CC BY
7
8. Некрасов Р.Ю., Темпель О.А., Васьков Д.Е. Определение оптимальных режимов резания при обработке труднообрабатываемых материалов // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2022. Вып. 4. С. 484-489.
9. Темпель О.А., Темпель Ю.А., Васьков Д.Е. Планирование эксперимента выбора оптимальных параметров процесса резания труднообрабатываемых материалов // Вестник МГТУ «Станкин». 2022. №4(63). С. 2832.
Темпель Юлия Александровна, канд. техн. наук, доцент, [email protected]. Россия, Тюмень, Тюменский индустриальный университет,
Сартакова Диана Андреевна, обучающийся, [email protected], Россия, Тюмень, Тюменский индустриальный университет,
Темпель Ольга Александровна, старший преподаватель, [email protected], Россия, Тюмень, Тюменский индустриальный университет,
Чернышов Михаил Олегович, канд. техн. наук, доцент, [email protected]. Россия, Тюмень, Тюменский индустриальный университет
STATIC AND DYNAMIC STUDIES OF LOADING OF METAL-CUTTING PLATES WITH A WEAR-RESISTANT COATING
Yu.A. Tempel, D.A. Sartakova, O.A. Tempel, M.O. Chernyshov
The durability of the cutting tool in metalworking largely determines the complexity and efficiency of the implementation of the technological process of manufacturing the part. In connection with the production statistics, it can be concluded that the inserts are not efficient enough, which is influenced by a large number of factors, including cutting conditions, cutting forces, temperature factor, workpiece and tool material. One way to increase the tool life of inserts is to apply wear-resistant coatings, which are increasingly used in tool making. The article is devoted to the determination of optimal cutting conditions and the rational choice of wear-resistant coatings on the cutting insert of turning tools. Studies of the stress-strain state under static and dynamic loading of the plate in the Ansys software product were carried out, an algorithm for implementing the choice of coating under certain conditions and cutting parameters was developed.
Key words: wear, durability, cutting plate, cutter, stress-strain state, digital tools, cutting forces.
Tempel Yulia Aleksandrovna, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Tyumen , Tyumen Industrial University,
Sartakova Diana Andreevna, student, [email protected], Russia, Tyumen, Tyumen Industrial University,
Tempel Olga Aleksandrovna, senior lecturer, [email protected], Russia, Tyumen, Tyumen Industrial University,
Chernyshov Mikhail Olegovich, candidate of technical sciences, docent, chernyshovmo@tyuiu. ru, Russia, Tyumen, Tyumen Industrial University
УДК 544.77.023.523
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-9-337-337
АНАЛИЗ ДИСПЕРСНОГО СОСТАВА ПЫЛИ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ БЕСЦЕНТРО-ШЛИФОВАЛЬНЫХ СТАНКОВ
Е.М. Щерба, А.С. Гуменюк, Ю.И. Булыгин, В.С. Исаков
В данной работе проведено комплексное исследование дисперсного состава пыли, возникающей в процессе бесцентрового шлифования закаленной стали. Эксперименты выполнены как при отсутствии охлаждающих жидкостей, так и с их использованием. Пыль методически отобрана в зонах операторов станков, оснащенных шлифовальными кругами различных диаметров. Для анализа дисперсного состава пыли применён классический ситовой метод с использованием виброгрохота. В исследовании определены статистические свойства исходных гранулометрических составов пыли при помощи метода интегральных моментов. Полученные в ходе экспериментов характеристики пыли и результаты дисперсного анализа позволяют разрабатывать адекватные технологическому процессу математические модели в виде интегральных и дифференциальных функций распределения размера частиц пыли. Высказаны рекомендации по выбору наиболее оптимального модельного распределения. Установленные закономерности гранулометрического состава пыли учитывают условия эксплуатации станков, включая их технологические параметры, такие как диаметр шлифовального круга и применение охлаждающей жидкости. Полученные результаты имеют потенциал для последующего проектирования и создания систем обеспыливания бесцентро-шлифовальных станков. Снижение запыленности рабочей зоны в условиях эксплуатации позволит наравне с повышением износостойкости оборудования и увеличением качества обработки изделий также улучшить условия труда операторов станков и повысить производительность.
Ключевые слова: шлифование, пылеобразование, дисперсный состав, ситовой анализ.
Введение. Целью исследования является изучение дисперсного состава пыли, образующейся в рабочей зоне оператора бесцентровочно-шлифовального станка. Для реализации цели необходимо: провести ряд экспериментальных исследований, позволяющий разработать математическую модель диспергирования смеси стальной и абразивной пыли при шлифовании [1].
Результаты настоящего исследования позволят сформировать начальные условия для последующей аппроксимации гранулометрического состава пылевых частиц модельными функциями, которые наилучшим образом опишут зависимость между размером частиц и их процентным содержанием с учетом условий эксплуатации (без смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ), а также с их применением) и особенностей режима шлифования [2].
Задачей исследования является определение фракционного состава смеси стальной и абразивной пыли, образующейся при "сухом" бесцентровом шлифовании без применения охлаждающих жидкостей, а также с использованием СОЖ.
Объект исследования и методика проведения экспериментов. В условиях крупносерийного и массового производства целесообразно применять бесцентровые круглошлифовальные станки (рис.1).
Бесцентрово-шлифовальные станки работают двумя методами - шлифованием на проход со сквозной подачей, когда обрабатываемая деталь, помимо вращательного движения, имеет и осевое перемещение между кругами и шлифование врезанием с поперечной подачей. Данные станки применяются в условиях серийного и массового производства для обработки гладких цилиндрических поверхностей с продольной сквозной подачей и для обработки цилиндрических, конических и фасонных поверхностей методом врезания с поперечной подачей, сразу по всей их длине.
Рис. 1 - Общий вид бесцентровочно-шлифовального станка: 1 - станина; 2 - электродвигатель привода;
3 - приспособление для правки шлифовального круга алмазом 4; 5 - шлифовальный круг, 6 - ведущий шлифовальный круг; 7 - приспособление для правки ведущего круга; 8 - головка, 9 - шкала; 10 - рукоятка;
11 - штурвал для перемещения головки ведущего круга
Характеристики наиболее распространенных бесцентрово-шлифовальных станков даны в табл. 1.
К конструктивным и технологическим особенностям станков, влияющих на пылеобразование и дисперсный состав пыли относится следующее: диаметры деталей, обрабатываемых бесцентровым шлифованием, диаметры шлифующих кругов, зернистость абразивных кругов, а также вид связки в кругах.
Так, диаметр обрабатываемых деталей находится в пределах 1 - 250 мм. Шлифующие круги применяются формы ПП и диаметром в среднем 400 - 600 мм. Высота кругов выбирается от 40 до 200 мм.
Рабочие шлифующие круги применяются на керамической и вулканитовой связках, а ведущие круги - на вулканитовой или бакелитовой связках.
Таблица 1.
Характеристики наиболее распространенных' бесцентрово-шлифовальных станков _
Тип станка 3Д180 3М182А 3Ш182Д 3М184И 3Ш184Д 3М184А 3М185
Диаметр заготовки, мм 0.2- 12 0.8 - 25 0.8 - 25 3 - 80 3 - 80 3 - 80 8 - 160
Длина заготовки, мм 60 170 290 250 270 250 320
Мощность гл. привода, кВт 1.5 5.5 3.3, 5.8, 8.1, 8.5 30 5.6, 9.0, 12, 15 11 22
Шлифовальный круг
Диаметр, мм 200 350 350 500 500 500 600
Высота, мм 40 100 300 150 550 150 200
Частота, об/мин 3325 1910 500, 740, 970, 1480 2300 420, 530, 710, 1070 1370 1100
Ведущий круг
Диаметр, мм 150 250 250 350 350 350 350
Высота, мм 40 100 300 150 550 150 200
Частота, об/мин 40 - 300 10 - 150 20 -150 11 - 150 11 - 120 10 - 150 15 -100
С ростом диаметра шлифующих кругов в его структуре имеет место большая зернистость абразива, что приводит к выделению более крупной фракции пыли.
Эксперименты проводились на производственном участке механообработки, где эксплуатируются бесцентровые круглошлифовальные станки.
Для проведения дисперсионного анализа была использована методика ситового анализа с применением виброгрохота, Отбор проб смеси стальной и абразивной пыли проводился в точках, находящихся в рабочей зоне операторов бесцентровых круглошлифовальных станков, работающих с шлифовальными кругами различного диаметра от 200 мм до 600 мм при разной величине частоты вращения вала от 3325 об/мин до 1100 об/мин.
Ситовой анализ пыли. Ситовой анализ измельченных материалов основан на механическом разделении частиц по крупности [3]. Материал загружается на сито с ячейками известного размера и путем вибрации разделяется на две части - остаток и проход. Просеивая материал через набор различных сит, можно разделить пробу на несколько фракций. Размеры частиц этих фракций ограничены размерами отверстий используемых в анализе сит. При проведении экспериментов по просеиванию использовался следующий набор сит: 26 мкм, 50мкм, 125 мкм, 250мкм, 500мкм, 900мкм, 1400 мкм и 2000 мкм.
Для проведения ситового анализа смеси чугунной и абразивной пыли и стружки, образующейся при обдирке и шлифовании, использовалось современное научное лабораторное оборудование (рис.2).
а б в
Рис. 2 - Приборное обеспечение экспериментов: а - ВиброгрохотAnalysette 3 spartan; б - Весы аналитические Precisa; в - прибор для определения удельной поверхности и среднемассового размера частиц пылей ПСХ-12
Так, Analysette 3 spartan является "подбрасывающим грохотом" в классическом смысле [4], в котором электромагнитный привод приводит сита к вертикальной вибрации (рис. 2а). При этом рассеиваемый материал периодически подбрасывается с ткани сита и в падении прогоняется через установленные аналитические сита. Благодаря регулируемому вертикальному движению достигается оптимальная точность рассева и равномерное распределение грохотимого материала через отверстия. Из-за отсутствия центробежных сил, все силы почти независимо от ускорения действуют в разделительном направлении сит. Компьютерный многофункциональный прибор для определения удельной поверхности и среднемассового размера частиц порошков методом газопроницаемости ПСХ-12, ПСХ-12^).
Образец помещают в специальную кювету и присоединяют к прибору также как кювету с порошком. Все измерения включены в программу прибора.
Результаты экспериментов, полученные при ситовом анализе смеси стали и абразива. В результате проведённой серии экспериментов были получены данные исходного гранулометрического состава пылевой смеси металла и абразива, образующейся при шлифовании заготовок из закалённой стали. Относительное содержание частиц каждой размерной фракции пыли, возникающей на различных моделях станков при изменяющемся диаметре шлифовального круга и частоте его вращения, приведено в табл. 2 и 3 (без СОЖ и с её использованием, соответственно).
Таблица 2
Гранулометрический состав пыли и стружки без использования СОЖ_
Диаметр шлифовального круга, частота вращения Размер частиц пыли
Менее 26 мкм От26 до 50 мкм От 50 до 125 мкм От 125 до 250 мкм От 250 до 500 мкм От 500 до 900 мкм От 900 до 1400 мкм От 1400 до 2000 мкм
200 мм, 3325 об/мин 14,53% 23,41% 45,94% 15,28% 0,85% 0,00% 0,00% 0,00%
350 мм, 1910об/мин 10,77% 21,27% 46,48% 18,76% 2,71% 0,01% 0,00% 0,00%
500 мм, 1370 об/мин 11,09% 20,63% 45,35% 20,11% 2,81% 0,01% 0,00% 0,00%
600 мм, 1100 об/мин 9,10% 18,86% 44,73% 23,13% 4,14% 0,04% 0,00% 0,00%
Визуализация исходных данных представлена на рис. 3 и 4, каждый из графиков отображает дисперсный состав пыли при различном диаметре шлифовального круга.
Для выявления зависимостей в полученных данных вычислены некоторые интегральные моменты исходных распределений. Указанные величины приведены в табл. 4 и 5.
Таблица 3
Гранулометрический состав пыли и стружки с использованием СОЖ
Диаметр шлифовального круга, частота вращения Размер частиц пыли
Менее 26 мкм От26 до 50 мкм От 50 до 125 мкм От 125 до 250 мкм От 250 до 500 мкм От 500 до 900 мкм От 900 до 1400 мкм От 1400 до 2000 мкм
200 мм, 3325 об/мин 7,61% 17,56% 43,60% 25,18% 5,87% 0,18% 0,00% 0,00%
350 мм, 1910 об/мин 5,98% 13,17% 41,83% 30,62% 8,16% 0,24% 0,00% 0,00%
500 мм, 1370 об/мин 5,25% 13,71% 41,30% 30,04% 9,42% 0,29% 0,00% 0,00%
600 мм, 1100 об/мин 3,88% 12,42% 40,86% 29,32% 12,74% 0,78% 0,00% 0,00%
40
10
i Диаметр шлиф . круга
-•- 35С -•- 50 С
88 18В 375
Диаметр частицы, мкм
700 1150 1700
Рис. 4. Гранулометрический состав пыли и стружки с использованием СОЖ
Таблица 4
Интегральные моментыг распределений частиц по размерам без использования СОЖ
Диаметр шлиф. круга, мм Среднее, мкм СКО, мкм Асимметрия Коэф.эксцесса
200 75,73 52,65 1,31 2,19
350 87,74 63,85 1,64 3,88
500 89,53 64,20 1,49 3,03
600 97,97 70,70 1,47 2,85
Таблица 5
Интегральные моментыг распределений частиц по размерам с использованием СОЖ
Диаметр шлиф. круга, мм Среднее СКО Асимметрия Коэф.эксцесса
200 108,56 79,43 1,66 3,90
350 122,74 85,14 1,43 3,00
500 129,78 89,58 1,42 2,64
600 136,94 102,98 1,54 3,94
В первую очередь следует заметить, что образующаяся пыль является мелкодисперсной: средний размер частицы не превышает 150 мкм, а частицы более 900 мкм практически отсутствуют. Кроме того, диаметр шлифовального круга и использование СОЖ представляют собой факторы, оказывающие влияние на дисперсный состав
смеси: по мере увеличения упомянутого диаметра пыль становится более крупной-возрастает средний размер и, как следствие, среднеквадратичное отклонение. Аналогичное влияние оказывает охлаждающая жидкость: при её использовании размер частиц увеличивается в среднем в 1,42 раза.
Основываясь на величинах асимметрии и коэффициента эксцесса, можно высказать некоторые предположения. В сравнении с классическими модельными распределениями, применяемыми для описания гранулометрического состава фрагментов дробления [5] (в частности, «станочных» пылей), распределение рассматриваемых в данной работе частиц пыли ближе к логнормальному, нежели к Розина - Раммлера [6, 7]. Невысокая крайность выбросов говорит о том, что более оптимально использовать т.н. финитные распределения, чем инфинитные [8, 9].
Рис. 5 иллюстрирует связь между средним размером частицы и диаметром шлифовального круга, как при «сухом» шлифовании, так и с охлаждающей жидкостью.
1 130
2 ^
s is 110
Œ
(D §
m та
1 90
i ^
(D U
70
200 250 300 350 400 450 500 550 600
Диаметр шлифовального круга, мм Рис. 5. Связь среднего размера частицы и диаметра шлифовального круга
Зависимость между средним размером частицы пыли (dcp), возникающей при обработке заготовки, и диаметром шлифовального круга dKp близка к логарифмической и описывается выражениями (1) и (2) (без СОЖ и с её использованием, соответственно):
<dcp) = 24,91 • Цйкр) - 23,53, (1)
<dcp) = 18,32-Ц^)- 21,12. (2)
Выводы.
1. Результаты ситового анализа позволили установить гранулометрический состав абразивно-металлической пыли и стружки, образующейся при бесцентровом шлифовании закаленной стали в разных условиях эксплуатации станков с использованием СОЖ и без охлаждения.
2. Установлено, что ростом величины диаметра шлифовального круга dKp наблюдается повышение содержания крупнодисперсной пыли.
3. Показано экспериментально, что применение охлаждающей жидкости способствует увеличению размера частиц пыли в среднем в 1,42 раза по сравнению с «сухим» шлифованием.
4. Предложены логарифмические зависимости, описывающие зависимость между средним размером частицы пыли <dcp), возникающей при обработке заготовки, и диаметром шлифовального круга dKp для разных условий эксплуатации станков с использованием СОЖ и без охлаждения.
5. Результаты ситового анализа позволяют строить математические модели, которые наилучшим образом описывают распределение размеров частиц пылевой смеси.
6. Найденные закономерности гранулометрического состава будут в дальнейшем учитывать такие параметры как средний медианный диаметр частицы пыли, диаметр шлифовального круга и особенности эксплуатации станка.
Результаты исследования позволят в перспективе сформулировать требования к системам пылеудаления и пылеулавливания для бесцентро-шлифовальных станков [10-12].
Список литературы
1. Хиникадзе И.Т. Экспериментальные исследования дисперсного состава чугунной пыли и стружки в рабочей зоне вертикально-сверлильных станков // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2023. Вып. 7. D0I:10.24412/2071-6168-2023-7-392-393.
2. Wang Guo, Yuexin Han, Peng Gao, Zhidong Tang. Effect of operating conditions on the particle size distribution and specific energy input of fine grinding in a stirred mill: Modeling cumulative undersize distribution, Minerals Engineering, Volume 176, 2022. 107347 DOI: 10.1016/j.mineng.2021.107347.
3. Коузов П.А. Основы определения дисперсного состава промышленных пылей и измельченных материалов. 3-е изд., перераб. Ленинград: Химия: Ленингр. отд-ние, 1987. 263 с.
4. Руководство по эксплуатации просеивающих машин ANALYSETTE [Электронный ресурс] URL: https://www.fritsch.com.ru/servis/zagruzki-video/analysette-3-pro (дата обращения: 10.05.2023).
5. Fowler A.C., Scheu B. A theoretical explanation of grain size distributions in explosive rock fragmentation. Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Science, 472(2190), 2016. 20150843. doi: 10.1098/rspa.2015.0843
6. Yuchen Shi, Wenqing Liu, Yunsheng Dong, Xuesong Zhao, Yan Xiang, Tianshu Zhang, Lihui Lv. Atmospheric aerosol particle size distribution from Lidar data based on the lognormal distribution mode, Heliyon, Volume 8, Issue 8, (2022), e09975, ISSN 2405-8440. DOI: 10.1016/j.heliyon.2022.e09975.
7. Genghao Zhang, Yongbo Fan, Renshu Yang, Shihai Li. Application of the Rosin - Rammler function to describe quartz sandstone particle size distribution produced by high-pressure gas rapid unloading at different infiltration pressure, Powder Technology, Volume 412, (2022), 117982. DOI: 10.1016/j.powtec.2022.117982.
8. Sanchidrian J.A., Ouchterlony F., Segarra P., Moser P. Size distribution functions for rock fragments. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 2014. 71. P. 381-394. doi:10.1016/j.ijrmms.2014.08.007.
9. Gumenyuk A.S., Djedirov D.A., Bulygin Yu.I. Application of finite and infinite functions in determining of the metalworking dusts particle size distribution, E3S Web of Conferences (2023) Innovative Technologies in Environmental Science and Education (ITESE-2023).
10. Власов А.Ф. Безопасность при работе на металлорежущих станках. М.: Машиностроение, 1977. С.122.
11. Азимова Н.Н., Булыгин Ю.И. Комплексная система пыле и шумозащиты операторов рельсорезных станков // Безопасность труда в промышленности. 2019. № 9. С. 64-71. DOI: 10.24000/0409-2961-2019-9-64-71.
12. Купцова И.С., Булыгин Ю.И. Снижение концентрации пыли и уровней шума на рабочем месте оператора при шлифовальной обработке // Актуальные проблемы науки и техники. 2021: материалы Всероссийской нац. науч.-практ. конф., 17-19 марта 2021 г. Ростов н/Д.: ДГТУ, 2021. С.130-131.
Щерба Евгений Михайлович, аспирант, [email protected]. Россия, Ростов-на-Дону, Донской Государственный Технический Университет,
Гуменюк Алексей Сергеевич, магистрант, [email protected]. Россия, Ростов-на-Дону, Донской Государственный Технический Университет,
Булыгин Юрий Игоревич, д-р техн. наук, профессор, [email protected]. Россия, Ростов-на-Дону, Донской Государственный Технический Университет,
Исаков Владимир Семенович, д-р техн. наук, профессор, Россия, Новочеркасск, Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова»
PARTICLE SIZE DISTRIBUTION ANALYSIS OF DUST GENERATED BY CENTERLESS GRINDERS E.M. Shcherba, A.S. Gumenyuk, Yu.I. Bulygin
This paper describes comprehensive experimental research on the particle size distribution of dust produced by hardened steel centerless grinding. Experiments were carried out both in the absence of cutting fluids and with their usage. Dust sampling was methodically performed in the working environment of machinist operating grinders that have various wheel diameters. The classical method of sieve analysis with a throw-action vibrating screen was applied to receive the dust particle size distribution. This research determines the statistical properties of the considered particle size distribution using the moments method. Obtained dust characteristics and sieve analysis results allow one to develop mathematical models accurately describing technological processes in the form of cumulative and density functions of dust particle size distribution. The present article makes recommendations on the most appropriate model choice. Found regularities of dust particle size distribution take into account machines operating conditions, including their technological parameters, such as the grinding wheel diameter and the cutting fluid usage. Obtained results are essential for the design and creation of dedusting ssystems for centerless grinding machines. Mitigation of exposure to dust in the workplace during operation allows one to improve the machines' wear resistance and to increase the workpiece machining quality as well as to improve working conditions of machinists and increase labor productivity.
Key words: grinding, dust generation, particle size distribution, sieve analysis.
Shcherba Evgeniy Michailovich, postgraduate, em^hcherba^gmaiLcom, Russia, Rostov-on-Don, Don State Technical University,
Gumenyuk Alexey Sergeevich, master's, [email protected]. Russia, Rostov-on-Don, Don State Technical
University,
Bulygin Yuriy Igorevich, doctor of technical sciences, professor, bulyur_rostov@mail. ru, Russia, Rostov-on-Don, Don State Technical University,
Isakov Vladimir Semenovich, doctor of technical sciences, professor, Russia, Novocherkassk, South Russian State Polytechnic University (NPI) named after M.I. Platov
