - 0,61- Sn -182,5 • Sp + 0,09 • Lfn + 2,15 • zn + +13,75 • Sn • Sep + 0,10 • Sn • Zn -10 • Sep • zn - 2,5 • Sn • Sep • Zn
Сталь Р6М5 СК Тс = 7,56 - 0,16 • Sn -131,25 • Sep + 3,13 • Sn • Sep
КШК Тс = 4,65 - 0,16 • Sn -105,8 • Sep + 0,07 • Lfn + 0,7 • zn + + 3,13 • Sn • Sep - 3,64 • Sep • LT - 3,18 • Sep • zn + + 0,01 Lmin • zn + 0,46 • Sep • • zn
При шлифовании заготовок из стали Р6М5 прирост тс КШК по сравнению с СК составил (80-400)%. С увеличением врезной подачи 8вр прирост стойкости КШК по сравнению с тс СК увеличивался, что подтверждает наше предположение о том, что наиболее целесообразно КШК применять при напряженных режимах обработки заготовок, прежде всего из труднообрабатываемых материалов.
В табл. 3 приведены данные по наработке (периоде стойкости) КШК при шлифовании заготовок из сталей ХВГ и Р6М5 на различных врезных подачах. Видно, что наработка КШК наиболее интенсивно растет при увеличении параметра V с 0,1 до 0,3. При дальнейшем увеличении V наработка КШК практически не увеличивается. Следует также отметить, что при одном и том же значении параметра V стойкость КШК зависит от отношения длины прорези к числу прорезей гп- При уменьшении длины и увеличении числа гп прорезей наработка КШК растет. Эта закономерность имеет место при любом значении параметра V. Очевидно, при проектировании КШК с радиальными прорезями, необходимо выбирать параметр V из диапазона 0,2-0,4, обеспечивая, по возможности, минимальную величину отношения длины Ь™п и числа прорезей.
вр —
Рис. 5. Зависимость периода стойкости тс испытанных шлифовальных кругов 11-125x45x32 92А25ПСМ16К6 от врезной подачи 5вр и материала шлифуемой заготовки на операции плоского шлифования торцом круга: 1, 2 - СК; 3, 4 - КШК (гп=8, Ь^іп =10 мм);
1, 3 и 2, 4 - материал заготовки соответственно сталь ХВГ и сталь Р6М5; ТСМ - графит, пульвербакелит и декстрин (соответственно 70, 25 и 5% по массе); УК=35 м/с; Бп=6 м/мин
Таблица 3
Зависимость наработки тн чашечных КШК 11-125x45x32 92А25ПСМ16К6 от числа и длины радиальных прорезей при шлифовании заготовок из сталей ХВГ и Р6М5: Бп=7 м/мин
Параметр V Число прорезей ^п Длина прорези 7, мм Материал заготовки
Сталь ХВГ Сталь Р6М5
Врезная подача Бвр, мм/дв.х
0,01 0,03 0,01 0,03
Наработка круга тн, шт
0,10 3 10,4 9 5 5 3
4 7,7 11 7 6 4
0,20 4 14,5 12 8 7 4
5 11,5 14 10 7 5
6 9,4 16 11 8 6
7 8,0 19 13 8 6
8 7,0 21 14 9 7
0,30 5 16,3 14 10 8 6
6 13,4 17 12 8 6
7 11,4 19 14 9 7
8 10,0 22 15 10 8
0,40 6 16,8 17 12 9 7
7 14,2 20 14 10 8
8 12,3 22 16 10 8
0,50 7 16,8 20 14 10 8
8 14,5 22 16 10 9
0,55 7 17,8 20 14 10 8
8 15,4 22 16 11 9
0,60 8 16,4 22 16 11 9
0,65 8 17,2 22 16 11 9
Анализ полученных экспериментальных данных позволяет сделать вывод, что композиционные круги во всех случаях имеют больший период стойкости тс, чем стандартные круги, что свидетельствует о менее интенсивном затуплении КШК и более длительном сохранении ими режущей способности, что можно объяснить проявлением эффекта периодического прерывания процесса шлифования и эффективным режущим, смазочным и диспергирующим действиями ТСМ. Период стойкости КШК растет с увеличением параметра V до 0,3-0,4.
Веткасов Николай Иванович -
кандидат технических наук, доцент кафедры «Технология машиностроения»
Ульяновского государственного технического университета