Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Процесс шлифования и качество обработанной поверхности на современном этапе 15
1.1. Особенности шлифования деталей из труднообрабатываемых материалов, склонных к образованию тепловых дефектов 17
1.2. Некоторые проблемы шлифования деталей из материалов, склонных к образованию тепловых дефектов 21
1.3. Пути повышения эффективности применения шлифовального инструмента при обработке материалов, склонных к образованию тепловых дефектов 33
ГЛАВА 2. Методика моделирования процесса шлифования деталей из материалов, склонных к образованию тепловых дефектов
2.1. Элементы и связи сложной системы «процесс шлифования деталей из материалов, склонных к образованию тепловых дефектов» 52
2.2. Целевая функция, критериальные оценки и ограничения при моделировании системы «процесс шлифования» 57
2.3. Обобщенная математическая модель процесса шлифования 64
ГЛАВА 3. Процессы образования стружки при алмазном шлифовании материалов, склонных к образованию тепловых дефектов
3.1. Упруго - пластическая модель деформации стружки 77
3.2. Пределы изменения скоростей шлифования алмазным кругом 87
3.3. Напряженное полупространство как модель шлифования единичными зернами абразива 95
3.4. Обобщенная модель стружкообразования в упруго - пластической стадии
процесса 105
ГЛАВА 4. Ударно - волновая модель процесса шлифования материалов, склонных к образованию тепловых дефектов
4.1. Принцип Сен -Венана в моделировании поля напряжений и деформаций стружки под действием ударных нагрузок 111
4.2. Принципиальная схема хода упруго - пластической деформации стружки в процессе шлифования 132
4.3. Процессы упругих деформаций в зоне шлифования 140
4.4. Собственные и вынужденные колебания системы «станок - инструмент -режущее зерно - стружка - деталь» 150
ГЛАВА 5. Термодинамические процессы в зоне резания алмазным шлифовальным кругом
5.1. Пластическое сжатие в зоне врезания абразивного зерна 163
5.2 Температура в зоне резания 172
5.3 Построение модели процесса шлифования по«методу Фурье 179
5.4 Модифицированный метод Карл ел оу - Сипайлова в решении задачи построения температурного поля в зоне алмазного шлифования при принудительной подаче СОТС 191
ГЛАВА 6. Гидродинамические процессы в зоне резания алмазным шлифовальным кругом
6.1. Кавитация в потоке СОТС в зоне резания 202
6.2 Процесс микровыхлопа СОТС при шлифовании 216
6.3 Параметры сферического точечного взрыва - «микровыхлопа СОТС (обратная задача Коши) 225
6.4 Очистка от стружки перфорированных шлифовальных кругов с принудительной подачей СОТС 242
ГЛАВА 7. Практика определения реальных параметров процесса шлифования с использованием математических' моделей и экспериментальных данных .
7.1. Формализация техпроцесса шлифования материалов, склонных к образованию тепловых дефектов по показаниям виброустойчивости 253
7.2 Оценка термодинамической модели процесса шлифования для одного абразивного зерна 275
7.3 Влияние СОТС на термодинамические и энергетические процессы в зоне резания и на очистку инструмента от продуктов шлифования 294
7.4 Формирование свойств поверхностного слоя деталей из материалов, склонных к образованию тепловых дефектов 309
Выводы 327
Заключение 329
Список использованной литературы 332
Приложение
- Некоторые проблемы шлифования деталей из материалов, склонных к образованию тепловых дефектов
- Целевая функция, критериальные оценки и ограничения при моделировании системы «процесс шлифования»
- Пределы изменения скоростей шлифования алмазным кругом
- Принципиальная схема хода упруго - пластической деформации стружки в процессе шлифования
Введение к работе
Энергетикой развития современной техники является необходимость резкого повышения показателей качества выпускаемых машин и приборов. Количество требований к качеству продукции непрерывно растет - таковы условия рыночной экономики. Наличие острейшей конкуренции в сбыте одноименных по назначению изделий требует от предприятий - изготовителей не только повышать их износостойкость, долговечность бесперебойной работы, точность и качество исполнения процессов функционирования и их экономичность по энергозатратам в условиях эксплуатации покупателем, но и обеспечивать достаточно низкую себестоимость их производства. В масштабах страны комплекс требований предприятий способствует ускоренному развитию отраслей науки и техники, обеспечивающих разработку, проектирование и изготовление требуемых изделий на базе применения более точных теоретических исследований, применения новейших технологий обработки материалов и сборки узлов. Очевидно, что упомянутый комплекс требований предприятий в полной мере требует усовершенствования технологий финишной обработки деталей машин и приборов. Результаты финишных операций окончательно ,определяют качественные характеристики изделий. Как известно, основная часть финишных операций - это шлифовальные работы различных видов - обдирочное, глубинное, тонкое, доводочное и т.д. шлифование. Процесс развития техники базируется на применении новых материалов. Это, как правило, конструкционные легированные стали и специальные сплавы на базе титана, вольфрама, никеля, алюминия и даже драгоценных материалов - платины, золота, серебра. Большинство из этих материалов относятся к классу так называемых «труднообрабатываемых». Классификацию труднообрабатываемых металлических материалов проводят по различным признакам: по термостойкости, вязкости, прочности, по взаимодействию с режущим инструментом, по склонности к химическим реакциям с внешней средой (СОТС, воздух, химический состав абразива). Необходимо отметить важнейшие проблемы обработки таких материалов -невозможность получения поверхностей обработки заданного качества по точности, чистоте, химико-физическому состоянию или слишком низкая производительность при применении существующих технологий шлифования, склонность материала к образованию тепловых дефектов. На практике известно немало случаев, когда вновь созданные материалы с прекрасными эксплуатационными свойствами длительное время не могли быть использованы в промышленности из-за отсутствия инструмента для их обработки [191, 200].
Поведение абразивного инструмента при .шлифовании этих материалов различно. При шлифовании сплавов на основе никеля и титана происходит быстрое «засаливание» абразивных кругов. Рабочая поверхность покрывается слоем налипшего металла, резание прекращается, заменяясь усиленным трением.
Большую опасность представляют прижоги шлифованной поверхности, появляющиеся сравнительно быстро в связи с интенсивным затуплением кругов. Применение более мягких кругов здесь не спасает положение, так как при этом нельзя обеспечить ни высокой производительности, ни высокой точности в связи с быстрым осыпанием инструмента. Поэтому особую роль играют методы улучшения шлифования этих материалов путем активизации абразивного инструмента. Методы активизации основаны на использовании специфики многокомпонентного строения шлифовального круга.
И сейчас остаются актуальными задачи дальнейшего развития технологии механической обработки таких материалов и особенно разработка новых режущих инструментов [212] с более высокими показателями по производительности, износостойкости и по качеству, получаемых в процессе обработки, поверхностей любой конфигурации.
Прогресс в технологии [212] механической обработки достигается вследствие изобретательности и опыта, логического мышления и настойчивого труда многих тысяч практических работников и ученых, связанных с производством машин \и приборов современного уровня. Однако какими бы компетентными они ни были, немного найдется мастеров, технологов или ученых, занятых в этой области, кто бы не понимал, что они смогут решать возникающие перед ними проблемы только в случае, когда они будут обладать глубокими знаниями о процессах, возникающих в зоне шлифования и на абразивной поверхности инструмента. Именно происходящие процессы в малом объеме обрабатываемого материала вокруг режущей кромки зерна абразива определяют качественные показатели работы шлифовального круга, качественные показатели обработанной поверхности и обрабатываемость самого материала детали. Как правило, зона резания почти недоступна для наблюдения - малые размеры, движущиеся массы СОТС, высокие температуры. Однако современные методы л измерительные комплексы позволяют, где реально, а где и косвенно получать данные о характере напряжений, температуры, пластических деформациях и хрупком разрушении на поверхности контакта абразива с обрабатываемым материалом. На основе этих данных в этой работе сделана попытка формализовать теоретические модели технологических процессов обработки и шлифовального инструмента, которые легко реализовать в реальные, причем оптимальным образом, на производстве непосредственно.
Концепция развития инструмента для финишной обработки (шлифовальных кругов различных конструкций) - включает в себя не только применение новых абразивов (эльбор, синт. алмаз), но и создание условий, например, охлаждения специальными смазывающее - охлаждающими технологическими средами (далее СОТС), непосредственную подачу ее в зону резания, генерацию процессов вибраций и их гашения, создание условий возникновения упрочнения обрабатываемой поверхности с недопущением прижогов от высоких температур при обработке и т.д.
Этим проблемам посвящены работы известных ученых: Н.И. Богомолова, Л.А. Глейзера, Г.Б. Лурье, Е.Н. Маслова, А.Н. Резникова, П.И. Ящерицина, А.В. Якимова, Д.Г. Евсеева, С.Н. Корчака, В.И. Островского, С.А. Попова, Э.В. Рыжова, С.С. Силина, В.А. Сипайлова, Л.Н. Филимонова, В.А. Хрулькова, Л.В. Худобина, Е.П.Калинина и др.; и созданы научные основы процесса шлифования, разработаны технологические методы абразивной обработки, которые широко и успешно применяются в различных отраслях машиностроения. Результаты внедрения рекрмендаций этих ученых на предприятиях убедительно показали широкие возможности процессов шлифования по обеспечению высокой производительности при улучшении качества деталей машиц.
Шлифование характеризуется высокой теплонапряженностью, что является причиной появления дефектов. Достижения последних лет в области снижения теплонапряженности процессов шлифования не ірешают в полной мере проблемы высокопроизводительного бездефектного шлифования деталей из материалов, склонных к образованию тепловых дефектов, что является одним из факторов, сдерживающих эффективность обработки.
В этой связи разработка научных основ создания технологических процессов интенсивного бездефектного шлифования на базе не только применения методов ; совершенствования существующих, но и новых технических решений представляет собой научно - техническую проблему, имеющую важное народнохозяйственное значение, решение которой в масштабах страны позволит получить значительный экономический эффект как в сфере производства, так и в сфере применения продукции машиностроения.
В свете этих задач автором поставлена цель: разработка математических моделей полей напряжений и деформации, теплонапряженности и распределения температур, динамики очистки инструмента от засаливания по результатам исследования процесса шлифования деталей из материалов, склонных к образованию тепловых дефектов (титановые сплавы - ВТО, ВТ6, ВТ14, сталь - ШХ15, 9ХС, 12X18Н9Т), для построения эффективного по производительности и качеству получаемой поверхности технологического процесса с использованием новых, эффективных инструментов с подачей СОТС непосредственно в зону резания.
Влияние геометрических характеристик круга, динамических и тепловых 12, деформационных процессов, гидродинамических явлений в зоне резания исследовались с целью формализации близких к реальным математических моделей процессов финишной, обработки. Математические .модели динамики резания использовались для построения прогрессивных технологий получения изделий заданного качества. Разработаны новые виды перфорированных шлифовальных кругов, » методы генерирования или учета вибрационных нагрузок, методы использования гидродинамических процессов в СОТС в зоне резания для очистки инструмента и удаления стружки - т.е. практически расширены технологические возможности бездефектного шлифования разнообразных поверхностей.
Практическая ценность работы заключается в увеличении стойкости абразивного инструмента, повышении производительности труда, улучшении показателей качества обработанных поверхностей и, самое главное, в возможности бездефектного шлифования деталей из материалов, склонных к образованию тепловых дефектов. Полученные результаты позволяют разработать технологический процесс шлифования поверхностей данных материалов, обеспечивающий выполнение требований большого, числа критериев качества и" экономических показателей для деталей сложных технических систем.
Исследования, результаты .которых изложены в диссертации, проводились в соответствии с программой научно - исследовательских работ и грантов ВФ ИжГТУ и ИжГТУ.
Разработанные на основе проведенных исследований рекомендации переданы и приняты рядом предприятий Удмуртской республики.
Основные положения диссертации докладывались на международных, республиканской, межвузовских конференциях и семинарах. Основное содержание работы опубликовано в 35 работах.
Диссертация содержит введение, 7 глав, заключение и 7 приложений: в главе 1 проведен анализ проблем шлифования деталей из материалов, склонных к образованию тепловых дефектов; во второй главе приведена методика моделирования процесса шлифования деталей из материалов, склонных к образованию тепловых! дефектов; в третьей главе проведены исследования стружкообразования; в четвертой главе представлены исследования процессов шлифования деталей из материалов, склонных к образованию тепловых дефектов с позиции ударно - волнового характера режущих сил; в пятой главе разработана термодинамическая модель шлифования алмазным кругом -стандартным и перфорированным; в шестой главе разработана гидродинамическая модель взаимодействия потока СОТС с деталью, инструментом и стружкой; в главе 7 рассмотрены вопросы формирования оптимальных техпроцессов шлифования деталей из материалов, склонных к образованию тепловых дефектов по разработанным математическим моделям и экспериментальным данным; в приложении 1 приведены таблицы расчетных и экспериментальных данных по ряду частных разработанных моделей процесса шлифования; в приложении 2 приведены программы оптимизации технологических процессов шлифования титановых сплавов; в приложении 3 приведены экспериментальные данные по определению температуры в зоне резания одним зерном абразива (алмаз, эльбор); в приложении 4 приведены данные по определению сил , резания при обработке специальными и стандартными шлифовальными кругами титановых сплавов; в приложении 5 приведены экспериментальные данные по определению сил резания в зоне шлифования одним зерном абразива (алмаз, эльбор); в приложении 6 приведены осциллограммы давлений СОТС в зоне шлифования стандартными и специальными алмазными шлифовальными кругами; в приложении 7 приведены данные по определению энергии выхлопа по режимам и температурам в зоне резания (алмаз, эльбор).
Некоторые проблемы шлифования деталей из материалов, склонных к образованию тепловых дефектов
Эксплуатационные свойства и надежность работы деталей летательных аппаратов и других сложных систем [33, 37, 64, 91, 112, 115] зависят от качества контактируемых в процессе функционирования друг с другом поверхностей. С этих поверхностей начинается износ деталей, на них же в ходе обработки происходят процессы зарождения усталостных трещин, коррозии, а сопрягаемые поверхности должны обеспечить плотность соединений и прочность посадок.
Наличие на контактирующих поверхностях деталей неровностей (таких как вырывы, надиры, налипы, микроотклонения и высокая шероховатость) приводит к их прерывистому контакту, что является причиной возникновения больших контактных деформаций - пластических течений с нарушением целостности поверхностей из-за микрокоррозии.
Другими словами - проблемы шлифования любого материала определяются требованиями научно - технического уровня машин и приборовк качеству функционирующих в контакте поверхностей их деталей. Этипроблемы появляются при применении традиционных методов обработкистандартным инструментом. Действительно, традиционный процесс шлифования обладает рядом недостатков, вызванных непрерывными динамическими изменениями условий взаимодействия инструмента с обрабатываемым материалом в зоне резания, которые в целом характеризуют нестабильность процесса обработки во времени. Например, разрушающие воздействия теплового и силового полей на инструмент, что приводит к нерациональному использованию его ресурса и к ухудшению качества поверхностного слоя обрабатываемой детали. Интенсивность отмеченных процессов зависит от свойств формообразующего инструмента, свойств технологической системы и условий обработки, и особенно проявляется при шлифовании деталей из материалов, склонных к образованию тепловых дефектов [27, 101, 107, 147, 181, 206].
Широко используемые в инструментальном производстве высоколегированные быстрорежущие стали, имеют в своем составе карбидообразующие элементы, такие как ванадий и молибден, которые способствуют образованию в этих сталях карбидов, имеющих твердость, близкую к твердости обычных абразивов, что приводит к значительным трудностям при их обработке шлифованием.
При алмазном шлифовании титановых сплавов [74, ПО, 122], в отличии от обработки закаленных сталей, время контакта зерна с металлом не оказывает существенного влияния на изнашивание кругов. Это свидетельствует о том, что изнашивание алмазных! зерен при взаимодействии с титаном определяется не только температурой в зоне резания, но и зависит от физико-механических свойств сплавов. В то же время, как показали исследования, проведенные Мишнаевским Л.Л. и Крыловым В.В. [96], Саютиным Г.И. [183], Пташниковым B.C. [126], и нами [129, 174, 175], износ кругов из эльбора при обработке титановых сплавов более чем в 3...5 раз превышает износ алмазных.
Кстати, период стойкости кругов настолько мал, что затраты времени на их правку доходят до 60 -70% от общих затрат на операцию. Износ рабочей части абразивных кругов при правке составляет 6(Н95% от общего износа. И возникает обычная проблема нехватки инструментов - коэффициент полезного использования абразивных кругов очень низок: 0,05-Ю,5 [94]. Проблема стойкости инструмента остается актуальной и в настоящее время.
Для шлифования материалов на основе титана важное значение приобретает правильный выбор абразивного материала шлифовальных кругов [8, 13, 23, 81, 86, 128, 219]. Так Г.И. Саютин [180] провел оценку способности абразивных материалов сначала по результатам исследований физико-механических свойств единичных зерен, а затем по показателям шлифования. Для исследования были использованы следующие абразивные материалы: электрокорунд (хромистый и циркониевый), спеченный корунд, монокорунд, карбид кремния, спеченный кубический нитрид бора, баллас и синтетический алмаз. В результате проведенной работы им было установлено, что основным видом изнашивания абразивных материалов в паре трения с титановым сплавом является адгезионно - усталостный износ. Кроме того, оказалось, что корунд при шлифовании титановых сплавов, особенно при высокой скорости круга, обладает крайне низкой износостойкостью вследствии его химической активности к титану. Аналогичные явления наблюдаются и при обработке титана монокорундом и карбидом кремния [23].
Указанная проблема объясняет то, что исследования процессов шлифования деталей из материалов, склонных к образованию тепловых дефектов алмазными кругами направлены в основном на изучение расходов алмаза, шероховатости поверхности, сил резания, остаточных напряжений и температур в зависимости от режимов обработки и характеристики инструмента. В работах [27,29, 34, 42, 50, 54, 66, 70, 76, 80, 92, 116, 133, 134, 135, 246] считается, что увеличение скорости продольной подачи и глубины резания приводит к возрастанию производительности шлифования, уменьшению расхода алмазов и увеличению шероховатости обрабатываемой поверхности. С увеличением скорости вращения круга, наоборот, уменьшаются
Например, при шлифовании титановых сплавов активно поглощается из атмосферы водород, кислород и азот [211]. Фазовый состав поверхностного слоя меняется в сторону увеличения а - фазы, количество а - фазы не возрастает из-за кратковременности нагрева.В поверхностных слоях деталей возникают большие напряжения растяжения [62, ПО, ,111, . 177], существенно влияющие на механические характеристики деталей, и тем самым на надежность работы всей системы конструкции. Исследования, проведенные Сулимой A.M. и Евстигнеевым М.И. [37] показали, что главными причинами появления остаточных напряжений при шлифовании является неоднородность пластической деформации и локальный характер нагрева поверхностного слоя, а при наличии структурных повреждений разность объемов возникающих фаз.
Так как износ алмазных кругов при шлифовании титановых сплавов в значительной степени определяется адгезионными явлениями, одним из средств уменьшения износа кругов и повышения их работоспособности является использование СОТС. Это позволяет при высоких температурах, возникающих при контакте зерна с металлом, экранировать поверхность
Целевая функция, критериальные оценки и ограничения при моделировании системы «процесс шлифования»
В основу математического моделирования системы «процесс шлифования»положены принципы многокритериальной оптимизации [166 - 172]. Тип моделиопределяется целевой функцией, а конечный результат - степеньюприближения поля значений целевой функции к величинам элементов векторакритериев оптимальности, причем, разброс значений этих критериев изтребований практики определяется лицом, принимающим решение (ЛПР) ввиде взаимного компромисса.. Как правило, параметрами системы «процесс шлифования» могут выбираться конструктивные характеристики инструмента (диаметры, габариты, размеры абразивных зерен, наличие и форма пазов и отверстий и т.д.); характеристики режимов резания (глубина резания, силы резания, скорости подачи и окружная); физические характеристики состояния стружки, СОТС, материала обрабатываемой детали, элементов инструмента и самого станка (плотность, температура, теплопроводность, виброчастоты, действующие напряжения и т.д.); экономические показатели (стоимость, окупаемость, производительность и т.д.); показатели качества (шероховатость поверхности, точность обработки, отсутствие прижогов и т.д.). Целевая функция зависит абсолютно от всех параметров, но какая-то часть параметров играет роль независимых переменных - обозначим их (xj, х 2,) , часть параметров задается в , виде постоянных значений - это конструкторско -технологические константы. Они входят в целевую функцию в виде размерных величин {CLI, а.2...), а некоторые из них формализуют вектор критериев оптимальности:
Здесь Кх,Кг,...,Кк- наилучшие значения выбранных параметров в реальной модели системы «процесс шлифования», которые и называются критериями оптимальности.
Естественно ожидать, наличие многофакторных связей критериев оптимальности с остальными параметрами. Наша задача - формализовать эти связи на базе экспериментальных данных с помощью методов математического моделирования - в виде аналитических функций, или графиков, или матриц В качестве критериев оптимальности на практике принимается: производительность .обработки, качество обработанной поверхности (шероховатость, отсутствие прижогов и вырывов), износостойкость инструмента, степень очистки режущей поверхности от продуктов шлифования, недопущение резонанса сил, стоимость необходимого специального инструмента, себестоимость продукции.
Критерий производительности обработки (мм /сек) представляем в виде:где VOKp и V„ - окружная и скорость подачи, b - ширина режущего зерна, пзерен -число режущих абразивных зерен в зоне резания, hcmp - средняя толщинастружки, срезаемая одним зерном.
В работе [103] толщина стружки определяется по формулегде AH - расстояние между вершинами соседних режущих зерен, R - радиус шлифовального круга, t - глубина резания, Т - время прохода зерном расстояния между абразивными зернами /. Нами предложена (глава 3) следующая формула для определения максимальной толщины стружки hc:
Шероховатость обработанной поверхности нами определена как величина остаточных высот микронеровностей после прохода зоны резания одним оборотом шлифовального круга, а именно:где р, - центральный угол по окружности инструмента с дугой, равной /. В случае задания величины шероховатости [у] критерием оптимальности являетсятребование у0 [у].
Пластические вырывы на практике ограничиваются или глубиной следа, или массой вырванных крупиц. Считая в первом приближении вырывы полусферическими по форме, получаем следующее уравнение для определения возможного радиуса вырыва:где р - плотность материала детали, g - ускорение силы тяжести, тв -временное сопротивление на разрыв материала детали при нормальной температуре а уи9 - при температуре, в в зоне резания. Если подкоренноевыражение в (2.2.6) отрицательное, то вырывы не появляются, т.е. за критерий оптимальности по пластическим вырывам можно принять гвыр [у].
Прижоги при шлифовании недопустимы., Они зависят от температур
Пределы изменения скоростей шлифования алмазным кругом
Структура абразивной поверхности шлифовального круга позволяет утверждать, что в зоне резания в процесс шлифования одновременно включаются несколько алмазных зерен. Пусть средние значения расстояний / между двумя соседними зернами по осевому сечению круга и средняя высота выступания а над связкой и ширина Ъ зерен, как и геометрические параметры круга известны. Тогда процесс резания каждым зерном связан условиями:а) максимальная толщина снимаемой стружки не должна превышатьвеличину а;б) максимальный объем снимаемой стружки не должен превышатьвеличины произведения а- Ъ- I.
Это геометрические условия. Линия АД - близка к прямой. Далее будет показано, что по этой линии идет в основном пластическое сжатие обрабатываемого материала по закону плоского остроугольного клина. Вполне вероятно, что так называемое «всплывание». круга есть результат прохождения именно этой деформации пластического сжатия, а не «эффект клина» СОТС. А усиление «всплывания» и увеличение расхода СОТС является результатом более мощного процесса охлаждения снимаемой стружки и обрабатываемой поверхности, так как охлаждение повышает плотность слоя текучести, и инструмент набегает, по сути дела, на жесткий клин из обрабатываемого материала. На рисунке 3.2.1 показан первый проход абразивного зерна - процесс врезания. Очевидно, что вслед за врезавшимся зерном N1 через AT (время поворота круга на дугу, равную расстоянию между зернами /) начнет врезание следующее зерно. Как показано на рис. 3.2.2 каждое зерно снимает свой слой (переменный по сечению) стружки. Пусть в резании по глубине t участвуют одновременно п зерен, т.е. промежутков будет (п - 1) штука. Значит длина линии резания L =l-(n-\)+V;, -Т для каждого зерна. Но, как видно из рис. 3.2.2, каждое зерноимеет свою полосу, которую характеризуют величины: длина
Тогда становится очевидным, что толщина стружки в этом случае будет меньше hc из (3.2.7). Эксперименты показывают, что разбег выступаниярежущих зерен при больших скоростях резания не превышает 8 - 10% от максимального выступа, поэтому считаем правильным определять производительность по наиболее вероятному случаю резания - случай, представленный на рис. 3.2.2.
По толщине срезаемой стружки ограничением является размер выступания зерна над связкой а, т.е.
Условие (3.2.9) будем называть первым условием совместности при выборе значений скоростей V„ и V0Kp и глубина резания t для конкретного шлифовального круга (с заданными а, Ь, l,R).
Межзерновое пространство имеет объем AW равный (пренебрегая Вторым условием совместности при выборе Vn Уокр и t для шлифованиябудем называть (
Интересно, что решая (3.2.9) и (3.2.12) как систему уравнений - равенствполучим, что для t ——- скорости Vn и V0Kp могут быть любыми по величине.R + /Такие глубины резания очень малы для кругов с радиусами больше 10 мм (длякруга с R= 10 мм. 0,008 мм. - 8 микрон). Условия (3.2.9) и (3.2.12) связываюттри независимые переменные - это Vn ,V0Kp и t (круг конкретен - а, Ъ, I, R заданы). Это позволяет выбирать данные переменные в широком диапазоне.
Заметим, что по (3.2.11) объем стружки не зависит от радиуса шлифовальногокруга R, но очевидно, что R t должно быть всегда.
Условия совместности., определяют спектр выбора Vn Уокр и t дляобеспечения максимальной производительности процесса шлифования ипозволяют определить высоту (шероховатость) гребешков на обработаннойДействительно, из рис. 3.2.2 видно, что последующее зерну N1 зерно N/Т(последнее зерно по окружности шлифовального круга) за время п-\
Принципиальная схема хода упруго - пластической деформации стружки в процессе шлифования
Пусть срезается стружка прямоугольного сечения, и схема резания представлена в виде (рис. 4.1.1, рис. 4.1.2) - удар режущей кромки по стержню, закрепленному с трех сторон.Этот элемент получается при резании одним зерном с заданной (постоянной) скоростью v и силой (от крутящего момента на вращающемся инструменте) Pz.
Согласно построенной в параграфе 4.1 ударно - волновой модели процесса течения деформации стружки-стержня длиной L, ход деформации должен быть следующим. В начальный момент удара (врезания) инструмента по длине Lпробегает волна сжатия со скоростью с= — (со скоростью звука, а привозникновении пластических зон скорость с значительно уменьшается), врезультате чего на поверхностях abb\a\, add\a\, Ьссф\ и в поперечном сеченииabed возникают максимальные касательные г и нормальные а напряжения.
Срезаемый материал деформируется, причем идет упругая и пластическаядеформация одновременно - последняя в тонком слое по линии среза стружкии сдвига ее по поверхности режущего зерна. Прямая ударная волна (сжатие)всю длину L пройдет за время:на что потребуется времени (считаем, что скорость и обратной волны равна с -этот остаток стружки считаем, что находится в упругом состоянии):
Увеличение ударной силы вызывает увеличение и касательных, и нормальных напряжений. При реализации процесса резания эти напряжения должны превышать допускаемые для обрабатываемого материала! В упругой стадии считаем, что температура может повышаться только в условиях достаточно высокой частоты изменения величин упругих деформаций за единицу времени (из-за пульсации сил резания). В этом случае ожидать больших остаточных деформаций не следует.
Слой АТобр очень тонок, по его границам появляются пластические зоныеще меньшей толщины и в условиях повышения температуры резания эти слои играют роль вязких демпферов для ударных сил Р2. К тому же возврат ударной волны от свободного торца a\b\C\d\, только увеличивает величину дальнейшей деформации первого и какого-то числа последующих слоев стержня. Возникает вязкий процесс деформации, что уменьшает сопротивление материала детали действию ударных сид до ноля (идет скольжение по размягченному слою). Тогда напряжения по всем граням и сечениям исчезают (превращаются в 0).
Это первый этап удара режущей поверхности. В этом случае относительная скорость режущей поверхности к стружке равна нолю - стружка движется с зерном с одной скоростью, и сила Pz исчезает. Режущий инструмент продолжает двигаться со скоростью v до врезания абразивного зерна в следующий не размягченный слой обрабатываемой поверхности, тогда происходит второй удар, затем третий и т.д. до полного снятия всей стружки и все с одной и той же величиной ударной силы Pz. Эксперимент подтверждает эти виды и, как показано в [212] процесс снятия стружки создает интенсивные зоны текучести материала детали по контактному сечению (рис. 4.2.2) 02 и 07, по сечениям вертикальных боковых граней (012 и параллельную ей с другой стороны режущего элемента), а, также, по некоторой кривой 01.
В работе Е.М. Трента [212] утверждается, что толщина слоя текучести Ат по всем линиям действия максимальных касательных и нормальных напряжений одинаковая, и зависит от скорости прохождения упругой деформации. Кроме того, делается вывод, что возникновение этих слоев происходит после окончания упругого сжатия абразивным зерном стружки между ними.
Поэтому,-считаем что элемент стружки 80129 при действии ударной нагрузки Р2 со скоростью v испытывает сначала упругую деформацию, которая создает фронт ударной волны, движущийся по образцу со скоростью с и сжимающий образец по всей длине L, затем пластическую деформацию по линиям действия максимальных напряжений, что и создает слои текучести. По этим слоям происходит сдвиг и дальнейшая деформация элемента 80129 - и при наличии высоких температур возможен автоматический отпуск упругого напряженного состояния. Таким образом, можно считать, что при наличии высоких температур объем пластической деформации, по крайней мере, равен или больше по величине объема упругой. В результате этого элемент 80129 принимает форму 0165432 (рис. 4.2.2) - упрощенно форма сдвинутоготреугольника.. Над линией 016 возникает зона упрочнения материала (для металлов) - наклеп. Наклеп образуется в процессе хода упругой деформации и одновременного нагрева стружки до достаточно высоких температур.
Пластические деформации резко уменьшают ударную нагрузку, во-первых, за счет того, что скорость удара и значительно меньше, чем скорость ударной волны с и во-вторых, пластическая деформация идет на образование новой формы 0165432 сжимаемого элемента с выделением тепла.
Другими словами, податливость материала 8 в процессе удара резко уменьшается до некоторой 8min, позволяющей идти процессу упрочнения материала. При уменьшении нагрузки исчезают условия образования зон текучести и пластической деформации. Упругое состояние в зоне текучестивосстанавливается до какой-то степени за промежуток времени АТ11б Т — , чтосоздает возможность возникновения следующей ударной нагрузки (довосстановления структуры материала в зонах сдвига относительная скорость,как мы указывали ранее, равна1 нолю). Таким образом, происходит следующийудар той же силой Pz с той же скоростью v. Процесс повторяется, но возникаютновые явления - колебательный процесс системы СПИД.
Этот процесс вызывается импульсами ударной нагрузки и имеет характер вынужденных продольные колебания системы деталь - станок - инструмент. Фронт ударной волны (импульса силы Pz со скоростью и) при наложении на фронт волны продольных " колебаний приведет, естественно, к резкому увеличению ударной нагрузки, т.е. к некоторому суммарному импульсу.
