автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Повышение эффективности шлифования путем управления процессом взаимодействия абразивного зерна и обрабатываемого металла

Введение.

1. Состояние проблемы и постановка задач исследования.

1.1. Способ лезвийного обрабатывания металла и математическая модель резания на основе обобщенной реологической модели.

1.2. Схема стружкообразования единичным режущим зерном.

1.3. Вероятностный фактор в образовании поверхности при плоском шлифовании с участием двух подсистем: «инструмент - деталь».

1.4. Условия шлифования с участием трех подсистем: «инструмент

- деталь - промежуточная диспергируемая среда (ПДС)».

1.5. Цели и задачи исследования.

2. Механизм диспергирования металла абразивным зерном.

2.1. Распределение нагрузок в зоне контакта абразивного зерна с металлом

2.2. Механизм образования микростружки при взаимодействии абразивного зерна и обрабатываемого металла.

2.3 Экспериментальные исследования проверки адекватности разработанных физических моделей процесса абразивного диспергирования металла. ф 3. Теплофизические процессы в контакте «абразивное зерно - обрабатываемый металл».

3.1. Теплофизика процесса шлифования.

3.2. Тепловые процессы, сопровождающие диспергирование металла абразивным зерном.

4. Реализация предложенной модели в проектировании скоростных режимов шлифования.

Процесс абразивной обработки металла шлифовальным кругом достаточно широко и полно изучен. Анализ информации позволяет сделать вывод о том, что взаимодействие абразивного зерна с металлом при шлифовании представляется как взаимодействие резца с тупым передним углом и трансформацией задней поверхности резца в опорную площадку. При этом принимается допущение, что все пластические деформации при образовании стружки проходят перед передней гранью резца.

В связи с отсутствием математической модели механизма стружкооб-разования, учитывающей геометрию режущего профиля круга, выбор формы абразивных зерен и технологии производства абразивного инструмента основан на эмпирических рекомендациях.

Нами предлагается гипотеза о дополнительной схеме действия абразивного зерна с учетом промежуточного элемента - режущего керна из уплотненного металла, образованного наклепом его нарастающего объема при продвижении площадки затупления с ударной скоростью - 1/10° (мм/с) под некоторым углом атаки к линии дуги контакта зерна с обрабатываемым металлом.

Предложенной гипотезой можно объяснить, например, наличие в шламе вместе с мелкодисперсной стружкой, или в налипах на поверхности круга, фрагментов монолитного металла.

Установленные некоторыми исследователями в зонах обработки (при типовых технологических режимах) температуры, сопоставимые по величине с точкой плавления, можно также объяснить сверхскоростным отводом тепла от детали проходящими монолитными кернами, имеющими повышенную, по сравнению со стружкой, теплопроводность и теплоемкость.

I?ид металлических налимов на круге или оплавленных шариков в шламе несет в себе память о фазовых превращениях в кернах, возможных, согласно чакону Клапейрона-Клаузиуса, в состоянии повышенного давления, которое мгновенно оказывается на керн в момент его максимального > плот-нения и разогрева.

Анализ технологического процесса, с учетом 1акой дополнительной схемы, должен способствовать оптимизации технологических режимов шлифования при их интенсификации.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Проведен анализ существующих представлений о механизме резания металла единичным абразивным зерном с учетом фактических данных по распределению нагрузок и деформаций в системе «инструмент - деталь».

2. Представлена гипотеза о механизме диспергирования металла абразивным зерном посредством третьего элемента - режущего керна из обрабатываемого металла, упрочненного скоростным (ударным) сжатием под площадкой затупления.

3. Обоснована возможность перемещения керна с переходными прочностными свойствами и отделение его от основного металла, благодаря известному явлению дислокации на границе равновесия напряжений сдвига в композите или монолитном материале с зонами различной прочности.

4. Показано, что налипание термопластицированного металла на зерновых поверхностях шлифовального круга или наличие оплавленных фрагментов металла в шламе при шлифовальной обработке является доказательством взаимодействия двух конкурирующих факторов: во-первых, интенсификация режимов обработки вызывает повышение температуры и терморазмягчение металла в зоне контакта с инструментом, и, как следствие, налипание пластификата на инструмент; во-вторых, повышение скорости съема с одновременным скоростным повышением давления в зоне контакта по закону Клапейрона-Клаузеуса повышает порог фазовых превращений и обеспечивает выброс снятого металла в твердом перегретом состоянии с последующим оплавлением его вне зоны контакта с инструментом.

5. Результаты данной диссертационной работы могут быть положены в основу оптимизации технологического процесса шлифования в условиях его максимальной интенсификации, что позволит существенно повысить его эффективность и качество.

6. Управление процессом взаимодействия абразивного зерна и обрабатываемого металла в соответствии с представленной в данной диссертационной работе моделью повышает эффективность шлифования в среднем в 1,6 раза.

1. Абразивная и алмазная обработка металлов: Справочник / Под. ред. A.1.I. Резникова. М.: Машиностроение, 1977. - 390 с.

2. Алмазно-абразивная доводка деталей. Технология металлообрабатывающего производства. М.: НИИМАШ, 1972. 198 с.

3. Бабичев А.П., Лебедев В.А. Методы обработки деталей абразивно-алмазным инструментом и свободным абразивом. Ростов н/Д: РИСХМ, 1980. -50 с.

4. Байкалов А.К. Введение в теорию шлифования материалов. Киев: 11аукова думка, 1978. 207 с.

5. Блурцян Д.Р. Движение абразивного сегмента в процессе шлифования // Процессы абразивной обработки, абразивные инструменты и материалы: Материалы Междунар. науч.-техн. конф. «Шлифабразив-2003». Волжский: ВолжскИСИ, 2003. С. 140 - 143.

6. Дымов Ю.В. Управление качеством поверхностного слоя детали при обработке абразивными гранулами: Дис. .д-ра техн. наук. 05.02.98. Иркутск: РИСХМ, 1976. 543 с.

7. Ефимов В.В. Модель процесса шлифования с применением СОЖ. Саратов: Изд-во Саратов, ун-та, 1992. 132 с.

8. Ипполитов Г.М. Абразивно-алмазная обработка. М.: Машиностроение, 1969.-335 с.

9. Кащук В.А., Верещагин A.b. Справочник шлифовщика. М.: Машиностроение, 1988. 477 с.

10. Королев A.B. Исследование образования поверхностей инструмента и детали при абразивной обработке. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1975. -191 с.

11. Корчак С.Н. Производительность процесса шлифования стальных деталей. М.: Машиностроение, 1974. 280 с.

12. Кубасов П.У., Бухановский В.Г., Фомовская О.П. Исследование засаливания абразивного зерна при микрорезании // Межвуз. научн. сб.: Сма-зочно-охлаждающие жидкости в процессах абразивной обработки. Саратов: РИСХМ, 1983.-С. 16-20.

13. Лоскутов В.В. Шлифование металлов. Москва Свердловск: Маш-гиз, 1962.-280 с.

14. Лурье Г.Б. Шлифование металлов. М.: Машиностроение, 1969.172 с.

15. Маелов E.H. Теория шлифования материалов. М.: Машиностроение, 1974.-320 с.

16. Маслов Ь.Н., Постникова П.В. Основные направления в развитии теории резания абразивным, алмазным и эльборовым инструментом. М.: Машиностроение, 1975. 36 с.

17. Маслов E.H. Теория шлифования металлов. М.: Машиностроение, 1974.-220 с.

18. Новоселов Ю.К. Динамика формообразования поверхностей при абразивной обработке. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1979. 232 с.

19. Носенко В.А. Шлифование адгезионно-активных металлов. М.: Машиностроение, 2000. 262 с.

20. Островский В.И. Теоретические основы процесса шлифования. Л.: Изд-во Ленингр. ун-та, 1981. 144 с.

21. Орлов П.Н., Нестеров Ю.И., Полухин В.А. Процессы доводки прецизионных деталей пастами и суспензиями. М.: Машиностроение, 1975. -53 с.

22. Попов С.А., Милевкий Н.П., Терещенко Л.М. Алмазно-абразивная обработка металлов и твердых сплавов. М.: Машиностроение, 1977. 263 с.

23. Прогрессивные методы абразивной обработки металлов / Под ред. И.П. Захаренко, В.И. Лавриненко, С.М. Дехтяренко. Киев: Техника, 1990. -152 с.

24. Рашоян И.И., Рахчеев В.Г. Исследование процесса микрорезания при круглом шлифовании // Процессы абразивной обработки, абразивные инструменты и материалы: Материалы Междунар. науч.-техн. конф. «Шли-фабразив-2003». Волжский: ВолжскИСИ, 2003. С. 166- 169.

25. Спасский М.Р., Ашкеров Ю.В., Лохов Ю.М. Механизм резания металлических поверхностей зерном абразива с учетом пластического течения // Он I ико-мечаническая промышленность. 1983. № 3. С.30 - 33.

26. Справочная книга по отделочным операциям в машиностроении / 11од ред. И.Г. Комачева. Л.: Лениздат, 1966. - 543 с.

27. Стратиевский И.Х. Моделирование процессов абразивной обработки // Процессы абразивной обработки, абразивные инструменты и материалы: Материалы Междунар. науч.-техн. конф. «Шлифабразив-2000». Волжский: ВолжскИСИ, 2000. С. 220 - 221.

28. Сулима A.M., Евстигнеев М.И. Качество поверхностного слоя и усталостная прочность деталей из жаропрочных и титановых сплавов. М.: Машиностроение, 1974. 256 с.

29. Тамаркин М.А., Клименко А.А. Исследование влияния механических свойств материалов на процесс царапанья абразивными зернами // В сб. докл. на Междунар. конф.: Шлифабразив 99. Волжский: ВолжскИСИ, 1999.

30. Унянин А.Н. Фрикционное взаимодействие единичного абразивного зерна с заготовкой // Процессы абразивной обработки, абразивные инструменты и материалы: Материалы Междунар. науч.-техн. конф. «Шлифабра-зив-2003». Волжский: ВолжскИСИ, 2003. С. 159 - 166.

31. Филимонов JI.H. Высокоскоростное шлифование. Л.: Машиностроение, 1979. -238 с.

32. Фрагин И.Е., Сафронов В.Г. Исследование процесса хонингования. М.: ПИИМАШ, 1969.

33. Чеповецкий И.Х. Механика контактного взаимодействия при алмазной обработке. К.: Наукова думка, 1978. 224 с.

34. Шумячер В.М. Механо-химические модели процесса финишной абразивной обработки металла брусками // В сб~ Процессы и оборудование абразивно-алмазной обработки. М.: НИСХМ, 1983. С. 61 - 64.

35. Шумячер В.М., Быкадорова О.Г. О механизме диспергирования металла абразивным зерном // Процессы абразивной обработки, абразивные инструменты и материалы: Материалы Междунар. науч.-техн. конф. «Шлифабразив-2003». Волжский: ВолжскИСИ, 2003. С. 38 - 39.

36. Шумячер В.М. Влияние свойств СОЖ на характер взаимодействия бруска и обрабатываемой поверхности металла при суперфинишировании / В кн.: Вопросы теории и прогрессивной технологии абразивной обработки. Л.: ВНИИАШ, 1977. С. 85 - 92.

37. Шальнов В.А. Шлифование и нормирование высокопрочных материалов. М.: Машиностроение, 1972. 272 с.

38. Шумячер В.М. Повышение эффективности абразивной обработки // Процессы абразивной обработки, абразивные инструменты и материалы: Материалы Междунар. науч.-техн. конф. «Шлифабразив-2000». Волжский: ВолжскИСИ, 2000. С. 162 - 163.

39. Шумячер В.М. Механо-химические процессы и эффективность сма-зочно-охлаждающих технологических сред при суперфинишировании, хо-нинговании и доводке. Дис. . д-ра техн. наук. Волжский, 1997. 211 с.

40. Ящерицин П.И., Зайцев А.Г. Повышение качества шлифовальных поверхностей и режущих свойств абразивно-алмазного инструмента. Минск: Наука и техника, 1972.-380 с.

41. Вульф A.M. Резание металлов. Л.: Машиностроение, 1973. 396 с.

42. Грановский Г.И., Грановский В.Г. Резание металлов. М.: Высш. шк., 1985. 301 с.

43. Козлова Е.Б. Математическое моделирование процесса резания на основе обобщенной реологической модели // Современное машиностроение: Сб. науч. тр. Вып. 3. СПб: Изд-во Санкт-Петербургского ин-та машиностроения, 2000. С. 243 - 252.

44. Рыжкин А.Л., Дмитриев B.C., Климов М.М., ГЦучев К.Г., Боков А.И. Физические основы обработки металлов резанием. Ростов н/Д, 1996.347 с . , . . . -----— — • •

45. Трент Е.М. Резание металлов. Пер. с англ. Г.И. Айзенштока. М.: Машиностроение, 1980. 263 с.

46. Ящерицин Т.Н., Еременко МЛ., Жигалко Н.И. Основы резания материалов и режущий инструмент. М.: Вышэйшая школа, 1981 . 559 с.

47. Абразивные инструменты с полимерными и керамическими связующими. Свердловск, 1982. 409 с.

48. Лоладзе Т.Н., Бокучава Г.В. Износ алмазов и алмазных кругов. М.: Машиностроение, 1967.-215 с.

49. Бабичев А.П., Мальникова Е.П. Исследование технологических характеристик абразивных инструментов и гранулированных сред на нетрадиционных связующих // Инструмент.

50. Байкалов А.К., Сукенник И.П. Алмазный правящий инструмент на гальванической связке. Киев: Наукова думка, 1976. 204 с.

51. Островский В.Н. Оптимизация условий эксплуатации абразивного инструмента. М.: НИИМАШ, 1984. 56 с.

52. Соколов B.C., Андреев В.В. Определение объема межзеренного пространства при алмазном шлифовании.

53. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. М.: Наука, 1969. 570 с.

54. Вентцель Е.С., Овчаров JI.A. Теория вероятностей и ее инженерное приложение. М.: Наука, 1988. 480 с.

55. Вероятностно-статистические основы процессов шлифования и доводки. Л.: Изд-во СЭПИ, 1973. 153 с.

56. Гмурман В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика. -М.: Высш. шк., 1972. 368 с.

57. Королев A.B., Новоселов Ю.К. Теорико-вероятностные основы абразивной обработки. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1984. - 160 с.

58. Кардонский Х.В., Харач Г.М., Артомоновский Б.П., Непомнящий Е.Ф. Вероятностный анализ процессов изнашивания. М.: Наука, 1968. - 56 с.

59. Носенко В.А. Шлифование адгезионно-активных материалов. М.: Машиностроение. 2000. - 262 с.

60. Лукьянов B.C., Рудзит Я.А. Параметры шероховатости поверхности. М.: Изд-во стандартов, 1979. 162 с.

61. Новоселов Ю.К. Динамика деформирования поверхностей при абразивной обработке. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1979. - 227 с.

62. Якобсон М.О. Шероховатость, наклеп и остаточные напряжения при механической обработке. М.: Машгиз, 1956. 292 с.

63. Полухин П.И., Гун Г.Я., Галкин A.M. Сопротивление пластической деформации металлов и сплавов: Справочник. М.: Металлургия, 1983. -352 с.

64. Шнейдер Ю.Т. Образование регулярных-микрорельефов на деталях, их эксплуатационные свойства. Л.: Машиностроение, 1972. 238 с.

65. Блантер М.Е. Металловедение и термическая обработка. М.: Машгиз, 1963.-416 с.

66. Блантер М.Е. Теория термической обработки. М.: Металлургия, 1084.-328 с.

67. Казаков В.Ф. Шлифование при повышенных скоростях резания. Киев: Техника, 1974. 172 с.

68. Каменичный И.С. Краткий справочник технолога-термиста. Москва, Киев: Машгиз, 1963. -286 с.

69. Лахтин 10.М. Металловедение и термическая обработка металлов. М.: Металлургия, 1976.-406 с.

70. Рентгенография в физическом металловедении / Под ред. Ю.А. Ба-гаряцкого. М.: Металлургия, 1961. 236 с.

71. Мейлер А. Рентгеновская металлография. М.: Металлургия, 1965.306 с.

72. Уманский Я.С. Физическое металловедение. М.: Металлургиздат, 1955.- 120 с.

73. Евсеев Д.Г. Формирование свойств поверхностных слоев при абразивной обработке. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1975. 127 с.

74. Расчет дефектного слоя при шлифовании / Якимов A.B., В.П. Ла-ришин, A.M. Скляр, E.H. Кавальчук // Станки и инструмент. № 9. 1986. -С. 26-27.

75. Резников А.Н. Теплофизика процессов механической обработки материалов. М.: Машиностроение, 1981. 279 с.

76. Сталеплавильное производство: Справочник. Т.1 / Под ред. A.M. Са-маркина. М.: Металлургия, 1964. 528 с.

77. Трайбус М. Термостатика и термодинамика. Пер. с англ. / Под ред. A.B. Лыкова. М.: Энергия, 1970. -- 502 с.

78. Теория сварочных процессов / Под ред. В.В. Фролова. М.: Высш. шк., 1988. -559.

79. Яицерицин П.И. и др. Теория резания. Физические и тепловые процессы в технологических системах. Минск: Вышейша школа, 1990. 512 с.

80. Михин U.M. Внешнее трение твердых тел. М.: 11аука, 1977. 220 с.

81. Михин U.M. Трение в условиях пластического контакта. М.: Наука, 1968.- 103 с.

82. Виноградов В.П., Сорокин Г.М., Колокольчиков М.Г. Природа контактных деформаций при свободном ударе твердой абразивной частицы по стали // Изв. вузов: 11ефть и газ. № 4. 1981. С. 69 - 73.

83. Кильчевский H.A. Теория соударения твердых тел. Киев: Науко-ва думка, 1969. - 249 с.

84. Чаетенюк Г.М. О связи потерь энергии при ударе с износом металлов: \ 1ауч. тр. Ом! 1И'Га. Т. 57. Омск: РИСХМ, 1965.-С. 67- 76.

85. Евдокимов Ю.А. Основы теории инженерного эксперимента. Ч. 1. р. 1.: Учеб. пособие. Ростов н/Д: РИИЖТ, 1989. 68 с.

86. Кочанов H.H., Миркин А.И. Рентгеноструктурный анализ: Практическое руководство. М.: Машгиз, 1960. 94 с.

87. Слепян ЛИ., Троянкина JI.IV Теория трещин. Ленишрад: Судостроение. 1976. 42 с.

88. Черепанов IMI., Ершов Л.В. Механика рафушения. М.: Машиностроение, 1977. 224 с.

89. Финкель В.М. Физические основы торможения разрушения. М.: Металлургия, 1977.- 358 с.

90. Дарков A.B., Шпиро Г.С. Сопротивление материалов. М.: Высш. liik., 1969.-734 с.

91. Кнойбюль Ф.К. Пособие для повторения физики. Пер. с нем. A.B. Беркова. М.: Энергоиздат, 1981.-256 с.

92. Кошкин H.H., Ширкевич М.Г. Справочник по элементарной физике. М.: Наука, 1982.-208 с.

93. Полный энциклопедический справочник. М.: Русское энциклопедическое товарищество, 2002. 928 с.

94. Седов JI.H. Механика сплошной среды. Т. II. М.: Наука, 1976. 576 с.

95. Биркоф Г. Гидродинамика. М.: Иностр. лит-ра, 1963. 244 с.

96. Шумячер В.М. Исследование и разработка технологии переработки шламов для использования в строительном производстве и других отраслях: Отчет о научно-исследовательской работе № 627 87 / Волжский: Вол-гИСИ, 1988.-31 с.

97. Абразивная и алмазная обработка материалов: Справочник / Под ред. А.Н. Резникова. М: Машиностроение, 1971.-391 с.

98. Хрульков В.А. Шлифование жаропрочных сплавов. М.: Машиностроение, 1964.- 191 с.

99. Лоповок Т.С. Цеховые методы контроля волокнистости / В сб.: Точность измерений в машиностроении. М.: Машгиз, 1955.

100. S. Цехин Л.Д., Короткой Л.П. Тенденции совершенствования шлифовального инструмента // В сб. науч. тр.: Автоматизация и механизация технологических процессов. Кемерово: Кем. техн. ин-т пищ. пром-ти, 1999. -С. 126 - 127.

101. Цехин A.A., Короткое A.II. Влияние формы абразивного зерна на режущую способность и износ шлифовальных кругов // Вестник Кузбас. Гос. техн. ун-та. Кемерово, 1999. № 2. - С. 17-19.

102. Цехин A.A., Короткое А.Н. Взаимосвязь геометрических параметров абразивного инструмента с эффективностью процесса резания при плоском шлифовании // Тр. XII науч. конф. ф-ла Томского политех, ун-та, 27 28 апреля 1999 г. - Юрга, 1999. - С. 115 - 116.

103. Цехин A.A., Короткое А.Н. Совершенствование процесса классифицирования свободного абразива для повышения работоспособности шлифовальных инструментов // В сб. науч. тр.: Механизация горных работ. — Кемерово: Кузбас. гос. техн, ун-т., 1997. С. 20 - 21.

104. Быкадорова О.Г., Шумячер В.М. О механизме диспергирования металла абразивным зерном / В сб. ст. : Междунар. науч.-техн. конфер. «Шлифабразив-2003». Волжский, 2003. - С. 38 - 39.

105. Быкадорова О.Г., Шумячер В.М. О механизме стружкообразования при шлифовании // Вестник. 2004. - № 1 (2). - Саратов: СГТУ. - С. 52 - 58.