автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.07, диссертация на тему:Повышение эффективности высокоскоростного шлифования сталей путем использования абразивного зерна рациональной формы и его ориентации в связке инструмента

На правах рукописи

Кадильников Александр Викторович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВЫСОКОСКОРОСТНОГО ШЛИФОВАНИЯ СТАЛЕЙ ПУТЕМ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ АБРАЗИВНОГО ЗЕРНА РАЦИОНАЛЬНОЙ ФОРМЫ И ЕГО ОРИЕНТАЦИИ В СВЯЗКЕ ИНСТРУМЕНТА

05.02.07

«Технология и оборудование механической и физико-технической обработки»

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

1 4 ОКТ 2010

Волгоград-2010

004610511

Работа выполнена в Волжском институте строительства и технологий (филиале) Волгоградского архитектурно-строительного университета

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Шумячер Вячеслав Михайлович.

Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор

Полянчиков Юрий Николаевич, доктор технических наук, профессор Бочкарев Петр Юрьевич.

Ведущая организация ГОУ ВПО Саратовский государственный техниче

ский университет

Защита диссертации состоится «29»_октября 2010 г. в 12 часов на заседани диссертационного совета Д 212.028.06 при Волгоградском государственном те ническом университете по адресу: 400131, Волгоград, пр. Ленина, 28.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Волгоградского госу дарственного технического университета.

Автореферат разослан « » сентября 2010 г.

Учёный секретарь ^^У Быков Ю.М.

диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

В настоящее время процесс шлифования приобретает особую значимость. Предъявляются все более жесткие требования к производительности, стойкости инструмента. На кафедре ТОПМ ВИСТех в процессе многолетних исследований был накоплен опыт, позволяющий путем управления составом инструмента и технологией изготовления повышать эффективность его использования. Опираясь на собственный опыт, а также анализируя и оценивая результаты и перспективы исследований наших коллег из других российских и зарубежных НИИ, был сделан вывод, что улучшение свойств абразивного инструмента уже практически достигло предела своих возможностей и здесь начинают проявляться некоторые тенденции застоя. Последнее связано с тем, что оптимизация состава абразивных изделий осуществлялась, в основном, опираясь на эмпирические данные. При этом считалась неуправляемой форма зерна и воспринималась такой «как есть». Между тем каждое зерно имеет индивидуальную форму и, вследствие хаотического расположения в связке, обладает индивидуальными режущими свойствами, совокупность которых для всего ансамбля зерен на активной части абразивного круга определяет качество инструмента. Накопленный на сегодняшний день багаж знаний не позволяет выдать общие рекомендации по использованию формы зерна, его положения и ориентации в связке с целью повышения эффективности шлифования.

Необходимость более глубокого изучения влияния формы зерна отмечается в работах многих авторов. Геометрическая форма абразивных частиц и их ориентация в связке инструмента являются солидным, до сих пор неиспользованным запасом для повышения эксплуатационных характеристик шлифовального инструмента. Но воспользоваться им представляется возможным только после создания «фундамента» описывающего механизм взаимодействия абразивного зерна и обрабатываемого материала. К сожалению, этот актуальный вопрос до сих пор оставался неизученным.

Дальнейшее повышение эффективности абразивной обработки становится возможным только после разработки математического аппарата, позволяющего:

- описать динамику процесса микрорезания;

- описать влияние режимов обработки на процесс микрорезания;

- описать механизм стружкообразования при шлифовании;

- изучить влияние формы зерна на механизм взаимодействия с обрабатываемым материалом;

- изучить влияние расположения зерна в связке на механизм взаимодействия с обрабатываемым материалом;

- выработать рекомендации по повышению режущих характеристик абразивного инструмента путем использования формы и ориентации зерна.

Целью диссертационной работы является исследование влияния геометрических параметров абразивного зерна на процесс шлифования и получение рекомендаций по повышению эксплуатационных характеристик шлифовальных кругов путем использования геометрической формы зерна и его ориентации в связке.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Построение математической модели, описывающей механизм взаимодей ствия абразивного зерна и обрабатываемого материала на микроуровне.

2. Построение схемы стружкообразования при высокоскоростном шлифо вании.

3. Получение рекомендаций по увеличению количества абразивных зере инструмента, осуществляющих резание.

4. Изучение влияния формы абразивного зерна и его ориентации в связк инструмента на параметры взаимодействия с обрабатываемым материалом пр высокоскоростном шлифовании.

Методы исследования

Исследования выполнялись методами высшей математики, лучевой теори распространения и рассеяния волн, теории проникания. Вычисления в процесс исследований, а также численная и графическая обработка результатов, проводи лись на ЭВМ типа IBM PC AT с использованием математического аппарата при кладных программ. Методологическую и теоретическую основу составили труд Подильчука Ю.Н., Королева A.B., Филимонова Л.Н., Аптукова В.Н., Шумячер В.М., Маслова Е.А., и др.

Научная новизна работы

1. Разработана математическая модель, раскрывающая сущность процесс взаимодействия абразивного зерна и обрабатываемого материала. Модель по строена на основе положений теории распространения и рассеяния волн. Выявле ны геометрические параметры формы зерна, влияющие на эффективность струж кообразования.

2. Описан механизм стружкообразования при высокоскоростном шлифовании представляющий собой вариант отвода энергии из зоны взаимодействия абразивног зерна и заготовки, и раскрывающий причины появления различных форм стружек.

3. Получены рекомендации по увеличению количества абразивных зере инструмента, осуществляющих резание.

4. Разработаны рекомендации по ускорению начала процесса стружкообра зования в течение единичного акта микрорезания для случая использования абра зивного зерна в форме эллипсоида вращения.

Положения выносимые на защиту

1. Математическая модель взаимодействия абразивного зерна с обрабаты ваемым материалом при высокоскоростном шлифовании и результаты ее иссле дования с помощью ЭВМ.

2. Схема стружкообразования при высокоскоростном шлифовании.

3. Рекомендации по увеличению количества зерен на активной поверхност инструмента осуществляющих резание.

4. Результаты исследования влияния на начало процесса образования струж ки формы зерна и его ориентации в связке при внедрении в обрабатываемый мате риал.

Достоверность научных положений, рекомендаций и выводов

Достоверность и обоснованность научных положений, рекомендаций и вы водов подтверждается применением экспериментально подтвержденных научны теорий для математического моделирования процесса стружкообразования; ис

пользованием апробированных средств для имитационного моделирования на ЭВМ полученных математических зависимостей; экспериментальным подтверждением полученных результатов при моделировании путем исследования в лабораторных и производственных условиях абразивных кругов с классифицированным по форме зерном.

Практическая ценность работы

На основе теоретических и экспериментальных исследований предложена схема стружкообразования при высокоскоростном шлифовании, и определены факторы, влияющие на начало съема металла в течение одного акта микрорезания. Получены рекомендации, позволяющие на стадии изготовления абразивного инструмента улучшать его эксплуатационные характеристики, оперируя параметрами «форма зерна», «ориентация зерна в связке» и «расположение зерна на активной части поверхности инструмента».

Апробация работы

Основные положения работы докладывались и обсуждались на международных конференциях «Шлифабразив» (г. Волжский, 2000-2007 гг.), научно-технических семинарах кафедры «Технологии обработки и производства материалов» Волжского института строительства и технологий (филиала) Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета (ВИСТех (филиал) ВолгГАСУ). Работа в полном объеме была представлена на расширенном заседании кафедры «Конструирование и компьютерное моделирование технологического оборудования в машино- и приборостроении» Саратовский государственный технический университет и расширенном заседании кафедры «Технология машиностроения» Волгоградского государственного технического университета.

Публикации

По результатам диссертационной работы опубликовано 6 печатных работ, из них 2 в центральной Российской печати.

Структура и объём работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованной литературы. Диссертация изложена на 167 страницах, иллюстрирована 70 рисунками. Список литературы включает 145 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В введении обосновывается актуальность темы диссертации.

В первой главе проводится тематический обзор научно-технической информации по теме диссертации. Показаны особенности различных видов абразивной обработки и выделены факторы, влияющие на эффективность шлифования.

Анализ рассмотренных исследований позволяет сделать вывод о том, что образование стружки при шлифовании является сложным и плохо изученным процессом. Установлено, что до настоящего времени не решена динамическая контактная задача внедрения абразивного зерна в обрабатываемый материал при микрорезании. Поэтому не определены пути повышения эксплуатационных характеристик абразивного инструмента посредством использования геометрических параметров зерна для управления процессом резания на микроуровне.

Исследования в области высокоскоростных деформаций показывают, что при нагружении материала с большой интенсивностью его поведение аналогично

поведению идеальной жидкости, а процесс внедрения абразивного зерна носи ударный характер. Что указывает на возможность применения методов механик сплошных сред для решения контактной задачи динамической системы абразивно зерно - обрабатываемый материал.

В конце главы делаются выводы о неизученных направлениях в облает взаимодействия абразивного зерна с материалом обрабатываемой детали, что по зволяет определить цели и задачи исследования, изложенные выше. Также приво дятся основные данные, позволяющие определится с методами исследования.

Вторая глава посвящена обоснованию применяемой модели взаимодейст вия абразивного зерна с обрабатываемым материалом и разработке математиче ского аппарата, позволяющего описать данную модель.

Сделан вывод, что при внедрении абразивного зерна в заготовку, материа последнего переходит в состояние пластичности, а его поведение аналогично по ведению идеальной жидкости. Из всех возможных методов для построения моде ли были выбраны методы лучевой теории распространения и рассеяния волн.

В результате была обоснована абстрактная модель, полностью отражающа процесс микрорезания при высокоскоростном шлифовании, которая в общем вид выглядит следующим образом. Обрабатываемый материал моделируется абстракт ной энергетической средой, заполняющей полупространство, а абразивное зерно частично погруженным в нее, движущимся со скоростью V вдоль поверхности осуществляющим работу (деформация и нагрев) твердым телом (рис. 1). Элемен тарные объемы среды, находящиеся вблизи поверхности контакта деформируютс и нагреваются, затем деформации и нагреву подвергаются прилегающие объемы т.д. Таким образом, твердое тело являющимся источником возмущений в среде Возмущения передаются ортогонально поверхности контакта с начальной вели чиной потока энергии Л неизменной во времени, а их рассеяние в среде осущест вляется согласно правилам лучевой теории.

Основное свойство энер гетической среды - про водимость возмущений скорость передачи / ко торых принята равно скорости распростране ния звука в материале состоянии пластичности величина которой значи тельно меньше скорост звука в упругом состоя

нии.

Для случая твердо го тела в форме шар (рис. 2) получены зависимости, описывающие напряженное состояние среды геометрию линий передачи возмущений (лучей). Уравнение произвольного луча параметрическом виде, в зависимости от времени, выглядит следующим образо (за момент времени /=0 принят момент передачи возмущений с поверхност твердого тела):

Положение фронта волны в различные моменты времени

Рис. 1. Модель взаимодействия абразивного зерна и обрабатываемого материала

A y = J / cos ß sin codi + p cos ß0 sin <a

о

Ay = J / sin ßdt - p cos /?0

о

A2 = I / cos ß cos (odi + p cos ß0 cos m - Vt

о

где p - радиус шара; ß0 - угол наклона крайнего луча к плоскости XOZ\ ß=f(ßi,ß0ß,p,I,t) - угол наклона луча к плоскости XOZ в произвольный момент времени в случае Уср=0; со - угол между осью OZ и проекцией вектора Г на плоскость XOZ в момент времени t=0; V— скорость движения шара относительно среды; ßi - начальный угол наклона луча к плоскости XOZ (при 1=0), 3=1//, где 1Г - скорость распространения возмущений в тангенциальном направлении.

При движении вдоль луча суммарный поток энергии через фронт волны остается постоянным. Изменение геометрии лучей при УфО приводит к перераспределению энергии в окрестности шара. Для каждого элементарного объема значение плотности энергии найдется из следующего выражения: J

Рис. 2. Отклонение луча с течением времени

0 = -

I

(2)

где 1р = ф2 + V1 - UVcosß - величина результирующей скорости передачи возмущений (рис. 2), J- значение потока энергии.

Путем численных экспериментов, осуществленных на ЭВМ по вышеприведенным формулам, было исследовано напряженное состояние среды в зависимости от следующих параметров: радиуса шара р; глубины h/p погружения шара в среду; отношения ¿>; скорости V относительного движения среды и шара.

В результате исследования модели процесса взаимодействия зерна и обрабатываемого материала, установлено:

1) С увеличением ö лучи отклоняются сильнее, и интенсивнее рассеивается энергия, передаваемая в среду.

2) При изменении размера шара, форма поверхностей с равным значением плотности энергии не изменяется, происходит лишь изменение их размеров пропорционально изменению радиуса шара.

3) Распределение энергии, передаваемой телом в среду, в значительной степени определяется соотношением V/I, с увеличением V/I наблюдается смещение поверхностей равного значения плотности энергии в направлении скорости среды относительно шара. При этом энергия, отводится от фронтальной части шара, в сторону боковых частей, что свидетельствует о смещении зоны стружкообразования при увеличении скорости резания в область материала вблизи боковых поверхностей зерна.

4) Существует критическое значение отношения У/1, при котором поверхности равного значения плотности энергии касаются шара. В этом случае, применительно к процессу шлифования, можно сказать, что давления на обрабатываемый материал

недостаточно, чтобы вызвать пластическое деформирование. Поэтому увеличивается усилие на зерно. С увеличением усилия, материал начинает деформироваться и нагрузка падает. Часть энергии отводится, и усилия вновь увеличиваются и так далее, то есть энергия передается в материал порциями. При определенной скорости резания возможно появление эффекта неустойчивости при шлифовании.

5) При определенном значении V/I появляется поверхность, являющаяся оги бающей для семейства лучей. Математический анализ показывает, что вблизи не концентрируется большое количество энергии, «подводимой» со стороны шара, противоположной стороны поверхности плотность энергии равна нулю, так как дан ную область среды лучи не пересекают. Таким образом, огибающая является грани цей, при переходе через которую наблюдается резкое изменение параметров напря женного состояния. Причем скорость движения огибающей вдоль поверхности сре ды меньше величины I и равняется V.

6) Накопление энергии перед абразивным зерном приводит к снижени давления, необходимого для пластического деформирования материала. Поэтом уменьшаются составляющие Pz и Ру силы резания. Но вследствие того, что условия накопления энергии в части материала, находящейся непосредственно по зерном хуже, чем во фронтальной, составляющая Pz уменьшается более интенсивно, чем Ру, а значит уменьшается отношение PJPy, что экспериментально подтверждено многими исследователями.

7) С увеличением глубины погружения шара в среду уменьшается величин угла ßo, в результате чего условия для накопления энергии улучшаются. Анали показывает, что уменьшение величины угла ß0 приводит к формированию оги бающей при меньших скоростях взаимодействия. Это означает, что при шлифо вании увеличение глубины внедрения зерна приводит к стружкоотделению при меньших скоростях. В литературе данный факт известен как эффект смещения

начала процесса стружкооб-разования в сторону меньшей глубины внедрения абразив при увеличении скорости резания.

Варьируя параметрами V/I и h/p, задаваясь напряже нием [в] вблизи огибающей, отношении к напряжению н поверхности шара, и считая что при данном значении осу ществляется съем материал при шлифовании, было подоб рано значение [в], при которо форма кривой h/p(V/l) практи чески полностью совпадает аналогичной кривой h/p(V) полученной Л.Н. Филимоно вым (рис. 3). Отсюда сдела вывод, что при высокоскоростном шлифовании рабочая часть поверхности зерн

Рис. 3. Влияние скорости взаимодействия на критерий h/p

испытывает давление приблизительно в 20 раз больше, чем давление, необходимое для перевода обрабатываемого материала в пластическое состояние.

С течением времени зерно изнашивается, что приводит к уменьшению отношения h/p, а значит увеличению угла ßo- Процесс стружкообразования затрудняется. С целью компенсации явления износа, можно предложить увеличение скорости резания, а также большую глубину внедрения зерна в материал. Но при этом будут возрастать контактные нагрузки, а значит, возрастет температура в зоне взаимодействия, что отрицательно скажется на качестве поверхности готовой детали.

Энергия, отводимая из области среды вблизи фронтальной части шара, складывается с энергией, передаваемой боковой и нижней частями поверхности. Поэтому размеры поверхностей равного значения плотности энергии увеличиваются. В конечном итоге, накопленная энергия в боковой части шара высвобождается в виде всплеска в направлении, самом благоприятном для ее выхода, то есть в направлении поверхности среды. Данное явление при шлифовании означает начало процесса стружкообразования. Высвобождение энергии в боковых окрестностях шара приводит к разупрочнению, энергетической разрядке. В нижней части шара такой возможности для выплеска нет, так как все направления для течения практически равнозначны. Поэтому при абразивной обработке в данной части обрабатываемого материала можно ожидать максимального изменения структуры, по сравнению с областью вблизи его поверхности. Это положение подтверждается в работах ряда исследователей. В частности, Л.Н.Филимонов показывает, что интенсивность наклепа на дне риски, образованной при резании единичным зерном, гораздо выше, чем в зоне наплывов.

Исходя из проведенных исследований, была предложена следующая схема

образования стружки при скоростном шлифовании.

Во время контакта абразивного зерна с обрабатываемым материалом происходит накопление энергии перед зерном, материал переходит из твердого состояния в пластическое и, в дальнейшем, вытесняется в боковых частях зерна. Вытесненный материал мгновенно затвердевает. При этом существует несколько зон затвердевания (рис.4):

— в момент вытеснения материала {зона I), с образованием рваных краев наплывов по краям риски.

- непосредственно после вытеснения материала (зона II), с образованием сливной стружки.

- через некоторое время после вытеснения (зона III) с образованием стружек в форме шаров, полых изнутри.

- затвердевание при химическом взаимодействии с окружающей средой (зона IV) с образованием искр.

Рис. 4. Зоны затвердевания стружки

В третьей главе исследуется влияние формы зерна и его ориентации в связке на процесс микрорезания. При контакте зерна с заготовкой, с течением времени изменяется толщина снимаемого слоя припуска. Рассматривая режущий инструмент как геометрическое место точек, принадлежащих вращающейся окружности с перемещающимся центром в направлении продольной подачи была

определена мгновенная величина заглубления зерна в течение одного акта взаимодействия с обрабатываемым материалом:

Я.Н*,) , „

—-(3)

й=-

Рис. 5. Изменение угла Ро по мере заглубления абразивного зерна

Я{1±ек) 5 где (р0 - угол, образованный отрезками, соединяющими вершины двух зерен, последовательно вступающих в зону контакта, с центром абразивного круга; К - расстояние от центра круга до вершины зерна; е9 и еЛ - величины, учитывающие погрешности расположения зерен, а также смещение зерен относительно друг друга вдоль оси круга; со - угловая скорость вращения инструмента (рад/с); 5 — скорость подачи; Г - время, за момент времени 1=0 принят момент начала взаимодействия зерна и заготовки, то есть самое первое касание.

По мере заглубления режущей части абразивного зерна, меняется положение крайней точки контакта А (рис. 5).

Меняется также величина угла р0, образованного нормалью к поверхности зерна в крайней точке контакта и поверхностью обрабатываемого материала. Угол р0 оказывает существенное влияние на условия стружкообразования при шлифовании. Его величина, в зависимости от величины погружения режущей части в материал, определена для случая зерна в форме эллипсоида вращения, ось которого наклонена к радиусу круга под углом <р (рис. 6). Мгновенное значение угла /?0:

Д, =аге1% -

Рис. 6. Определение мгновенного значения угла р0

\2'

(4)

где гА^((р,И,а,Ь).

По мере внедрения абразивного зерна в обрабатываемый материал, изменяются условия стружкообразования. На рис.7 показаны результаты решения по формуле (3) для случая Н=100мм, со=100рад/с, У=0,02м/с, <р„=5°, ея=0,01, с9=±0,5.

Диапазон возможных значений величины И имеет широкий разброс (на рисунке показан в виде заштрихованной области), обусловленный случайным характером рас-

положения зерен на рабочей поверхности круга. В любой произвольный момент времени зерно может быть заглублено на величину из диапазона [/^^ЛЛш/'Д Если процесс стружкообразования осуществляется при глубине Ир, то при данных режимах

обработки часть зерен, внедренных на глубину /¡£[й/,;/г„ш/|',)] будет осуществлять съем стружки. Другая часть, для которой И€[И„ип(1);И,\ - только пластически деформировать материал. Очевидно, что сужение области разброса значений И позволит поставить абразивные зерна в одинаковые условия эксплуатации. Что, в свою очередь, повысит эффективность использования инструмента, а также позволит с большей точностью прогнозировать возникающие при шлифовании усилия и качество получаемой поверхности. Способами сужения области й являются: упорядо-

ЫI. ,'[ЮО

амМ;

Л

Л \ Л \

\

V

\ V-

\ Кг-3

Рис. 7. Мгновенная величина заглубления зерна

ченное расположение зерен на рабочей поверхности круга; уменьшение разновысот-ности зерен; уменьшение погрешностей е,р и сд. Последнее возможно путем: повышения точности взаимного расположения зерен; применения абразивных кругов большего диаметра; уменьшения зернистости абразивного инструмента.

Еще один путь повышения эффективности использования инструмента заключается в увеличении количества режущих зерен путем снижения уровня начала резания Ир. Это можно осуществить двумя способами. Первый, заключается в повышении скорости резания, улучшая условия накопления энергии. Второй предполагает использование формы и ориентации зерна в связке, путем минимизации угла

На рис.8 представлены графики изменения угла /?0 за время одного контакта с обрабатываемым материалом зерна в форме эллипсоида вращения для различных значений коэффициента формы Кф=а/в при <р=0.

В начальный момент взаимодействия угол р0 равняется 90° для всех случаев. В дальнейшем его значение уменьшается, причем характер уменьшения зависит от Кф. Началу процесса резания будет соответствовать определенное значение /?;„ которое, по мере внедрения режущей части в материал будет достигнуто раньше для случая большего К,р (в рассматриваемом примере это случай К,¡=6). Считается, что начало резания начинается при глубине внедрения Ыр~0,2. В этом случае, для шара (Кф=1), по рис. 8 получаем ^54°. Это будет началом процесса стружкообразования. Причем для всех значений Кф. Можно сделать вывод, что наибольшей эффективностью обладает зерно вытянутой формы, причем ориентация его большей оси должна осуществ-

0.1 0,2 0,3 0,4 0.5 0.6 0,7 0,8 0.9

Рис. 8. Изменение угла р0 в зависимости от Л для случая <р=0

ляться по радиусу абразивного круга.

Для определения наилучшего наклона зерна к линии, соединяющей его центр с центром круга, получены графики, показывающие как изменяется функция р0(И) при различных значениях угла (р (рис. 9). При <р>0, увеличение данного

80

70

60 А-

50 40 30 20 10 О

угла приводит к смещению начала процесса резания в сторону большей глубины внедрения зерна. При определенном значении достигается самое неблагоприятное положение с точки зрения начала стружкообразования. Дальнейшее увеличение угла, приводит к уменьшению начальной глубины резания. При значениях <р<0 уменьшение угла <р до определенного значения приводит к смещению начальной глубины резания в сторону меньших значений. Дальнейшее уменьшение угла наклона зерна вызывает ухудшение условий начала стружкообразования.

На рис. 10, для случая Кф-3, показана зависимость от угла <р величины заглубления зерна, при которой начинается процесс резания. Существует область рациональных значений угла <р, в пределах которой, его изменение практически не сказывается на начальной глубине резания, и соответствует наиболее благоприятным условиям обработки. Для случая Кф=3 и рр=54°, данной области примерно соответствуют значения <рС[-60°;0°]. На рис.10 показаны также случаи Рр=70° и рр=80°, соответствующие большей скорости обработки V. При увеличении V область рациональных значений угла <р расширяется. То есть при высоких значениях V форма поверхности и ориентация зерна сказываются в меньшей степени на начало процесса стружкообразования. Поэтому можно ожидать, что влияние формы зерна при высоких скоростях будет менее значительным, чем при низких.

Рис. 10. Зависимость критерия стружкообразования от угла ориентации <р абразивного зерна с поверхностью в форме эллипсоида вращения (Кф=3)

а) б)

Рис. 9. Изменение углар0 в зависимости от И (Кф=3): а) <р>0; б) <р<0.

С увеличением коэффициента формы изменяются в сторону увеличения амплитудные значения кривой —(<р). При отрицательных значениях угла <р, график

а

приближается к оси абсцисс. При положительных наблюдается резкое отклонение в противоположную сторону, что означает увеличение начальной глубины резания. При уменьшении величины Кф, разброс значений функции снижается, и график приближается к прямой линии, соответствующей случаю Кф=1. То есть случаю обработки абразивным зерном в форме шара. В то же время, значение Кф практически не сказывается на диапазоне рациональных значений угла <р.

Для каждого значения угла <р существует критическая глубина резания, когда Ро=0. При Ро<0, стружка будет отводится не в боковые стороны от зерна, а в сторону центра абразивного круга и вдавливаться в связку инструмента. Поэтому необходимо ограничится положительными значениями угла /70- На рис. 11 показано, как изменяется критическая глубина резания в зависимости от величины угла <р для случая а/Ь=3. Из графика видно, что максимум глубины резания приходится на положительные значения. В области минимальных значений наблюдается снижение критической глубины внедрения зерна. Поэтому при проектировании инструмента нужно придерживаться верхней части области рациональных значений угла <р. Дня случая, показанного

на рисунке, это примерно соответствует интервалу [-20°;0°].

На рис. 12 представлена одна из возможных схем укладки зерен в пресс-форму при создании абразивного круга с ориентированным зерном. В пресс-форму классифицированное зерно подается по вибролотку, в котором происходит ориентация абразивных частиц. Вращательное движение формы и поступательное лотка позволяет путем послойной укладки получить круг требуемого качества. Связку предполагается наносить также послойно поверх слоя зерен.

круга с ориентированным зерном

Рис. 11. Критическое значение критерия стружкообразования (Кф=3)

В четвертой главе приведены результаты промышленных исследований абразивных кругов с зерном различной форы (Л",/,=1-1,4, Кф= 1,4-2,2, Кф=2,2-3,0, Кф=2,2-3,0-ориентированные). На волжском абразивном заводе, в лаборатории ВИСТех и на предприятии ОАО «ВПЗ» были проведены испытания экспериментальных кругов ПП 100x20x20. В качестве абразивного материала использовалось классифицированное зерно нормального электрокорунда 14А40,14А50,14А63.

В результате исследования влияния формы абразивного зерна на коэффициент шлифования, интенсивность съема материала и износ кругов, были получены следующие результаты:

1 Экспериментально подтверждены качественные теоретические выводы, полученные в главах 2 и 3:

- эффективность шлифования повышается (увеличивается коэффициент шлифования Кш и интенсивность съема материала), в случае если значение угла /?0 между нормалью к поверхности зерна в крайней точке контакта с обрабатываемым материалом (рис. 2) достигается при меньшей глубине по мере внедрения зерна в обрабатываемый материал;

- износ абразивного инструмента уменьшается, в случае если значение Д?, по мере внедрения зерна в обрабатываемый материал, достигается при меньшей глубине;

- абразивный круг с неориентированными зернами неизометричной формы имеет эксплуатационные показатели, хуже, чем обычные, причем, чем больше не-изометричность, тем больше разница в показателях;

- для использования преимуществ зерен удлиненной формы необходима их ориентация при изготовлении абразивного инструмента.

2 Использование абразивных кругов с ориентированным классифицированным зерном с коэффициентом Кф=2,2-3,0 позволяет увеличить коэффициент шлифования в 1,2-1,4 раза по сравнению кругами /^=1,0-1,4. Или, по сравнению с обычными кругами, в 1,7-2 раза

3 Экспериментально получены количественные показатели, подтверждающие, что сужение области D (рис. 7), характеризующей погрешность расположения зерен в связке, ведет к повышению эксплуатационных характеристик абразивного инструмента:

- при использовании шлифовальных кругов, изготовленных из зерна с коэффициентом формы #0=1,0-1,4, по сравнению с обычными кругами:

1) количество правок уменьшается в 1,5-2 раза;

2) повышается стойкость абразивного инструмента на 20-25% (стойкость круга до полного износа увеличивается в некоторых случаях в 2 раза);

3) при изменении коэффициента формы зерна, без его ориентирования, о Кф= 1,0 до Кф=3,0 (что соответствует расширению области D (рис. 7)) коэффициент шлифования уменьшается в 1,15- 2,74 раза, интенсивность съема металла уменьшается в 1,3-1,5 раза;

- при использовании шлифовальных кругов 14А40 вместо кругов 14А63 (что соответствует уменьшению области D (рис. 3.4)):

1) коэффициент шлифования увеличивается в 1,2-2,84 раза;

2) линейный износ уменьшается в 2,0-2,5 раза.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. На основе лучевых методов теории распространения и рассеяния волн построена математическая модель взаимодействия абразивного зерна и обрабаты-

ваемого материала, позволяющая на качественном уровне оценить процессы, происходящие в зоне обработки. В результате анализа модели в среде для имитационного моделирования установлено:

- при высокоскоростном шлифовании в обрабатываемом материале непосредственно перед зерном происходит накопление энергии, обуславливающее переход материала из твердого состояния в пластическое;

-при шлифовании, накоплению энергии способствуют следующие факторы:

- увеличение скорости резания;

- пластичность материала (чем материал пластичнее, тем условия для накопления энергии лучше);

- уменьшение величины угла между нормалью к поверхности зерна в крайней точке контакта и поверхностью материала (на практике это осуществляется увеличением глубины внедрения абразивного зерна в обрабатываемый материал);

- высокие скорости взаимодействия инструмента и обрабатываемого материала приводят к усиленному отводу из зоны взаимодействия сообщаемой заготовке энергии. Так как ее может оказаться недостаточно для осуществления пластического деформирования материала, то возможно появление эффектов неустойчивости при микрорезании.

- как следствие, дано объяснение эффектам, полученным экспериментальным путем. Это:

- уменьшение составляющих Ру и Рг силы резания при увеличении скорости резания, причем тангенциальная составляющая должна уменьшаться более интенсивно;

- уменьшение начальной глубины стружкообразования при увеличении скорости резания;

- появление эффекта неустойчивости при высоких скоростях шлифования.

2. Описан механизм стружкообразования при высокоскоростном шлифовании. Получено объяснение форм стружек, образуемых во время обработки, в зависимости от момента затвердевания:

- рваные края наплывов образуются при затвердевании материала в момент вытеснения;

- сливная стружка образуется при затвердевании материала непосредственно после вытеснения;

- при затвердевании материала по прошествии некоторого времени после вытеснения, наблюдается диспергирование стружки и сворачивание частиц в полые шары.

3. Для увеличения количества режущих зерен, необходимо:

- снижение диапазона возможных значений мгновенной величины заглубления зерен путем их упорядоченного расположения на поверхности инструмента;

- увеличение скорости резания;

- уменьшение угла между нормалью к поверхности зерна в крайней точке контакта и поверхностью обрабатываемого материала, что осуществляется путем применения зерна рациональной формы и его ориентации в связке инструмента.

4. Для случая зерна в форме эллипсоида вращения, наклоненного под углом <р осью вращения к линии, соединяющей его центр с центром круга, определена величина угла р0 (угла между нормалью к поверхности зерна в крайней точке кон-

такта и поверхностью обрабатываемого материала) в зависимости от глубины внедрения абразива. В этом случае, для начала ускорения процесса стружкообра зования в течение единичного акта микрорезания, необходимо, чтобы:

- коэффициент формы зерна был максимальновозможным;

- величина наклона большей полуоси эллипса (рис. 3.3) находилась в рацио нальном диапазоне. Например, для случая эллипса с Кф=3, это примерно соответствует интервалу от -20° до 0°.

Так, использование абразивных кругов с ориентированным классифициро ванным зерном с коэффициентом Кф=2,2-3,0 позволяет увеличить коэффициен шлифования в 1,2 - 1,4 раза по сравнению кругами /Q,=l,0-1,4. Или, по сравне нию с обычными кругами, в 1,7 - 2 раза.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах: Публикации в центральных изданиях, включенных в перечень периодических из даний ВАК:

1. Кадильников, A.B. Модель взаимодействия абразивного зерна и обрабаты ваемого материала при шлифовании. Схема стружкообразования / В.М. Шумя чер, A.B. Кадильников // Технология машиностроения. - 2007. - №4. - С. 18-21.

2. Кадильников, A.B. Влияние формы поверхности шлифовального круга и ори ентации абразивного зерна в связке на начало процесса стружкообразования / Шумя чер В.М., Кадильников A.B. // Технология машиностроения. -2007. -№5. - С.29-33.

Публикации в других изданиях:

3. Кадильников, A.B. Модель взаимодействия абразивного зерна и обрабаты ваемого материала при шлифовании / A.B. Кадильников, В.М. Шумячер // Сб. на уч. тр. XXV Российская школа по проблемам науки и технологий. — Екатерин бург: УрО РАН, 2005. - С.203-205.

4. Кадильников, A.B. Влияние скорости взаимодействия абразивного зерна обрабатываемого материала на механизм стружкообразования / A.B. Кадильников, В.М. Шумячер // Процессы абразивной обработки, абразивные инструменты и материалы. Шлифабразив - 2006: сб. ст. Междунар. науч.-техн. конф. - Волжский: ВИСТех (филиал) ВолгГАСУ, 2006. - С.148-152.

5. Кадильников, A.B. Влияние формы абразивного зерна и его ориентации в связке на процесс стружкообразования / A.B. Кадильников, В.М. Шумячер // Про цессы абразивной обработки, абразивные инструменты и материалы. Шлифабразив - 2006: сб. ст. Междунар. науч.-техн. конф. - Волжский: ВИСТех (филиал ВолгГАСУ, 2006. - С. 152-156.

6. Кадильников, A.B. Изменение глубины внедрения абразивного зерна в об рабатываемый материал в течение одного контакта / A.B. Кадильников, В.М. Шумячер // Процессы абразивной обработки, абразивные инструменты и материалы. Шлифабразив - 2006: сб. ст. Междунар. науч.-техн. конф. — Волжский: ВИСТе (филиал) ВолгГАСУ, 2006. - С.156-158.

Подписано в печать 20.09.2010г. Формат 60 х 84 1/16 Гарнитура Times New Roman. Бумага Union Prints. Печать трафаретная.

Усл. печ. л. 1,16. Уч.-изд.л.1,25. Тираж 100 экз.

Волжский институт строительства и технологий (филиал) Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета, 404111, г. Волжский, пр. Ленина 72