Киселёв Е.С. Теплофизика правки шлифовальных кругов с применением СОЖ

Подождите немного. Документ загружается.

где

w′

−

относительная скорость движения жидкости на выходе из радиального отвер-

стия при повышении давления до

max

, м/с;

−

координаты сечений, где избыточ-

ное давление изменяется от 0 до

max

, м [77].

Окружную скорость ролика, при превышении которой в потоке СОЖ возникает кавитация, опреде-

лим по формуле [27]:

()

FFdfPP













−

⋅−⋅−

⋅−+⋅⋅−−

−

пгнпa

жкав

εε

(49)

где

−

атмосферное давление, Па;

−

безразмерный коэффициент сопротивления

круглого отверстия;

−

коэффициент сжатия струи;

−

площадь радиального от-

верстия, м

;

−

приведенная к одному отверстию площадь поперечного сечения по-

тока СОЖ перед входом в отверстие, м

;

−

безразмерный коэффициент гидравличе-

ского трения;

ξξ

−

коэффициент местного

сопротивления;

−

коэффициент:

, где

−

диаметры ролика, м (см. рис. 20).

При турбулентном течении жидкости для определения коэффициента

можно

использовать формулу Блазиуса [21]:

Rе

3160

(50)

где

Rе

−

число Рейнольдса:

Rе

⋅

(51)

Наиболее эффективно процесс гидроочистки рабочей поверхности круга будет

происходить при окружной скорости ролика

кав

, определяемой из зависимости

(49). При меньшей скорости давление в “сжатом сечении” выше давления насыщен-

ных паров и растворенные газы из жидкости в этом сечении выделяться не будут. При

большей скорости резко снижается расход СОЖ через радиальные отверстия [27].

Другим параметром, оказывающим влияние на процесс гидроочистки, является

величина зазора

между роликом и рабочей поверхностью круга. При отношении

зазора

к диаметру

радиального отверстия в ролике

>1/4 в зазоре между ро-

ликом и рабочей поверхностью круга реализуется отрывный режим течения жидкости.

Давление

жидкости на рабочую поверхность шлифовального круга в этом случае

можно определить как

.wP

⋅=

(52)

Уменьшение зазора

приводит к образованию между роликом и кругом гидро-

динамического клина. Учитывая аналогию явлений, происходящих при подаче СОЖ в

зазор между кругом и роликом и при подаче СОЖ в зону контакта круг

−

заготовка,

применим к описанию гидродинамических процессов, развивающихся в зазоре круг -

ролик, гидродинамическую теорию смазки. Давление в сечении, находящемся на рас-

стоянии

от сечения, где

, определим из выражения [168]:

()

,Zd

DVZP

∫

−

⋅⋅=

(53)

где

- координаты сечений, м (рис. 21);

;Da

01к

⋅=

(54)

При наличии между

кругом и роликом гидрав-

лического клина с избыточ-

ным давлением в опреде-

ленный момент времени

давление в сечении Б-Б рез-

ко увеличивается и достига-

ет значения

max

(см. рис.

21). Вследствие этого

относительная скорость

жидкости в отверстии роли-

ка изменяется и возникает

гидравлический удар, ха-

рактеризующийся чередо-

ванием резкого повышения

и понижения давления.

Предварительные экспериментальные исследования эффективности предла-

гаемого способа правки показали [68], что при

= 1000 кг/м

05 10

⋅

⋅⋅

⋅

Па и

= 60 мм (см. рис. 20) оптимальными значениями следует считать

=12,5 м/с,

0,3 мм,

= 2,5 мм (при этом

−

= 4 мм). Расчеты, выполненные для этих условий

по зависимости, приведенной в работе В.В. Демидова [27], показали, что для возник-

новения кавитации в чистой воде минимальная длина радиальных отверстий должна

составлять 12 мм.

Экспериментальным путем была определена длина “зоны кавитации” в радиаль-

ном канале ролика для подачи СОЖ. При этом жидкость подавали через прозрачный

насадок с отверстием

= 2,5 мм со скоростью 10 м/с ( именно с такой скоростью дви-

жется СОЖ в радиальных отверстиях ролика, вращающегося с окружной скоростью

= 12,5 м/с). Длина “зоны кавитации” по визуальным наблюдениям составляла 2 мм

[68].

С другой стороны, расчет, выполненный по зависимостям (46) и (47), показал,

что для того, чтобы паровоздушные пузырьки, образовавшиеся в “сжатом сечении”

потока, находящемся на расстоянии

/2 от входа в радиальное отверстие, захлопыва-

лись на рабочей поверхности круга, длина радиальных отверстий в ролике

должна

быть не более 6,5

−

7,0 мм.

Экспериментальные исследования, предпринятые с целью нахождения опти-

мального значения

были проведены при шлифовании заготовок из стали 07Х16Н6

кругом 24А16НС17К26 1–600

305 при

= 50 м/с. Скорость врезной подачи со-

Рис. 21. Схема для расчета гидродинамического давления

в зазоре между кругом и роликом (а) и эпюра распределе-

ния давления в этом зазоре (б): 1

−

ролик; 2

−

шлифоваль-

ный круг

ставляла

= 0,6 мм/мин, окружная скорость заготовки

−

50 м/мин. При выборе режимов

шлифования и правки руководствовались рекомендациями [48]. Гидроочистку осуще-

ствляли с помощью ролика, в котором выполнены 20 радиальных отверстий диамет-

ром

= 2,5 мм, вращающегося с окружной скоростью

= 12,5 м/с. Наружный диа-

метр ролика

составлял 60 мм, зазор

= 0,3 мм. В качестве СОЖ использовали 3

%-ный водный раствор продукта Аквапол-1. Наибольшая эффективность шлифования

обеспечивалась при

= 10 мм (

= 4) (табл. 7).

7. Эффективность гидроочистки при шлифовании заготовок из

стали 07Х16Н6 (условия экспериментов см. на с. 65)

Способ подачи СОЖ

Период

стойкости

круга

, мин

Параметр

шерохова-

тости

, мкм

Коэффициент

режущей спо-

собности круга

, мм

/(с

⋅

Н)

Коэффици-

ент шлифо-

вания по

объему

Полив 0,71 1,59 0,49 4,23

Длина ра-

диального

отверстия

, мм

4 1,1 1,29 0,67 29,5

6 1,2 1,30 0,63 29,9

8 1,8 1,21 0,63 30,0

10 2,1 1,20 0,68 33,7

Полив и гид-

роочистка с

помощью

вращающе-

гося ролика

12 1,9 1,27 0,62 34,6

15 1,6 1,27 0,67 30,4

Максимальные значения периода стойкости шлифовального круга (

= 2,4 мин)

и коэффициента режущей способности круга (

= 0,68 мм

/(с

⋅

Н)) и наименьшее значе-

ние

зафиксированы при

= 10 мм (см. табл. 7). Уменьшение длины отверстия до 4

мм и увеличение до 15 мм приводят к существенному снижению эффективности гид-

роочистки и ухудшению показателей процесса шлифования. Выполненные исследова-

ния позволяют сделать вывод, что на процесс гидроочистки рабочей поверхности

шлифовального круга доминирующее влияние оказывает кавитация, возникающая в

радиальных отверстиях ролика вследствие гидравлического удара. При этом длина ра-

диальных отверстий превышает длину “зоны кавитации”. Расхождения эксперимен-

тальных значений (

= 10 мм) с расчетными (

= 12 мм), по-видимому, объясняется

тем, что 3 %-ная СОЖ Аквапол-1 представляет собой коллоидную эмульсию с нали-

чием в ее составе мелкодисперсных частиц абразива и стружки. Все это вносит опре-

деленные изменения в процесс возникновения кавитации [168].

Наибольшая эффективность шлифования заготовок из стали 07Х16Н6 достига-

ется при

= 0,3 мм (т.е. когда

= 0,12 < 1/4)

[

]

. Период стойкости шлифоваль-

ного круга при этом имеет максимальное значение

= 2,1 мин, а скорость износа кру-

га

−

наименьшее (о чем свидетельствует наибольшее значение

), энергетические за-

траты на процесс шлифования меньше, чем при других значениях

(на что указывает

минимальное значение

). Уменьшение зазора

до 0,15 мм приводит к снижению

эффективности шлифования, что, вероятно объясняется уменьшением площади сече-

ния потока СОЖ на выходе из радиального отверстия. Увеличение

свыше 0,3 мм

также привело к ухудшению всех показателей процесса шлифования. Меньшая эффек-

тивность зафиксирована при

= 0,75 и 1,0 мм, т.е. при отрывным режиме течения

жидкости.

Варьирование окружной скоростью ролика [69]

подтвердило предположение, что наибольшая

эффективность гидроочистки достигается при скорости,

обеспечивающей возникновение кавитации в радиальных

отверстиях ролика: расчет по зависимости (49) показал, что

для условий, в которых проведен эксперимент,

кав

= 12,5 м/с.

Возникновение кавитации в данном случае

объясняется следующими причинами. При попадании

жидкости из центрального осевого канала ролика в

радиальные каналы (см. рис. 20), ее скорость резко

возрастает, а давление уменьшается. Кроме того, по

результатам исследований [27] известно, что при входе в

радиальные каналы (рис. 22) в сечении С-С на

расстоянии (0,5 ... 1)

от поверхности центрального канала

происходит дополнительное поджатие потока. Вследствие этого в сечении С-С давле-

ние жидкости может уменьшиться до

нп

, что приведет к образованию кавитационного

потока в канале.

Для гидроочистки рабочей поверхности круга необходимо, чтобы на ней проис-

ходила пузырьковая или зональная кавитация, а в зазоре между роликом и кругом су-

ществовал отрывный режим течения СОЖ (см. рис. 20). Нетрудно показать на кон-

кретных примерах, что это возможно при величине зазора

⁄

/4. В соответствии с за-

висимостью (45) сила гидродинамического воздействия на поверхность круга примет

для нашего случая максимальное значение. При меньших

значениях

кавитационный поток будет

образовываться в радиальном канале, что может привести

к его закрытию или к износу стенок. Эффективность

гидроочистки рабочей поверхности круга возрастет, если

шлифовальный круг и правящий ролик будут

вращаться в одном направлении (см. рис. 23). Взазоре

между роликом и кругом образуется вихревая об- ласть,

вращающаяся с угловой скоростью

Рис. 22. Схема исте-

чения СОЖ из вра-

щающегося алмазного

ролика [68, 69]

Рис. 23. Эпюра скоростей

в зазоре между алмазным

роликом и

кругом

pк

VV +

(55)

При встречном вращении круга и

ролика уменьшение угловой скорости

со-

ставит

−

⋅=

δω∆

. Например, при

= 10 м/с;

0,001 м,

∆

= 20000 с

-1

Таким образом определены условия,

при которых образовавшиеся пузырьки па- ра,

попадая в зазор между вращающимися

рабочими поверхностями круга и подведен- ного к

нему алмазного ролика, захлопываются и,

вследствие кавитационной эрозии,

осуществляют их гидроочистку. После

гидроочистки рабочей поверхности шлифо-

вального круга выполняют его правку. Затем

алмазный ролик отводят от круга на ве-

личину зазора

δδ

и до очередного момента

правки

он осуществляет интенсивную гидроочистку

рабочей поверхности круга. Как показали эксперименты, в этом случае с рабочей по-

верхности круга при правке достаточно снять слой абразива толщиной не более 0,05

мм, в то время как при обычной правке

−

0,15

−

0,5 мм.

Конструктивно иначе создают гидродинамическую кавитацию при правке круга

алмазом в оправе или алмазным карандашом (рис. 24 [108]). В процессе правки СОЖ

подают через трубопровод 1 в замкнутую полость, образованную поверхностями ста-

кана 2 и периферией круга 5. Воздушные потоки, генерируемые вращающимся кругом,

отсекаются стенками стакана, благодаря чему вблизи рабочей поверхности круга

СОЖ движется в виде пограничных слоев,

причем максимальная скорость слоев СОЖ, непосредственно примыкающих к поверх-

ности шлифовального круга, совпадает с его рабочей скоростью. Толщину погранич-

ного слоя

можно определить по зависимости [164]

⋅

(56)

где

−

координата рассматриваемого сечения, м (рис. 24).

При обтекании потоком СОЖ цилиндрического стержня 3 (см. рис. 24) за счет

местного сужения скорость потока жидкости увеличивается, а давление уменьшается

до уровня, при котором может возникнуть гидродинамическая кавитация. Путем пре-

образования уравнения Бернулли получена зависимость для расчета давления СОЖ Р

вблизи обтекаемого цилиндрического стержня

Рис. 24. Устройство для правки шли-

фовального круга с возбуждением гид-

родинамической кавитации: 1

−

трубо-

провод; 2

−

стакан; 3

−

цилиндрический

стержень; 4

−

правящий инструмент; 5

−

шлифовальный круг

()

,VPP

−⋅−=

αρ

(57)

где

−

скорость движения СОЖ в пограничном слое, м/с;

−

коэффициент (при

обтекании цилиндрического стержня

= 2 [77]).

Из уравнения (57) можно определить скорость

, при которой обеспечивается

отрицательное давление

, а следовательно, создаются условия возникновения кавита-

ции.

Расчетами установлено, что для СОЖ на водной основе гидродинамическая ка-

витация при обтекании цилиндрического стержня может возникать при рабочих ско-

ростях круга

≥

≥≥

≥

15 м/с. В соответствии с исследованиями С.П.Ко-зырева [77] область

максимальной кавитации наблюдается на расстоянии от цилиндрического стержня 3

= (2,0

−

3,0)

, где

−

диаметр стержня, мм. Очевидно, именно в этой области следу-

ет располагать ось алмазного карандаша 4 (см. рис. 24). При этом, если

= (0,6

−

1,0)

, где

−

диаметр алмазного карандаша 4 в мм, зона контакта круга с алмазным ка-

рандашом будет перекрыта площадью зон кавитации [77]. Выбор граничных значений

параметра

обусловлен следующими соотношениями: если

> 3,0

, то кавитаци-

онные пузырьки захлопнутся перед зоной правки; если

< 2,0

, то пузырьки за-

хлопнутся за зоной правки. В обоих случаях зона правки будет за пределами зоны ка-

витации и эрозионного разрушения засаленного слоя рабочей поверхности шлифо-

вального круга в зоне контакта алмазного карандаша с кругом не произойдет.

Правильность приведенных рассуждений проверяли при шлифовании. Исследо-

вания проводили в два этапа. На первом этапе выявили оптимальное значение величи-

ны

и степень соответствия его расчетным значениям (см. рис. 24), на втором

−

про-

вели сравнительные испытания нового и других устройств для правки круга, в том

числе с наложением УЗК [63, 64]. Шлифовали заготовки из коррозионностойкой стали

14Х17Н2 и жаропрочного сплава ВЖЛ-12 кругом 14А25ПС17К15 при скорости врез-

ной подачи соответственно 1,2 и 0,5 мм/мин. Рабочая скорость круга составляла 35

м/с, окружная скорость заготовки

−

35 м/мин. Правку круга осуществляли после обра-

ботки 4

−

6 заготовок алмазным правящим карандашом СФ в три прохода с попереч-

ной подачей 0,03 мм/дв.ход и продольной подачей 0,25 м/мин, подавая СОЖ различ-

ными способами (табл. 8). Режимы правки круга и шлифования заготовок выбирали

в соответствии с рекомендациями [47]. Для наложения УЗ-колебаний использовали

УЗ-генератор УЗУ-0,25. После правки круга заготовки шлифовали с подачей 5 %-ного

водного раствора продукта Аквол-15 с расходом

= 40 дм

/мин.

Установлено (см. табл. 8), что наибольшая эффективность шлифования загото-

вок при правке круга с возбуждением гидродинамической кавитации обеспечивается,

когда ось цилиндрического стержня 3 (см. рис. 24) расположена на расстоянии

(2,1

−

4,3)

мм от оси алмазного карандаша. В этом случае на рабочей поверхности

круга формируется режущий профиль, позволяющий осуществить шлифование с ми-

нимальными силами и удельной мощностью (в среднем на (20

−

40) % меньшими, чем

с подачей СОЖ поливом), обеспечить минимальный износ круга и минимальные зна-

чения

. Полученные результаты можно объяснить тем, что при

< 2,1

мм и

4,3

мм зона кавитации не охватывает зону правки; вследствие этого интенсивного

эрозионного разрушения, осуществляемого совместно с механическим воздействием

на засаленный слой круга, и интенсивной эвакуации отходов шлифования не происхо-

дит. В случае, когда

< 0,6

, эффективность применения устройства уменьшается.

Это связано с тем, что площадь зоны контакта круга с алмазным карандашом не пол-

ностью перекрывается площадью зоны кавитации, и эрозионное разрушение происхо-

дит не по всей зоне правки. Аналогичные результаты зафиксированы при рабочих ско-

ростях круга 30 и 50 м/с. Скорость подачи СОЖ по трубопроводу от электронасоса

(помпы) большого значения не имеет, поскольку скорость движения СОЖ в полости

стакана определяется, в основном, окружной скоростью шлифовального круга. Одна-

ко, испытания нового устройства показывают, что наибольшую эффективность шли-

фования за-

8. Результаты экспериментальных исследований процесса шлифования с подачей СОЖ

различными способами при правке (условия экспериментов см. на с. 68, 69)

Составляющие силы

шлифования, Н

Способ подачи СОЖ при правке

Коэффици-

ент

шлифования

по объему

Удельная мо-

щность шли-

фования

Вт

⋅

мин/мм

Среднее арифмети-

ческое отклонение

профиля шлифован-

ной поверхности

a ,

мкм

, мм

10,5 (1,05

) 10 (1,0

) 28,0 34,5 3,0 10,0 0,61

21,0 (2,1

) _”_ 25,0 33,3 4,5 9,0 0,72

35,0 (3,5

) _”_ 23,5/38,0

30,3/42,1 3,5/1,75 8,5/24,0 0,58/0,48

49,0 (4,9

) _”_ 26,5 34,5 3,8 9,2 0,60

70,0 (7,0

) _”_ 29,0 35,5 2,0 9,5 0,82

12,0 (3

) 4,0 (0,4

) 27,0 35,0 - - 0,81

18,0(3

) 6,0 (0,6

) 24,0 31,0 - - 0,65

24 (3

) 8,0 (0,8

) 23,5 30,5 - - 0,62

30 (3

) 10 (1,0

) 23,5 30,5 - - 0,65

С возбужде-

нием гидроди-

намической

кавитации в

зоне правки

алмазным ка-

рандашом

36 (3

) 12 (1,2

) 24,0 31,0 - - 0,65

37,5/44,0 38,0/46,0 3,5/1,45 11,5/33,0 0,82/0,93Свободно-падающей струей (поливом) к

зоне правки

24,0/32,0 27,0/28,0 4,3/2,0 6,7/21,0 0,71/0,43Одновременно поливом и гидроаэродинами-

ческим способом с наложением УЗК [63]

22,4/25,0 26,0/26,5 4,5/2,12 7,2/18,1 0,75/0,55

Одновременно поливом и к торцам шлифо-

вального круга через клиновые полуоткрытые

насадки с наложением УЗК [64]

В числителе приведены результаты шлифования заготовок из стали 14Х17Н2 , в знаменателе

−

из жаропрочного сплава ВЖЛ-12.

**)

При шлифовании СОЖ подавали свободно-падающей струей (поливом) с расходом

= 40 дм

/мин

готовок из труднообрабатываемых материалов обеспечивает правка круга с

использованием УЗ-техники подачи СОЖ [63]. Эффективность шлифования с подачей

СОЖ при правке одновременно поливом и гидродинамическим способом с наложени-

ем УЗК (см. рис. 13) занимает промежуточное положение между правкой с возбужде-

нием гидродинамической кавитации и с подачей СОЖ к торцу круга с наложением

УЗК.

Таким образом, во-первых, выявлен оптимальный диапазон расстояний

между

осями цилиндрического стержня и правящего карандаша в устройстве по рис. 24; во-

вторых, установлено, что эффективность правки кругов с возбуждением гидродинами-

ческой кавитации в СОЖ выше, чем при подаче СОЖ поливом, однако ниже, чем при

использовании УЗ-техники подачи СОЖ.

1.6. Выводы

Анализ отечественной и зарубежной литературы, изучение технологий шлифо-

вания на предприятиях авиационной, энергомашиностроительной, автотракторной,

станкостроительной промышленности, а также результаты собственных исследований

позволяют сделать следующие выводы:

1) накоплен обширный теоретико-экспериментальный материал по разным аспек-

там технологии и техники шлифования и правки: теоретически и экспериментально

исследовано поведение СОЖ в зоне контакта круга с шлифуемой заготовкой, разрабо-

тан комплекс математических моделей шлифования с применением СОЖ, включаю-

щий в себя модели сил резания и производительности обработки; известны математи-

ческие модели контактного "сухого" взаимодействия шлифовального круга с правя-

щим инструментом (А.К.Байка-лов, А.В.Королев, А.Н.Резников, И.Л.Сукенник,

Х.Г.Тхагапсоев и др.); рассмотрены различные аспекты механизма износа правящих

инструментов; теоретически исследованы без учета действия СОЖ тепловые процес-

сы, развивающиеся при правке без применения СОЖ (Н.П.Дубовик, В.И.Малышев);

предложены модели тепловых процессов при шлифовании всухую и с учетом действия

СОЖ (Д.Г.Евсеев, В.В.Ефимов, А.Н.Сальников, В.А.Сипайлов, С.Г.Редько,

А.В.Якимов и др.); экспериментально установлено, что сила правки в существенной

степени зависит от смачивающей способности СОЖ (Л.В.Худобин и С.В.Семенов), а

также от условий эвакуации шлама из зоны правки.

2) Процессы правки и шлифования с применением СОЖ рассматривали до сих

пор, как правило, раздельно, без учета влияния жидкости, подаваемой в зону правки,

на формирование рабочей поверхности шлифовального круга. Однако, как показали

наши исследования, а также исследования сотрудников СарГТУ

[

79, 80

]

, такая взаимо-

связь существует.

3) Не изучено тепловое взаимодействие объектов, контактирующих при правке

круга и шлифовании заготовок с непрерывной правкой и с применением СОЖ. Из-

вестные физические и математические модели контактного взаимодействия

шлифовального круга с правящим инструментом и с заготовкой при непрерывной

правке круга не учитывают или недостаточно полно оценивают влияние СОЖ на теп-

ловое состояние и износостойкость контактирующих объектов.

4) Недостаточно исследованы технологические возможности использования УЗК

в технологии применения СОЖ на операциях шлифования и правки, особенно при по-

даче ее по внутренним трактам.

5) Отсутствуют приемлемые для практики зависимости между технологическими

показателями шлифовальных операций, параметрами качества деталей и элементами

режима шлифования и правки с применением СОЖ (в том числе с непрерывной прав-

кой).

6) Вопросам экономного расходования шлифовальных и правящих инструментов

и СОЖ на промышленных предприятиях не уделяется должного внимания: превали-

руют открытые способы подачи СОЖ по внешним трактам с большими расходами и

под высоким давлением, реализуемые с помощью дорогостоящих крупногабаритных

систем нагнетания и очистки жидкости. Шлифование заготовок из труднообрабаты-

ваемых материалов сопряжено с особенно большим расходом дорогостоящих шлифо-

вальных и правящих инструментов, что объясняется малыми периодами стойкости

шлифовальных кругов и большой вероятностью возникновения дефектов поверхност-

ных слоев шлифуемых заготовок.

Таким образом, чтобы обеспечить возможность повышения производительности

бездефектного шлифования заготовок необходимо снизить теплосиловую напряжен-

ность контактных взаимодействий при правке и непосредственно при шлифовании.

Радикальным средством для этого может послужить рациональное применение СОЖ

оптимального для условий данной технологической операции состава.

В последующих главах настоящей монографии представлен комплекс теоретико-

экспериментальных исследований, результаты которых создают основу для решения

этой актуальной научно-технической проблемы.

Глава 2. ТЕПЛОВОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ОБЪЕКТОВ,

КОНТАКТИРУЮЩИХ ПРИ ПРАВКЕ КРУГА

И ШЛИФОВАНИИ ЗАГОТОВОК

2.1. Тепловое взаимодействие шлифовального круга и

алмазного правящего инструмента при правке точением

2.1.1. Граничные условия контактного взаимодействия и