Задать вопрос:





Статьи

Статьи>> Оптимизация скорости шлифования

Оптимизация скорости шлифования

Приведены материалы по оптимизации скорости шлифования, по минимизации зоны пластической деформации при обработке различных материалов.

Шлифование представляет собой процесс резания отдельными зернами, которые являются элементарными резцами с большими отрицательными передними углами, при этом срезается стружка малой толщины. Имеются данные по исследованию сверхскоростного процесса шлифования (более 100 м/с). При шлифовании в зоне резания формируются значительные напряжения, и металл находится в пластическом состоянии. Сказанное схематично представлено на рис. 1.

В начальный момент времени, когда зерно только касается обрабатываемой заготовки, упругие возмущения будут иметь скорость звука (упругая волна). Однако как только напряжения превысят предел пропорциональности обрабатываемого материала, возникают пластические деформации. В зоне пластических деформаций возмущения уже не будут передаваться упругой вол¬ной, а под воздействием инструмента будут перемещаться отдельные атомы и их блоки, входящие в кристаллическую решетку материала. Впереди абразивного зерна будет формироваться некоторая зона 1 пластически деформированных частиц.

Обозначим размеры этой зоны двумя параметрами: — длина, h — ширина, а их приращения соответственно через d, dh. Очевидно, что эти величины будут представлять собой на¬чальную скорость упругой волны за бесконечно малый промежуток времени di в определенном направлении

Рис.1 Схема микрорезания абразивным зерном

где С — скорость звука в обрабатываемом материале.

Если в последующий момент зерно получит дополнительное перемещение, то, очевидно, относительная деформация в этой зоне будет равна

Для внешнего контура пластической зоны , где i = 0,2, относительная деформация составит

где Е — модуль упругости обрабатываемого материала.

Объединяя эти выражения для относительной деформации, получим

и далее предположим, что скорость движения частиц внешнего контура пластической зоны будет соответствовать скорости пластической деформации

Очевидно, что скорость перемещения частиц материала в пластической зоне (впереди зерна), будет одинакова для любого сечения, лежащего в пределах площади l*h. В формуле (1) 0,2 представляет собой предел пропорциональности, определяемый обычно в опытах по растяжению специальных образцов. В принципе, полученная зона в "районе режущей кромки с достаточным прибли¬жением характеризуется объемным напряженным состоянием.

В общем виде контур этой зоны может быть определен из условий, что на ее границе интенсивность напряжений равна пределу текучести обрабатываемого материала, где интенсивность напряжений, выраженная через главные напряжений1,2,3, как известно, равна

Однако, по мере приближения к вершине зерна, интенсивность напряжений будет нарастать, достигая максимума у вершины. Обозначим ее среднюю текущую величину индексом i.

В связи с этим, несмотря на то что интенсивность напряжения i может значительно превосходить уровень 0,2 металл, особенно вблизи зерна, будет находиться в упругонапряженном состоянии. С увеличением скорости шлифования и, особенно, в момент, когда она будет уже приближаться к скорости распространения пластических деформаций vпл) объем зоны пластического деформирования уменьшается до зоны 2 и теоретически будет стремиться к нулю. Однако такая ситуация не достижима из-за того, что не весь объем зоны пластического деформирования будет находиться в упругонапряженном состоянии. Тем не менее, отмеченная зона будет формироваться и локально располагаться вблизи режущей кромки зерна, охватывая меньший объем обрабатываемого материала.

Как правило, величина 0,2 определяется при малых скоростях деформации. Известно, что с увеличением скорости деформации величина0,2заметно возрастает. Так, согласно работе И.А. Одинга при растяжении стали 30 со скоростью нарастания напряжения 15 Н/мм2 в секунду 0,2 = s = 255 Н/мм2 . С увеличением скорости де¬формации до 85 Н/мм2 в секунду предел текуче¬сти составил уже 305 Н/мм2 , т.е. вырос на 20 %. Поэтому использовать при расчетах справочные данные, по крайней мере, некорректно. Это одна из причин. Вторая связана с влиянием объемного напряженного состояния в зоне резания, о чем говорилось выше. В связи с этим закономерно возникает вопрос о величинах 0,2, которые с известным приближением могут быть использованы при расчетах скоростей пластических деформаций.

Как известно, к механическим характеристикам материалов, которые определяются испытанием образцов на разрыв, относятся: временное сопротивление B; предел пропорциональности0,2; относительное удлинение 8, %; относительное сжатие поперечного сечения Ψ, %. Все эти величины являются относительными.

В момент разрыва образцов в большинстве из них образуется шейка, сечение которой меньше исходного сечения образца. В момент разрушения образца истинные напряжения в шейке достигают величины, равной

Заслуживают внимания исследования С.Н. Корчака [1], который установил, что эквивалентные деформации при сжатии образцов и при шлифовании сопоставимы. Например, при шлифовании стали 30 величина усадки стружки составляла 2,0, что соответствовало условию сжатия образцов h0/h = 5,4. Следует отметить, что при сжатии образцов в их центральной части имеет место объемное напряженное состояние, поэтому в процессе шлифования доминирующими являются напряжения сжатия (-85 %).

С учетом вышеизложенного можно заключить, что в районе режущей кромки зерна при скоростях шлифования, близких к vпл, формируются напряжения, которые превосходят0,2, поэтому в формулу (1) вместо 0,2 необходимо подставить истинные напряжения i,. Эти напряжения с достаточным приближением могут быть определены на основании данных о временном сопротивле¬нии обрабатываемого материала, т.е. i — KB,тогда

где К = 100/100—Ψ.

Проанализируем влияние физико-механических характеристик образцов из стали 30 на скорость пластической деформации. Известно, что сталь 30 имеет B — 500 МПа; 0,2- 300 МПа;y = -50...54%;E= 2-Ю5 МПа; С-5000 м/с и К = = 2,0. ..2,2, при этом напряжение в момент разрушения составит i = 1000...1100 МПа. Тогда для стали 30 скорость шлифования, при которой пластическая зона будет минимальной, составит vш = vпл = 2-500-5000/2105 - 25 м/с. Л.Н. Филимоновым [2] проведены исследования процесса стружкообразования при шлифовании данной стали. Установлено, что при достижении определенной скорости шлифования непрерывная (сливная) стружка переходит в элементную, что приводит к хрупкому разрушению поверхностного слоя. Это явление сопровождается повышением качества поверхности и снижением ее шероховатости за счет уменьшения высоты наплывов hн при микрорезании отдельным зерном (см. рис. 1).

По данным [2] в зависимости от марки обрабатываемого материала, радиуса округления вершин зерен, толщины срезаемого слоя az и высоты наплывов шероховатость обработанной поверхности определяется по формуле

где Cz — коэффициент пропорциональности

В данной формуле первое слагаемое зависит от кинематики процесса шлифования, а второе — от деформационной составляющей процесса резания. Величина наплывов изменяет шероховатость поверхности в пределах 20...80 %. В то же время если принять, что рабочая поверхность круга обладает свойствами эргодичности, то через определенное число наложений возникает равновесный профиль высотой аz, тогда Сz =1

Таким образом, образование наплывов при шлифовании вследствие работы деформирующих зерен неизбежно. Для определения максимальной высоты наплывов приравняем площадь стружечной канавки Fстри площадь наплывов Fн. При этом площадь стружечной канавки Fстр = bzaz, где bz — ширина срезаемой стружки. Известно, что ширина bz связана с глубиной врезания az параболической зависимостью

тогда

В то же время если стружка не срезалась при работе зерна, то эта площадь перераспределилась в наплывы, образовавшиеся по сторонам риски. Для простоты расчетов примем, что такой наплыв имеет форму полукруга, тогда

Приравняем площади Fстр = Fн и выразим максимально возможную высоту наплыва

Расчеты по формуле (5) показывают, что hнmaxвсегда больше аz. Так, например, при az = 0,002 мм и рz = 0,02 мм, hнmax = 0,0067 мм, т.е. Rzmax= 0,002 + 0,0067 = 0,0087 мм или Ramax = 2,0 мкм. В реальных процессах, когда образуется стружка, высота наплывов всегда меньше hнmax, так как часть объема металла удаляется с поверхности заготовки.

Высота наплывов зависит от коэффициента выдавливания, который определялся при микрорезании единичным зерном с различными скоростями шлифования [2] по формуле

где Sл, Sл — площади наплывов по боковым сторонам риски соответственно слева и справа; Sp — площадь стружечной канавки. Исследования показали, что величина ен изменяется в широких пределах и зависит как от скорости резания, так и от твердости обрабатываемого материала. После обработки экспериментальных данных [3] была получена эмпирическая формула по расчету ен:

где εн.0 — коэффициент выдавливания, который зависит от физико-механических свойств обрабатываемого материала без учета температурно-скоростного фактора; Сн — эмпирический коэффициент, Сш = 0,01; |vш -vпл| — приращение скорости деформации по абсолютной величине.

Известно, что с увеличением твердости обрабатываемого материала его пластические свойства уменьшаются. Существует связь между интенсивностью напряжений при пластическом деформировании и твердостью деформированного материала. Поэтому величина ε характеризует степень пластичности данного материала и будет пропорциональна его твердости. Запишем условие пропорциональности:

где HV максимальная твердость материала по Виккерсу, при которой пластичность отсутствует (HVmax = 1220); HVм — твердость по Виккерсу обрабатываемого материала.

Таким образом, с учетом образования наплывов при шлифовании величина Rz будет рассчитываться по следующей формуле:

Предложенная формула включает кинематическую и деформационную составляющие высоты микронеровности. Данными расчетами можно пользоваться при обосновании выбора оптимальной скорости шлифования.

Пример. Определим оптимальную скорость обработки при внутреннем врезном шлифовании заготовки 075 из стали 30, 55 HRC (HVм = 630) абразивным кругом 163x16x40 24А 25 СМ1 6 К5. Зададимся условием, что отношение скорости шлифования к скорости заготовки v1 равно 50, а удельная производительность Qуд =100 мм2/мин.

Для зернистости 25 определяем радиус вершины зерна при еср = 98° [5]

где d0приведенный диаметр зерна.

Расчетные значения параметров процесса шлифования и высоты наплывов приведены в табл. 1

1. Данные расчета кинематической So и деформационной hн составляющих высоты микронеровностей поверхности при различных скоростях шлифования
№ п/п
vш,м/с
v1,м/мин
n1,мин
S1,мм/мин
S0,мм
1
10
12
50
0,42
0,0084
2
25
30
127
0,0033
0,0048
3
40
48
200
0,0021
0,0044
4
62
72
305
0,0014
0,0043
5
100
120
510
0,00082
0,0044
6
200
240
1020
0,00041
0,0046
2. Оптимальные скорости шлифования материалов
Материал
Состояние
,МПа
ш,%
К
i,МПа
vш=vпл,м/с
Сталь 30
Поставки
500
50
2,0
1000
25
Сталь 60
Поставки
650
26
1.35
878
22
У8
Поставки
800
14
1,16
930
23
20Х
Поставки
480
58
2,4
1150
29
30ХГСА
Закаленная
1600
5
1,05
1680
44
ЭИ643
Закаленная
2000
3
1,03
2060
52
18ХГТ
Закаленная
1900
5
1,05
2000
50
ХВГ
Закаленная
1800
6
1,06
1900
48
ЭИ473Б
Закаленная
1020
21
1,273
1290
32
ЖС6-КП
Закаленная
1300
17,5
1,2
1550
40
ВТ9
Отжиг
1150
32
1,47
1690
42
В95
Поставки
650
7,5
1,08
700
50

Анализ полученных данных показывает, что с увеличением скорости шлифования кинематическая составляющая шероховатости поверхности постоянно снижается. В то же время высота наплывов (деформационная составляющая) уменьшается с увеличением скорости шлифования до определенного предела, который равен скорости пластической деформации материала, а затем изменяется в пределах 0,0043 ... 0,0048 мм, т.е. остается практически постоянной. Это свидетельствует о том, что после достижения скорости шлифования пластическая зона сосредотачивается у вершины зерна и не изменяет своей величины при повышении т.е. микрорезание осуществляется практически по "чистому", не упрочненному пластическими деформациями материалу.

Таким образом, доказано, что при обработке с оптимальной скоростью шлифования пластическая зона является минимальной, поэтому деформационная составляющая шероховатости поверхности не меняется. В то же время увеличение скорости шлифования существенно снижает кинематическую составляющую шероховатости поверхности. Напрашивается аналогия с движением самолета в воздухе, когда он достигает скорости звука, "уплотненный" слой воздуха ложится на крыло и вызывает его повышенные колебания. При преодолении этой скорости (звуковой), волна возмущенного воздуха смещается за крыло, и в дальнейшем самолет испытывает при своем движении только упругое сопротивление воздуха.

Для сравнения рассмотрим шлифование прочных алюминиевых сплавов, например В95, В96.Они отличаются от стали 30 относительно высокими механическими характеристиками:в = = 600...700 МПа, 0,2 = 550...650 МПа, у = 7...8 %, Е= 72000 МПа, К= 1,08, поэтому скоростной режим, при котором формируется минимальная зона пластических деформаций, составит vш = vпл = = 1,08-650-5000/7,2-104 = 50 м/с, т.е. увеличится в 2 раза.

Анализ полученных данных позволил сделать вывод, что оптимальные скорости шлифования при работе зерен с большими отрицательными передними углами относительно легко могут быть установлены по разработанной методике

Таким образом, для каждого обрабатываемого материала существует своя оптимальная скорость шлифования (табл. 2).

Литература

  1. Корчак С.Н. Производительность процесса шлифования стальных деталей. М.: Машиностроение, 1974. 280 с.
  2. Филимонов Л.Н. Высокоскоростное шлифование. Л.:Машиностроение, 1979. 248 с
  3. Носов Н.В., Кравченко Б.А., Юхвид В.И., Китайкин В.Л. Абразивные СВС-материалы и инструменты. Самара: Самарский государственный технический университет, 1997. 400 с.
  4. Крагельскин И.В., Добычин М.Н., Комбалов B.C. . Основы расчета на трение и износ. М.: Машиностроение, 1977.526 с.
  5. Королев А.В., Новоселов Ю.К. Теоретико-вероятностные основы абразивной обработки. Ч. 1. Состояние рабочей поверхности инструмента. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1987. 160 с.

Б.А.КРАВЧЕНКО, Н.В.НОСОВ
Справочник. Инженерный журнал. №4, 2005, с. 25-28

Статьи партнеров