Введение к работе
Актуальность темы
В настоящее время 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, так как создается случайным образом при дроблении абразива. Между тем каждое зерно имеет индивидуальную форму и вследствие хаотического расположения в связк, обладает индивидуальными режущими свойствами. При взаимодействии зерна с обрабатываемым материалом последнему сообщается энергия в виде нагрева и пластической деформации. Рассеяние энергии в приповерхностных объемах должно влиять на эффективность шлифования. Характер рассеяния энергии определяется параметрами взаимодействия, в том числе скоростью резания, наклоном поверхности зерна в точке контакта к поверхности обрабатываемого материала.
В работах А.К. Байкалова, В.И. Островского, Л.Н. Филимонова исследовано влияние скорости резания на начальную глубину съема металла при шлифовании. В работе Н.В. Байдаковой получены некоторые экспериментальные данные эффективности шлифования (коэффициент шлифования, износ) кругами из зерен с различным коэффициентом формы. В то же время на микроуровне не раскрыт механизм взаимодействия зерна с обрабатываемым материалом. Не изучено влияние формы абразивных частиц на энергетику процесса. До сих пор нет четкого объяснения тому факту, что шлифование является адиабатическим процессом. Не описан механизм стружкообразования, объясняющий появление различных форм стружек (например, в форме полых шаров). Солидный запас для повышения эффективности шлифования, заключенный в правильном применении геометрических параметров зерна, остается неиспользованным.
Целью диссертационной работы является повышение эксплуатационных свойств абразивных кругов на основе исследования процесса стружкообразования при шлифовании.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Построение математической модели, описывающей механизм взаимодействия абразивного зерна и обрабатываемого материала на микроуровне.
2. Построение схемы стружкообразования при шлифовании.
3. Исследование влияния формы и ориентации зерна на начальную глубину стружкообразования при его заглублении в материал заготовки.
Методы и средства исследования
Теоретические исследования выполнялись с использованием методов теории резания, материаловедения, теории распространения и рассеяния волн, теории проникания. Вычисления в процессе исследований, а также численная и графическая обработка результатов проводились на ЭВМ с применением математического аппарата прикладных программ. Экспериментальные исследования выполнены в лабораторных и производственных условиях в Волжском институте строительства и технологий (филиале) ВолгГАСУ и ООО «ИНВАБ».
Научная новизна работы:
1. На основе лучевых методов теории распространения и рассеяния волн разработана математическая модель, описывающая на микроуровне механизм взаимодействия зерна и обрабатываемого материала, позволяющий определить влияние параметров геометрической формы абразивных частиц и скорости резания на энергетические процессы, происходящие в приповерхностных объемах материала.
2. Построена схема стружкообразования при шлифовании, описывающая процесс формирования различных форм стружек и позволяющая объяснить механизм резания кромкой абразивного зерна с углом резания больше 900.
3. Установлено влияние коэффициента формы и ориентации абразивного зерна на момент начала стружкоотделения при микрорезании, что позволяет на стадии изготовления абразивного круга повысить эффективность использования геометрических параметров режущих частиц.
Положения, выносимые на защиту:
1. Математическая модель взаимодействия абразивного зерна с обрабатываемым материалом при шлифовании и результаты моделирования на ЭВМ.
2. Схема стружкообразования при шлифовании.
3. Результаты исследования влияния формы зерна и его ориентации в связке на начальную стадию процесса стружкообразования.
4 Результаты испытаний абразивных кругов из зерна с коэффициентами формы КФЄ(1,0; 1,4), КФЄ(1,4; 2,2), КФЄ(2,2; 3,0) и ориентированного зерна КФЄ(2,2; 3,0).
Достоверность научных положений, рекомендаций и выводов подтверждается применением экспериментально обоснованных научных теорий для математического моделирования процесса стружкообразования; использованием 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 и реализация
Предложена модель стружкообразования при шлифовании и определены факторы, влияющие на начало съема металла в течение одного акта микрорезания. Разработаны рекомендации, позволяющие на стадии изготовления абразивного инструмента, оперируя параметрами «форма зерна» и «ориентация зерна в связке инструмента», от 1,7 до 2,0 раз увеличивать коэффициент шлифования. Разработаны две схемы послойной укладки в пресс-форму классифицированных по форме, ориентированных абразивных частиц.
Апробация работы
Работа в полном объеме была представлена на расширенном заседании кафедры «Конструирование и компьютерное моделирование технологического оборудования в машино- и приборостроении» ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.» (2012 г.); расширенном заседании кафедры «Технология машиностроения» ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный технический университет» (2010 г.). Основные положения работы докладывались и обсуждались на международных научно-технических конференциях «Шлифабразив: Процессы абразивной обработки, абразивные инструменты и материалы» (Волжский, 2004-2011), научно-технических семинарах кафедры «Технологии обработки и производства материалов» ГОУ ВПО «Волжский институт строительства и технологий (филиал) Волгоградского архитектурно-строительного университета».
Публикации
По результатам диссертационной работы опубликовано 7 печатных работ, из них 3 в ведущих научных журналах, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объём работы
Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка использованной литературы. Диссертация изложена на 178 страницах, иллюстрирована 76 рисунками. Список литературы включает 151 наименование.
