CC BY
50
Машины и оборудование
7. Трактор Кировец Agrotron L720 [Электронный ресурс]. - Режим доступа:
[Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.spectehnika.com/catalog/traktori/
http:// agrovk.ru/agrotron_l. kolesnie/mtz/mtz-2022. htm.
8. Колесный трактор МТЗ-2022
DOI: 10.12737/3363 УДК 621.29
ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРОЦЕССА АБРАЗИВНОГО МИКРОРЕЗАНИЯ ХРУПКИХ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ
МАТЕРИАЛОВ
кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры электротехники и автоматики
М. Ю. Ерёмин
кандидат сельскохозяйственных наук, доцент, доцент кафедры электротехники и автоматики
Н. А. Черемисинова
старший преподаватель кафедры электротехники и автоматики Р. М. Панов ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный аграрный университет имени императора Петра I» [email protected]
Твердые неметаллические материалы широко используются в машинах и строительных конструкциях, в том числе в технических средствах сельскохозяйственного назначения [1, 2], при изготовлении изделий из данных материалов выполняют их механическую обработку для обеспечения требуемого качества поверхностей изделий. По причине высокой стойкости к воздействию факторов окружающей среды изделия из указанных материалов не подвержены коррозии, гниению и прочим негативным процессам, а поэтому после их износа или механического повреждения могут быть использованы в качестве вторичного сырья [3], которое также подвергается механической обработке. Готовые изделия необходимо упаковывать для обеспечения сохранности их обработанных поверхностей при транспортировке и хра-
нении, в частности можно использовать современные водонепроницаемые оберточные материалы [4].
Среди финишных процессов механической обработки существует специфичная область абразивного шлифования хрупких неметаллических материалов. Материалы типа поликристаллические горячепрессованные ферриты, спечённая керамика, си-таллы, поликор и аморфные стёкла имеют повышенную прочность и хрупкость, а также малую теплопроводность и особую структуру, поэтому единственно эффективным способом формообразования плоских и фасонных поверхностей деталей из этих неметаллов является алмазная обработка шлифованием.
Исследование механики контактного взаимодействия абразива с обрабатываемым материалом основывается на приме-
162
Лесотехнический журнал 1/2014
Машины и оборудование
нении двух основных подходов. При первом рассматривается совокупное воздействие абразивных зёрен на поверхность обрабатываемого материала. Подход базируется на учёте суммарных воздействий зёрен инструмента, режимов, средств и условий обработки для конкретных операций технологического процесса с целью обеспечения требуемого качества деталей.
В основу второго подхода положено системное представление о различных уровнях дискретности резания. Первый уровень дискретности резания 1 (УДР) представляет собой взаимодействие единичного абразивного (алмазного) зерна с поверхностью заготовки. Второму уровню (2 УДР) отвечают условия обработки, присущие шлифованию непрерывным (сплошным) замкнутым абразиво-содержащим рабочим слоем. Это традиционное шлифование. К третьему уровню (3 УДР) относится техническая система абразивного воздействия инструмента на деталь с применением абразивных блочных элементов, всевозможным образом чередующихся между собой, имеющих разные конфигурации и отделенных друг от друга безабразивным пространством (пазами). Это так называемое прерывистое шлифование. Четвертый уровень резания (4 УДР) достигается сочетанием в инструменте нескольких замкнутых абразивных контуров, взаимосвязанных между собой посредством упругих оснований, функционирующих по определенным законам и позволяющих осуществлять аддитивно-адаптивный съем припуска.
Ценностью второго подхода является то, что его реализация позволяет получить
первоочередную достоверную информацию о характере деформаций, разрушении обрабатываемых материалов, в итоге прогнозировать состояние качества приповерхностных слоёв и управлять им.
Известные данные по микрорезанию пластичных материалов не могут быть однозначно перенесены на процессы обработки хрупких неметаллических материалов, в том числе из-за совершенно иной механики поверхностного разрушения, особенно при алмазном шлифовании. Отдельные попытки исследования процессов микрорезания керамики и стёкол не привели к весомым результатам. Поэтому до сих пор при создании рекомендаций по выбору шлифовальных инструментов и условий их эксплуатации практически не учитывали основополагающие явления, базовые для всех уровней дискретности резания явления, присущие микрорезанию. Это негативно сказывалось на получении требуемого качества обработки.
Объектами наших исследований выбраны процессы алмазной механической обработки неметаллических материалов. Обрабатывались наиболее характерные и широко используемые в технике следующие группы поликристаллических и аморфных материалов: стёкла, в том числе стеклодетали кинескопов; спечённые оксидные керамики ЦМ; горячепрессованные никель-цинковые и марганец-цин-ковые ферриты; поликор. В сравнительных опытах использовались металлы: Сталь 3, Сталь 45, ШХ-15.
Процесс микрорезания осуществлялся оправкой с единичным алмазным зерном и с использованием индентора. При-
Лесотехнический журнал 1/2014
163
Машины и оборудование
менялись алмазные инденторы марки АСПК-2. Проведённые исследования показали, что из широкого диапазона режимов резания и геометрий вершин микрорезцов наиболее близким к реальному процессу шлифования является моделирование микрореза алмазным индентором с углом при вершине s = 90.. .120°. Это устойчивая к адгезионным и силовым воздействиям геометрическая форма рабочей части индентора. Предпочтение было отдано микрорезанию инденторами конической формы с углом при вершине 120 градусов.
Радиус округления р вершины алмазного индентора определялся с помощью микроскопа МИМ-7 и контролировался после проведения каждых 30.35 опытов по микрорезанию. Нормальной считалась погрешность размера р = ±0,3 мкм. Это допустимо, т.к. в установившемся процессе шлифования абразивные зёрна имеют значительные площадки износа [5]. Применялись инденторы, имеющие различный радиус скругления угла при вершине, в том числе pi=2,5±0,3 мкм, р2=5,00±0,35 мкм, р3=7,5±0,4 мкм.
Достоверность экспериментальных исследований во многом определяется количеством проведённых опытов и рациональной статистической оценкой полученных результатов. Для большинства фиксированных значений режимов резания, геометрических параметров режущего рельефа и марок обрабатываемого материала было произведено по 10.15 опытов.
В экспериментах использованы образцы с размерами порядка 12x5x2 мм. Предварительно поверхность шлифова-
лась, а затем доводилась алмазными пастами до 14 класса шероховатости поверхности.
Микрорезание неметаллических хрупких материалов алмазным индентором с углом при вершине s = 120° показало, что увеличение скорости резания с 30 до 50 м/с вызывает снижение импульса силы микрорезания JC. При этом величина снижения импульса силы микрорезания во многом зависит от структуры и физикомеханических свойств материала детали. Так, для поликора с ростом скорости резания Vp импульс силы микрорезания снижается на 16,9 %, для керамики на 12 %. Для поликристаллических ферритов 1000НТ1 и 2000МТ1 снижения величин импульса силы микрорезания соответственно составили 13,9 и 18,5 %, а для аморфного стекла - 41,5 % (рис. 1).
Г лубина микрорезания t изменялась в диапазоне 5.100 мкм. Но наиболее стабильные результаты минимального внедрения микрорезца в образец получены, начиная с 8.10 мкм. Определено, что изменение глубины внедрения алмазного ин-дентора в обрабатываемый материал вызывает значительное возрастание ИСМ.
Установлено, что всем хрупким неметаллам при микрорезании свойственно увеличение импульса силы микрорезания с ростом глубины внедрения индентора в деталь. Аморфное стекло и поликор в большей степени подвержены этому, по сравнению со спечённой керамикой и горячепрессованными ферритами.
В численном выражении возрастание импульсных сил микрорезания таково: в 4,1 раза для поликора (с 1,46 до 6,04); в 3,7
164
Лесотехнический журнал 1/2014
Машины и оборудование
Jc, 10-4 Нс
Рис. 1. Зависимости импульса силы дискретного микрорезания от скорости микрорезания при разрушении хрупких материалов (t=30 мкм): 1 - поликор; 2 - керамика ЦМ;
3 - феррит 1000НТ1; 4 - феррит 2000МТ1; 5 - стекло
раза для керамики (с 1,24 до 4,63); в 3,7 раза для феррита 1000НТ1 (с 1,03 до 3,80); в 3,9 раза для феррита 2000МТ1 (с 0,87 до 3,41); в 4,9 раза для стекла (0,41 до 2,00)х10-4 Нс.
Проведённые исследования подтверждают влияние структурного состава обрабатываемых материалов, режимов резания и геометрии алмазного индентора на динамику процесса микрорезания.
Статистической обработкой экспериментальных данных получены зависимости для определения импульса силы микрорезания при обработке неметаллических материалов
j-поликор = 14794-у 1,3161. t10100.
С , Р (1) 1,2935 0,2091
,
J
керамика
С
2,0589-Ур 14145 -t0’9926 -
„1,2723 0,2022
,
(2)
jJeKMTlOOOHTl = 0j7926. у
.0,9396 „1,2829 0,2129
t,
1,1828
(3)
Jфeррит2000МТ1 = 1,6383-У"1,4198-С Р (4)
.0,9941 „1,2375 0,2177
t,
jCim-TO = 54,7174- V"3,147 -11,4575 -
(5)
„1,3122 р0,2054
,
где Vp - скорость микрорезания; t - глубина микрорезания;
„ - угол при вершине индентора; р - радиус округления индентора. Анализ полученных зависимостей (1)-(5) показал, что процессы механической обработки любых материалов можно характеризовать импульсом сил дискретного микрорезания. Этот показатель позволяет рассматривать процесс микрорезания как единую систему, отражающую единство различных подсистем процесса обработки.
Исследования процесса микрорезания пластичных материалов подтверждают, что на величину импульса силы дискретного микрорезания оказывает влияние
Лесотехнический журнал 1/2014
165
Машины и оборудование
микротвёрдость обрабатываемого материала. Чем она выше у материала, (сталь ШХ 15, НВ 202, кривая 1, рис. 2), тем импульс силы микрорезания больше. Это видно по отношению кривой 1 (сталь ШХ 15) к кривой 2 (сталь 45, НВ 183) и кривой 3 (сталь 3, НВ 101).
Увеличение скорости резания приводит к снижению импульса силы дискретного микрорезании. Видим, что общая закономерность такова: для пластичных материалов с микротвёрдостью 100...200 единиц увеличение скорости резания на 65.67 % вызывает снижение ИСМ на одну четверть.
Установлено влияние глубины внедрения микрорезца на импульс силы микрорезания. Глубину микрорезания t изменяли в диапазоне 5.100 мкм. Наиболее стабильные результаты (погрешность 5.
7 %) минимального внедрения микрорезца в образец получены, начиная с 8.10 мкм. Определено, что изменение глубины внедрения алмазного индентора, а также микрорезца из твёрдого сплава в обрабатываемый материал вызывает значительное воз-
растание ИСМ. Так, при значении скорости резания Vp = 40 м/с и числе опытов
4.5 (для каждой экспериментальной точки) изменения Jc = f (t) имеют характер зависимостей, приведённых на рис. 2.
Увеличение глубины резания с 10 до 80 мкм приводит к более, чем четырёхкратному увеличению импульса силы дискретного микрорезания. ИСМ возрастает в
4,3 раза для Стали ШХ 15; в 4,17 раза для Стали 45; для Стали 3 в 4,26 раза, т. е. соответственно с 0,86 до 3,7; с 0,72 до 3; с 0,53 до 2,26 Нс х 10-5.
Исследовано влияние формы микрорезца и состояния его субмикроповерхности на динамику процесса микрорезания пластичных материалов. В этих опытах также применялись микрорезцы с различным радиусом округления и разными углами вершин алмазного индентора. Основная серия экспериментов по микрорезанию сталей осуществлялась индентора-ми с углом 8=120° при вершине резца, а радиусы округления вершин составляли
2.5 мкм, 5 и 7,5 мкм. Диапазон глубин микрорезания 20.80 мкм.
Jft 104 Нс
Рис. 2. Зависимость импульса силы микрорезания JG от скорости резания Vp (использовали индентор конической формы t = 25-30 мкм): 1 - ШХ 15; 2 - Ст 45; 3 - Ст 3
166
Лесотехнический журнал 1/2014
Машины и оборудование
Эксперименты показали, что увеличение радиуса округления вершины р ин-дентора с 2,5 мкм до 7,5 мкм приводит к изменению размеров микрорисок на поверхности стальных образцов. Происходит увеличение динамических нагрузок в зоне контактирования.
Для определения импульса силы дискретного микрорезания сталей приняты следующие зависимости: jIUX!5 = ур-1,125 .,1,075 .„1,419 .р0,214_ (6)
1Ст45 = ур-1,221. t1,032-S1,429 .р0,239, (7) 1Ст3 = Ур-1,166 . t1,033-е1-381 .р0,260. (8)
Выражения (6)-(8) позволяют рассчитать величины импульса силы микрорезания в сходных условиях обработки материалов, близких по структуре. Их анализ показывает, что на динамику процесса микрорезания большое влияние оказывает глубина внедрения и профиль угла заострения микрорезца (в общем случае это справедливо и для абразивного зерна шлифовального инструмента).
Анализ полученных зависимостей (6)-(8) показал следующее. Процессы механической обработки пластичных материалов можно также характеризовать импульсом сил дискретного микрорезания. Этот показатель позволяет рассматривать процесс микрорезания металлов и неметаллов как единую систему, отражающую различные подсистемы обработки, но имеющие единую физическую природу процесса резания.
Сравнивая зависимости (6)-(8) между собой, видим, что показатели степеней неодинаковы, но общие закономерности вза-
имного влияния параметров микрорезания на динамику процесса схожи. Так, показатель степени, характеризующий влияние скорости резания имеет знак минус, т. е. с увеличением скорости разрушения материала импульс силы уменьшается. Остальные показатели степеней имеют положительное значение, что отражает рост ИСМ с возрастанием значений этих параметров процесса при микрорезании.
Изменения показателей степеней зависимостей лежат в пределах диапазонов: для скорости резания (0,022.. .0,212); для глубины резания (1,004.1,342); для угла при вершине алмазного индентора (0,759.0,332); для радиуса округления угла при вершине (0,145.0,182). Хрупкие и пластичные материалы имеют свои механизмы разрушения [6], свои особенности, а поэтому - немалые отличия численных значений импульса сил дискретного микрорезания. Это подтверждает целесообразность применения введённого нами параметра импульса силы микрорезания для оценки процесса контактного взаимодействия объектов технической системы деталь - инструмент - среда.
Для установления общих закономерностей в сериях опытов стремились стабилизировать влияние условий обработки пластичных и хрупких материалов. Но процессы разрушения большинства материалов существенно отличаются друг от друга, т. е. обработка стекла происходит по иной схеме разрушения, чем сталей или горячепрессованных материалов. Тем не менее, используя такой параметр, как импульс силы микрорезания, можно классифицировать исследуемые материалы. В
Лесотехнический журнал 1/2014
167
Машины и оборудование
данном случае все материалы разделили на 4 группы, а именно: 1 группа - стали, 2 - керамика, ферриты, 3 - стёкла, 4 - поликор. Поэтому изучение механизмов разрушения при контактном взаимодействии микрорезца (зерна в составе круга) с деталью целесообразно проводить для этих 4 групп отдельно. Хотя при этом целесообразно осуществлять поиск общих тенденций и закономерностей. В конечном итоге это позволит максимально унифицировать шлифовальный инструмент, в том числе с позиции характеристик абразива, форм рабочей поверхности инструментов, например, по принципу УДР (т. е. второго и третьего уровней дискретности резания).
Полученные аналитические зависимости могут использоваться для анализа процесса шлифования, расчёта режимов резания и составления рекомендаций при разработке технологических процессов финишной обработки неметаллов.
Библиографический список
1. Черепанов, С. С. Комплексная система технического обслуживания и ремонта машин в сельском хозяйстве [Текст] : учебник / С. С. Черепанов. - М. : ГОСНИТИ., 1986. - Ч. 1. - 144 с.
2. Механизация и электрификация
с е льскохозяйственного производства
[Текст] : учебник / под ред. А. П. Тарасенко. - М. : КолоС, 2004. - 551 с.
3. Направления совершенствования системы утилизации отработавших компонентов технических средств АПК [Текст] / Е. В. Пухов, В. К. Астанин, В. В.Труфанов, [и др.] // Вестник ВГАУ. - 2012. - № 2. -
С. 144-147.
4. Афоничев, Д. Н. Выбор гибкого водонепроницаемого материала для стабилизации плавучести сплоточных единиц [Текст] / Д. Н. Афоничев, Н. Н. Папонов, В. В. Васильев // Лесотехнический журнал. -Воронеж, 2011. - № 1. - С. 95-99.
5. Старов, В. Н. Особенности формирования поверхностного слоя неметаллов при микрорезании [Текст] / В. Н. Старов, М. Ю. Ерёмин, М. Н. Краснова // Прогрессивные технологии в машиностроении и электронике: сб. науч. тр. - Воронеж : ВГТУ, 2001. - С. 141-144.
6. Старов, В. Н. Исследование характера разрушения аморфных материалов при абразивном микрорезании [Текст] / В. Н. Старов, М. Ю. Ерёмин // Инновационные технологии и оборудование: сб. науч. тр. -Воронеж : ВГТУ, 2004. - Вып. 2. - С. 98101.
168
Лесотехнический журнал 1/2014
