Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Металл-композитные слоистые системы в машиностроении и проблема их финишной обработки 8
1.1. Слоистые системы на базе полимерно-композитных материалов в машиностроении 8
1.2. Промышленные полимерно-композитные материалы 14
1.3. Проблемы финишной обработки металл-композитных систем 20
1.4. Математическое моделирование процессов при финишной обработке металл-композитных слоистых систем 24
1.4.1. Математическое моделирование напряженного состояния слоистой системы при шлифовании 24
1.4.2. Математические модели теплофизики шлифования 28
1.4.3. Управление процессом 33
1.5. Выводы, рабочая гипотеза, цель и задачи исследования 34
Глава 2. Анализ напряженного состояния металл-композитной системы при шлифовании 37
2.1. Постановка задачи 37
2.2. Решение методом конечных элементов 41
2.2.1. Формализация задачи для пакета ANSYS
2.2.2. Анализ исходных данных 46
2.2.3. Форма представления результатов расчета 49
2.3. Результаты расчета 50
2.3.1. Оценка работоспособности расчетной модели 50
2.3.2. Поля напряжений в слоистой системе при шлифовании
2.4. Влияние условий шлифования и свойств слоистой системы на нагруженность полимерно-композитного слоя
2.5. Выводы 72
Глава 3. Теплофизика шлифования слоистых систем 73
3.1. Математическая модель температурного поля слоистой системы при шлифовании 73
3.2. Компьютерная реализация математической модели температурного поля 84
3.3. Работоспособность математической модели температурного поля... 85
3.3.1. Проверка сопрягаемости математической модели с классическими решениями 85
3.3.2. Прямая экспериментальная оценка 88
3.3.2.1. Методика проведения эксперимента 88
3.3.2.2. Результаты эксперимента 90
3.3.2.3. Сопрягаемость экспериментальных и расчетных температур 91
3.4. Анализ характера температурного поля в металл-композитной системе 96
3.4.1. Исходные данные 96
3.4.2. Температурное поле на первых двух оборотах 98
3.4.3. Температурное поле в цикле шлифования 101
3.4.4. Влияние технологической жидкости на температурное поле 103
3.4.5. Температурные поля при шлифовании ремонтных металл-композитных систем 106
3.5. Влияние конструкции металл-композитной системы и условий шлифования на критериальные температуры ПО
3.5.1. Влияние мощности теплового источника 110
3.5.2 Влияние длительности цикла шлифования 112
3.5.3. Влияние конструкции металл-композитной системы 114
3.6. Выводы 116
Глава 4. Расчет бездефектных режимов шлифования металл-композитных систем 119
4.1. Методический подход к назначению бездефектных режимов шлифования металл-композитных систем 119
4.1.1. Дополнительные технологические ограничения 119
4.1.1.1. Ограничений по предельным напряжениям 120
4.1.1.2. Ограничение по температуростойкости ПКМ 120
4.1.1.3. Ограничение по предельным напряжениям с учетом температуры 121
4.1.1.4. Ограничение по предельной температуре рабочего слоя 121
4.1.2. Активность дополнительных ограничений 122
4.1.2.1. Ограничение по предельной температуре в слое ПКМ 122
4.1.2.2. Ограничение по температуре шлифуемой поверхности 125
4.1.2.3. Ограничение по предельным напряжениям с учетом температур полимерно-композитного слоя 127
4.2. Управление режимами шлифования для обеспечения бездефектности 129
4.2.1. Снижение мощности шлифования
4.2.2. Ступенчатые и прерывистые циклы 133
4.2.3. Схема проектирования прерывистого цикла шлифования 136
4.3. Экспериментальная проверка бездефектных режимов шлифования металл-композитных систем 138
4.4. Выводы 141
Глава 5. Практическое использование полученных результатов
5.1. Инженерная методика расчета бездефектных режимов шлифования металл-композитных систем 142
5.1.1. Поправка на подачу в нормативном цикле 142
5.1.2. Проектирование прерывистого цикла шлифования
5.2. Эффективность шлифования трехслойных металл-композитных систем 147
5.3. Внедрение результатов работы 151
5.4. Выводы 153
Заключение (общие выводы по работе) 154
Литература
- Математическое моделирование напряженного состояния слоистой системы при шлифовании
- Анализ исходных данных
- Проверка сопрягаемости математической модели с классическими решениями
- Ограничение по предельным напряжениям с учетом температур полимерно-композитного слоя
Введение к работе
Актуальность. Слоистые металл-композитные системы - конструкции из слоев металлов и полимерно-композитных материалов - применяются в наукоемких, так называемых высоких технологиях: космическое машиностроение, авиа- и ракетостроение. Эти системы нашли применение в конструкциях подшипниковых узлов, при создании неподвижных соединений и і .д. Выпускается даже специальная группа полимерно-композитных материалов - фиксаторы. Эти материалы рассчитаны на передачу определенного крутяшего момента, и соединение на их базе обеспечивает одновременно и функцию предохранительной муфты. Фиксаторы заменяют посадки с натягом, резьбовые соединения, шпоночные и т.д.
Широкое применение во всех отраслях промышленности, и в первую очередь в металлургии, энергетике, транспорте, горнодобывающих и нефтегазовых отраслях, металл-композитные системы нашли в ремонтных полимерно-композитных технологиях.
Применение полимерно-композитных материалов является радикальным направлением в технологиях восстановления, ремонта и профилактики износа рабочих поверхностей деталей машин. Принципиальным преимуществом полимерно-композитных технологий является простота их реализации. Ремонтные полимерно-композитные материалы (ПКМ) в технологическом состоянии представляют собой пастообразный или жидкий продукт, что обусловливает простоту технологического процесса их нанесения на ремонтируемую поверхность. Полимеризация же, после которой они приобретают конечные свойства, происходит в естественных условиях, не требуя нагрева, создания давления и т. д. Практическое отсутствие усадки после полимеризации обеспечивает высокие точностные показатели восстановленной поверхности и минимальный припуск на финишную обработку. В настоящее время сформировался ряд специализированных предприятий по ремонту и восстановлению рабочих поверхностей с использованием ПКМ.
Зарубежная и отечественная промышленность к настоящему времени освоила выпуск широкую номенклатуру ремонтных ПКМ (свыше 400 марок).
Анализ ремонтных полимерно-композитных технологий, выполненных в специализированных ремонтных организациях Уральского региона и Москвы, показал, что в 75% случаев ремонтов с применением металл-композитных систем в качестве финишной обработки применяется шлифование.
Процесс шлифования сопряжен с силовым и тепловым воздействием на заготовку. Практика показывает, что шлифование металл-композитных систем приводит к целому ряду специфических дефектов (прожоги шлифуемой поверхности, прижоги слоя ПКМ, разрушение целостности слоистой системы). Для исключения появления дефектов в металл-композитной системе при шлифовании на производстве шлифование ведется на заведомо заниженных режимах путем подбора их вручную в процессе шлифованияг
БЛИОТЕКА і
_____—«j» А
Таким образом, практика производства требует повышения эффективности шлифования металл-композитных систем и разработки рекомендаций по назначению бездефектных режимов их обработки.
Цель. Повышение эффективности бездефектного шлифования металл-композитных систем.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи.
-
Разработать модель напряженного состояния металл-композитной системы при шлифовании ее рабочего слоя;
-
Разработать модель температурного поля металл-композитной системы при шлифовании ее рабочего слоя;
-
Установить связи между показателями полей напряжений и температурного поля, режимами шлифования и дефектами металл-композитной системы;
4 Разработать рекомендации по назначению эффективных бездефектных режимов шлифования металл-композитных систем
Научная новизна
1. Установлено, что при шлифовании металлического рабочего слоя металл-композитной системы по режимам, рекомендуемым нормативами для металлов, происходит появление дефектов в виде прижогов шлифуемой поверхности, прижогов в слое ПКМ, разрушения монолитности системы.
-
Разработана математическая модель напряженного состояния металл-композитной системы при шлифовании, на основе которой выявлены зависимости напряжений в слое ПКМ от технологических условий обработки и конструкции системы.
-
Разработана математическая модель температурного поля металл-композитной системы при шлифовании, где впервые учтено, как охлаждающее, так и смазывающее действие технологической жидкости. В результате на базе модели:
выявлено влияние слоистости на характер температурного поля;
установлено что температурное поле в металл-композитной системе при шлифовании необходимо рассматривать во всем цикле шлифования;
выявлены критериальные температуры, которые определяют возникновение тепловых дефектов шлифования в металл-композитной системе;
установлены зависимости критериальных температур от условий обработки и конструкции системы.
4 Предложена система ограничений на режимы по качеству.
предельная температура шлифуемой поверхности;
предельная температура на внешней границе слое ПКМ;
сие гема ограничений по несущей способности слоя ПКМ;
снижение несущей способности слоя ПКМ при нагреве.
Практическая ценность
-
Рассчитаны напряжения в слое ПКМ металл-композитной системы для типовых конструкций, номенклатуры промышленных ПКМ в диапазоне нагрузок режимов шлифования, которые сведены в альбом (720 полей напряжений).
-
Разработан программный модуль TEMSS, который позволяет рассчитать все характеристики температурного поля в слоях металл-композитной системы в зависимости от конструкции системы, свойств материалов её слоев, режимов шлифования и времени шлифования.
-
Разработаны инженерные методики назначения бездефектных режимов шлифования:
снижение подачи до уровня обеспечения бездефектности шлифования металл-композитной системы;
прерывистый цикл шлифования.
Внедрение результатов работы
-
Разработан руководящий технический материал (РТМ) «Шлифование металл-композитных систем», внедренный на ряде промышленных предприятий Уральского per иона- ОАО «НПО «Композит», ООО «Обион», ООО «ЧИЗ» (г. Челябинск). ОАО «ЗМЗ» (г. Златоуст).
-
Разработаны карты неполного штучного времени на шлифование ^етапл-композитчых систем, включенные в «Межотраслевые нормативы времени на ремонт оборудования с использованием полимерно-композитных материалов». Нормативы утверждены Научно-методическим Советом Центрального бюро нормативов по труду Министерства труда и социального развития РФ и сданы в печать
Апробация работы. Основные положения работы докладывались на научно-технических конференциях в ЮУрГУ (2000, 2001, 2004 гг.), международной конференции (г. Баку — 2005 г ). Результаты работы прошли промышленную апробацию.
Публикации по теме. По теме работы опубликовано 8 печатных работ в виде научных статей.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы (133 наименования) и четырех приложений. Работа изложена на 156 страницах машинописного текста, включает 76 рисунков и 29 таблиц.
Математическое моделирование напряженного состояния слоистой системы при шлифовании
Практика показала, что традиционные рекомендации по шлифованию металлов, в том числе и общемашиностроительные нормативы, для металл-композитных систем не применимы. В производстве при шлифовании трехслойных металл-композитных систем режимы обработки подбираются вручную. Обработка ведется на весьма заниженных режимах и, тем не менее, нередко появление брака.
В слоистых металл-композитных системах при финишной обработке шлифуется слой металла, однако то обстоятельство, что этот слой находится на слое ПКМ, радикальным образом меняет как характер теплофизических процессов, так и напряженное состояние шлифуемой детали. Поэтому для разработки научно-обоснованных рекомендаций по шлифованию металл-композитных систем необходима разработка математических моделей напряженного состояния и температурных полей в этой системе при шлифовании, учитывающих физику проходящих при этом процессов.
Напряженное состояние металл-композитной системы при шлифовании формируется в результате силового воздействия на неё шлифовального круга. Интенсивность этого воздействия в технологии машиностроения характеризуется составляющими силы резания Ру и Pz, которые представляют собой распределенную нагрузку, приложенную на дуге контакта.
Длина дуги контакта при работе по нормативным режимам составляет і для круглого наружного шлифования 0, 4 ... 1,5 мм [49]. Для усилий шлифования, указанных в п. 1.3, интенсивность радиальной нагрузки ру составит порядка 400 МПа/мм , что значительно превышает предельно-допустимую нагрузку для большинства ПКМ (см. табл. 1.7). Приведенный пример показывает, что при формировании слоистых систем необходим расчет на несущую способность. Фирмой "Loctite", специализирующейся на производстве клеев для металлов, предлагается следующая модель расчета прочности клеевых соединений, которые фактически являются металл-композитной системой (см. табл. 1.1) [122, 84]: Т = Ш -&т - с)+(Р-»)}Л15] (1.1) где Т— предельный крутящий момент; d — номинальный диаметр соединения; / — длина клеевого соединения; ?В2 — статическая прочность ПКМ на сдвиг; fc — группа поправочных коэффициентов в зависимости от типа материала, зазора, посадки и.т.д.; Р — радиальное контактное давление; /л — действительный коэффициент трения. При помощи этой модели можно рассчитать предельный крутящий момент, который не разрушит слоистую систему, в том числе и при шлифовании. Однако при шлифовании, кроме силы Pz, которая формирует крутящий момент, действует и радиальная сила Ру, значения которой примерно в 3 раза больше, нежели Pz [49]. Формула (1.1) не учитывает влияние обеих этих сил и поэтому не может быть взята за основу для расчета предельного нагру-жения слоистой системы при шлифовании. Следует так же отметить, что эта формула работает для тонких слоев ПКМ. В полимерно-композитных технологиях слой ПКМ значительно толще (1-5 мм) и зачастую соизмерим с толщиной рабочего (нагружаемого) кольца. При соизмеримых толщинах рабочего и полимерно-композитного слоя необходимо рассматривать их совместное деформационное взаимодействие.
Поскольку модуль упругости полимерно-композитного слоя значительно меньше модуля упругости рабочего слоя (см. табл. 1.7), а толщина слоя ПКМ соизмерима с толщиной рабочего слоя металла, поведение слоистой системы под действием приложенной нагрузки весьма близко к поведению балки на упругом основании. Такое понимание механики силового взаимодействия слоев слоистой системы позволяет привлечь для анализа напряженного состояния теорию балок на упругом основании [77-79]. В этой же теории известны аналитические решения для перемещений бесконечной балки на упругом основании для различных видов нагрузки (табл. 1.8).
Из схемы перемещений (см. табл. 1.8) видна интересная особенность поведения балки на упругом основании — волновой характер ее прогибов. При поперечной нагрузке, прижимающей стержень к упругому основанию, существуют зоны за пределами приложения нагрузки, где возникают растягивающие отрывные напряжения. Как показано в п. 1.2, ПКМ весьма плохо работают на отрыв, поэтому эти зоны могут являться начальными очагами разрушения слоистой системы.
На практике балка имеет конечную длину. Для балок конечной длины на упругом основании также имеются аналитические решения. [77-79]. В табл. 1.9 приведены решения для частных случаев приложения нагрузки.
Анализ исходных данных
В расчетной схеме указана приложенная нагрузка, но не заданы реакции. Чтобы деформируемая система тел находилась в равновесии, необходимо задать полную систему сил. Так как при выбранной схеме шлифования заготовки, как правило, закрепляются в центрах, то условие равновесия обеспечивает реакция центров. Поэтому для закрепления в пространстве деформируемой системы задана окружность, определяющая контакт деформируемой системы с центром, на котором установлена шлифуемая система. Пренебрегая деформациями центров, поскольку интерес представляют только внутренние деформации в слоистой системе, задаем условия равновесия в виде фиксации в пространстве этой окружности.
Местом приложения нагрузки - составляющих сил резания - является дуга контакта круга с заготовкой (рис. 2.2), то есть приложенная нагрузка является распределенной. В среде ANSYS распределенная нагрузка задается дискретно по узлам решетки конечных элементов.
Учитывая, что в данной конструкции слабым элементом будет являться полимерно-композитный слой, при построении сетки конечных элементов целесообразно размеры элементов сделать нерегулярными. Разумно сделать элементы мелкими в рабочем слое и полимерно-композитном слое и увеличивающимися в основном слое по мере продвижения к центру. Общая схема разбиения металл-композитной системы на конечные элементы показана на рис. 2.4. Неравномерность сетки и её распределение по слоям деформируемой системы показаны на рис. 2.5.
Неравномерность сетки по слоям системы Учитывая реальное соотношение размеров шлифуемой заготовки и дуги контакта, выделим для приложения нагрузки 10 конечных элементов на поверхности деформируемой системы, то есть дугу контакта описываем десятью конечными элементами (рис. 2.6).
Сетка конечных элементов Узлы конечного элемента шлифования для диаметров заготовки 50... 160 мм и диаметра шлифовального круга 600 мм, длина дуги контакта составляет 0,7... 1,5 мм. Размеры элементов по длине окружности составляют 0,07...0,15 мм. Желательно, чтобы при разбиении на конечные элементы длина и ширина элементов были равны. С учетом этих условий ко личество элементов в модели будет составлять 25000...80000 единиц. Среда ANSYS 7.0 предъявляет достаточно жесткие требования к сетке конечных элементов - плоская конечно-элементная модель должна содержать не более 15000 элементов. Размеры элементов должны быть больше единичного зерна структуры материала, так как в противном случае придется учитывать анизо 45 тропию материала, и при этом снижается точность расчетов. Для конструкционных сталей размер зерна составляет порядка 0,05...0,08 мм, а это сопоставимо с размерами конечных элементов для нашей модели. В итоге получаем, что конечно-элементная модель, разработанная в строгом соответствии с реальной расчетной схемой, не может быть реализована в среде ANSYS 7.0. Поэтому необходимо упростить расчетную схему.
Распределенную нагрузку интенсивности рх ру можно заменить на точечно приложенные силы Рх и Ру. Местом приложения сил можно принять середину дуги контакта. Такая схема будет давать искажения напряженного поля непосредственно на дуге контакта и в её ближайшей окрестности. Однако представляет интерес, в первую очередь, напряженное состояние полимерно-композитного слоя, который отстоит от дуги контакта на расстоянии 3-8 мм, то есть, находится достаточно далеко от места приложения нагрузки. Поэтому можно ожидать, что эта упрощенная расчетная схема даст приемлемые искажения напряженного поля и при этом резко снизит требования к вычислительной системе.
Для оценки погрешности упрощенной расчетной схемы .необходимо провести сравнительный анализ полей напряжений, рассчитанных по обеим расчетным схемам. Поскольку наибольшие расхождения ожидаются в районе дуги контакта, для точной расчетной схемы, с целью обеспечения её возможности расчета в среде ANSYS 7.0, расчетная область ограничена сектором трехслойной системы.
Первичный расчет проходит по принятой схеме (см. рис. 2.3). Далее из этой схемы вырезается сектор с сохранением на границах выреза реакций отброшенной части системы и этот сектор нагружается распределенной нагрузкой по дуге контакта (рис.2.7). Металлическое кольцо
Для задания прочностных и деформационных характеристик нагружаемых материалов в пакете ANSYS 7.0 в качестве первичных параметров используются модуль упругости Е и коэффициент Пуассона v. Остальные характеристики, в соответствии с моделью, рассчитываются автоматически.
Решение поставленной задачи в среде ANSYS достаточно трудоемко, требует вычислительных ресурсов и наличия соответствующего программного обеспечения. Поскольку далеко не каждое машиностроительное предприятия имеет программное обеспечение ANSYS и ресурсы для его установки, было принято решение просчитать на ВЦ ЮУрГУ набор типовых конструкций металл-композитных систем и их нагрузок, достаточный для выявления основных закономерностей и разработки практических рекомендаций.
Для анализа напряженного состояния в построенной модели необходимо задаться исходными данными.
На основании анализа реальных металл-композитных систем, применяемых в ремонтных полимерно-композитных технологиях, выявлен типаж конструктивных параметров металл-композитных систем (табл. 2.1) [7, 11, 14, 15, 17, 32, 37,43, 55, 84, 118-133].
Проверка сопрягаемости математической модели с классическими решениями
Краевые условия. Теплоподвод и теплоотвод на левой границе первого слоя описывается следующим образом: в интервале времени t є [О; г] ставится краевое условие второго рода, т.е. задается тепловой поток интенсивностью q; в интервале времени t є [г; т] ставится краевое условие третьего рода, т.е. теплообмен тела с окружающей средой по закону Ньютона с коэффициентом теплоотвода а.
На границах стыков слоев задаем условия полного теплового контакта — равенство температур и теплопотоков, т.е. краевое условие четвертого рода.
В целом краевые условия для слоистой системы имеют вид: Таким образом, в одномерной схеме получаем задачу в виде системы трех уравнений теплопроводности и совокупностью краевых условий второго, третьего и четвертого рода, т.е. смешанную краевую задачу для системы уравнений (3.3 - 3.6). Известны классические методы решения подобной задачи в теории теплопроводности [12, 18, 25, 30, 35, 66, 99]. Для первого и второго участка, которые являются ограниченными отрезками, краевая задача решается методом Фурье, т.е. решение ищется в виде ряда, коэффициенты которого определяются из краевых условий. Для первого участка - это краевое условие второго и третьего рода на левом конце отрезка и краевое условие четвертого рода на правом. Для второго участка - это краевое условие четвертого рода на правом и левом концах. Для третьего участка, который является полубесконечным стрежнем, классическим является решение методом функции Грина. Решение ищется в интегральной форме для системы отраженных источников. Краевые условия (это условия четвертого рода на левом конце стержня) служат основой для нахождения коэффициентов на интенсивности отраженных источников.
Таким образом, объединяя все три участка, приходим к бесконечной системе уравнений относительно коэффициентов двух рядов и одного интегрального выражения.
Такая задача не имеет аналитического решения, и, в конечном итоге, решаться будет только численно, скорее всего алгоритмически, с применением информационных технологий. В этой ситуации целесообразно сразу же ставить задачу с ориентацией на компьютерные технологии, т.е. при самой постановке задачи учитывать применение численных методов решения. При ориентации на численные методы решения необходимо отойти от полубесконечной области задания геометрии и вернуться к конечному интервалу, то есть задать реальные геометрические размеры шлифуемой заготовки.
Поскольку численные методы в своей основе имеют разбиение области решаемого уравнения на некоторое дискретное подмножество (метод сеток, узлов, конечных элементов и.т.д.), целесообразно разбить область задания на п элементов, в каждом из которых определить свои значения теплофизиче-ских констант. Фактически это означает, что ставится задача для системы из п слоев. Задавая теплофизические константы одинаковыми для группы примыкающих слоев, можно сформировать слоистую систему из любого количества (меньшего п) слоев, включая и трехслойную. Условия сопряжения температурного поля между слоями задаем в соответствии с классической теорией теплопроводности краевыми условиями четвертого рода, то есть равенство температур и тепловых потоков слева и справа. На левом конце первого слоя, по аналогии с предыдущей постановкой, ставим совокупность условий второго и третьего рода, описывающих теплоподвод интенсивности q из зоны шлифования и теплоотвод интенсивности а в технологическую жидкость. Таким образом, отражены все краевые условия, которые были заданы при изначальной постановке задачи.
Мощности численных методов при ориентации на их использование в компьютерных технологиях позволяют усилить постановку задачи, добавив еще ряд дополнительных условий, повышающих информативность математической модели и обеспечивающих большую её адаптируемость к различным технологическим условиям.
Переход от полубесконечного стержня к конечному, в принципе обусловит некоторое повышение расчетной температуры, так как область нагрева резко сужается (из бесконечной становится конечной). Поэтому решения, полученные на конечной модели, могут не совпадать с классическими решениями теплофизики шлифования, построенными на полубесконечных моделях. Для сопряжения этих моделей вводим на правом конце стержня тепло-отвод интенсивности ав в глубину заготовки.
Одномерная постановка учитывает отвод тепла только вглубь стержня. В реальном процессе, поскольку зона шлифования по габаритам значительно меньше размеров заготовки, обязательно происходит теплоотвод тепла в направлениях, перпендикулярных глубине. Это явление в модели можно учесть, вводя отток тепла интенсивности v с боковой поверхности стержня. С учетом этих двух дополнительных условий получаем обобщенную постановку задачи, изначально ориентированную на численные алгоритмические методы решения (рис. 3.4).
Ограничение по предельным напряжениям с учетом температур полимерно-композитного слоя
Как показано в главе 3, шлифование металл-композитных систем на бесприжоговых режимах для монолитных деталей, рассчитанных по ОМН,» как правило, приводят к перегреву слоя ПКМ и внешнего металлического слоя. Поэтому для бездефектного шлифования металл-композитных систем необходимо изыскивать пути снижения максимальных температуру в зоне шлифования. Как следует из теплофизики шлифования, снижение температуры нагрева можно провести двумя путями: - снизить мощность теплового источника q; — увеличить интенсивность теплоотвода а. Второй путь предпочтительнее, поскольку он не приводит к потере производительности. Первый путь связан со снижением подачи, что приведет к потере производительности.
Рассмотрим возможности первого пути - управление за счет интенсивности теплоподвода q (мощности теплового источника).
Величина мощности теплового источника определяется мощностью шлифования N. Зависимость мощности шлифования от подачи задана в Общемашиностроительных нормативах [70] таблично (карта 5). Мощность теплового источника является удельной величиной, то есть отнесенной к единице площади теплоподвода: N BLa Знаменатель в выражении (4.5) тоже зависит от подачи, так как длина дуги контакта зависит от глубины врезания круга. Эта зависимость описыва ется известной формулой Е.И. Маслова [62]: їй = J— S .
Таким образом, зависимость мощности теплового источника от подачи при шлифовании выглядит следующим образом: q = — —, то есть определяется двумя факторами, зависящими от по-BLd (5) дачи S. Так как процесс шлифования является цикловым, следует обратить внимание на влияние времени действия теплового источника. Время цикла dD-s определяется как г = — = — . Снижение подачи приводит к уменьшению времени действия теплового источника на каждом обороте. Но, так как снимаемый припуск остается постоянным, со снижением подачи S увеличивается время цикла шлифования. В главе 3 показано, что температурное поле детали при шлифовании зависит и от времени шлифования. С увеличением времени шлифования увеличивается и температура.
Полученные коэффициенты влияния смазывающего действия техноло гических жидкостей (табл. 3.8) так же были учтены в расчетах температуры при снижении подачи (табл. 4.2).
Зависимости изменения критериальных температур от подачи для раз личных способов подачи технологической жидкости при шлифовании типовых металл-композитных систем приведены на рис. 4.10 и 4.11.
Зависимость критериальных температур от подачи для способа подачи технологической жидкости высоконапорной струей при шлифовании трех вариантов металл-композитной системы
Из рис. 4.10 - 4.11 видно, что с учетом смазывающего и охлаждающего действия технологической жидкости и снижения VSppi в некоторых случаях можно добиться снижения температуры в критериальных точках металл-композитной системы до предельных. При этом для ПКМ Chester molecular super и Devcon С-1 потеря производительности незначительна, а для металл-композитной системы с ПКМ Loctite 641 требуется снижение производительности от 2 до 5 раз.
В ряде случаев, как показано в п. 4.2.1, невозможно добиться беспри-жогового шлифования за счет снижения подачи. В этих случаях охлаждающее действие технологической жидкости не приводит к достаточному остыванию заготовки, и происходит накопление температуры в течение цикла. Так как температура является функцией от q и т, то для выхода из этой тупиковой ситуации необходимо более тщательно рассмотреть влияние времени нагрева на механизм формирования теплового поля.
Из табл. 4.1 видно, что снижение подачи в 5 раз приводит к снижению мощности теплового источника на 30%, но при этом происходит увеличение длительности цикла шлифования в 5 раз (из-за увеличения количества оборотов заготовки в цикле).
Уменьшить время можно и уменьшением припуска на шлифование, путем повышения точности базирования, повышения точности заготовки и.т.д. Это - вопросы организации технологического процесса.
Существует и второй путь - деление основного цикла на этапы с организацией выстоя (когда происходит охлаждение) между ними. Схема такого ступенчатого прерывистого цикла приведена на рис.4.12. t сек Рис.4.12. Ступенчатый прерывистый цикл шлифования
В процессе шлифования металл-композитных систем имеются две опасные точки — шлифуемая поверхность и слой ПКМ. Поэтому при определении момента начала выстоя будет использоваться любое ограничение (4.1 - 4.4), ставшее активным при шлифовании.
Время выстоя - это время остывания, за которое температура на шлифуемой поверхности и внешней границе слоя ПКМ упадет до уровня, при котором наложение температур за время следующего рабочего этапа цикла не привело бы к превышению температуры выше предельной на шлифуемой поверхности и внешней границе слоя ПКМ. Для определения времени выстоя необходимо учитывать-интенсивность охлаждения заготовки после отвода шлифовального круга (отключение теплового источника).
