Формирование микрорельефа при обработке абразивным инструментом Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

№ 1 2004

6. Сысоев Ю. С., Ф е д о т о в А. Г., Т о м и л и н С. А. Повышение точности формы детали путем распределения припуска посредством базирования // СТИН. — 2003. — № 9. — С. 28—32.

7. М о д е н о в П. С. Аналитическая геометрия. — М.: Изд-во МГУ, 1969. — 698 с.

8. Сысоев Ю.С. Методика определения оси и диаметра прилегающего цилиндра крупногабаритного корпусного изделия // Вестник машиностроения. — 1992. — № 1. — С. 37—39.

9. ХиммельблауД. Прикладное нелинейное программирование. — М.: Мир, 1975. — 536 с.

10. С ы с о е в Ю. С. Ориентация крупногабаритных цилиндрических изделий при их обработке // Вестник машиностроения. — 1996. — № 3. — С. 39—41.

621.9

ФОРМИРОВАНИЕ МИКРОРЕЛЬЕФА ПРИ ОБРАБОТКЕ АБРАЗИВНЫМ ИНСТРУМЕНТОМ*

Канд. техн. наук, доц. A.M. КОЗЛОВ, асп. В.В. ЕФРЕМОВ

Разработанная методика моделирования шлифованной поверхности позволяет учитывать особенности структурных характеристик используемого инструмента и на основе анализа работы единичного абразивного зерна прогнозировать параметры шероховатости с повышенной точностью.

We worked out the technique of ground surface modeling which allows us to take into consideration the peculiarities of structural characteristics of used instrument and forecast the parameters of roughness with abnormal exactness on the analysis basis of the work of single abrasive grain.

Развитие машиностроения вызывает необходимость создания все более высокопрочных материалов, обработка которых в большинстве случаев возможна только шлифованием. На операциях шлифования формируются основные показатели качества поверхности и поверхностного слоя. Вместе с тем шлифование остается одним из самых сложных, с точки зрения исследования, методом обработки. Это вызвано случайным расположением абразивных зерен на поверхности инструмента, вибрациями инструмента при обработке, широкой номенклатурой применяемого инструмента и видов обработки. Вместе с тем развитие вычислительной техники сегодня достигло такого уровня, когда можно в полном объеме использовать трудоемкие имитационные методы моделирования процессов шлифования, причем в приближении не всей рабочей поверхности в виде совокупности хаотично расположенных зерен, а конкретно каждого абразивного зерна.

Изучению процесса взаимодействия единичного абразивного зерна с обрабатываемой поверхностью уделялось значительное внимание [1—5], однако весьма разрозненные и отличающиеся друг от друга данные не позволяют использовать ту или иную теорию с полной уверенностью в объективности результатов.

С учетом возможностей современной компьютерной техники и требований, предъявляемых к современным моделям, разработана методика моделирования, позволяющая учитывать не только форму зерен, их размеры, ориентацию в пространстве, но и влияние кинематики процесса на формирование микрорельефа. Такой подход базируется на анализе взаимодействия единичного абразивного зерна с обрабатываемой поверхностью с учетом траектории его движения, задаваемой кинематикой процесса.

* Исследования ведутся при финансовой поддержке в форме гранта Министерства образования РФ по фундаментальным исследованиям в области технических наук 2002 г.

№ 1 2004

Предлагаемая методика моделирования основана на условии, что процесс образования стружки при обработке единичным зерном (рис. 1), аппроксимируемым эллипсоидом вращения, будет происходить при условии, что диаметр деформируемой зоны 2Rt меньше толщины деформируемого материала а. Согласно исследованиям [1], максимальный диаметр деформируемой зоны зависит от граничного угла сдвига (З^

2^ = (0Д...0.2)а (1)

sin р1

t Л

/ / \ ( / i щ. V s >Д

^ \

а í м А Л

\ X- V ! \ /

-ж Г — . — - — V- -

2К "" 1

Рис. 1. Схема среза

При этом теоретические исследования [2, 3] показывают, что между значением переднего угла абразивного зерна и значением граничного угла сдвига р1 существует следующая зависимость:

со8у + 0,05г|

='по • -0,9г|-8шу

где у — передний угол режущего зерна, Г| — коэффициент усадки стружки. Тогда можно утверждать, что 2/?0 с учетом (1), (2) будет:

(0Д..Д2 )а

(2)

sm

arctg

cosy + 0,05r| 0,9r| — sin у

(3)

Согласно разработанной методике, процесс отделения и перехода деформируемого материала в стружку возможен только при условии вписывания диаметра деформируемой зоны в толщину зоны деформации, т.е.

2R0 < а

(4)

или

<1.

(5)

№1

2004

С учетом (3)—(5) окончательно запишем

(0,1...0,2)

1<

arctg

созу + 0,05г| 0,9г| — у

л •

(6)

Таким образом, при выполнении условия (6) характер работы любой точки передней поверхности абразивного зерна считается режущим, в противном случае — деформирующим.

При моделировании передняя поверхность зерна характеризуется матрицей шхп элементов — значений передних углов поверхности у (рис. 2).

В1»к.'1^гшю[ца.ч над ^ СРЯВИПН ЧЗСТЪ ЗфШ. *

Рис. 2. Представление передней поверхности абразивного зерна

Для определения площади передней поверхности зерна с режущим характером работы вычисляется значение

100 100

/=1 7=1

(7)

где — площадь режущей части передней поверхности зерна, Д/, Д — функция, выражающая характер работы элементарной точки передней поверхности зерна и принимающая значения

1, при 1 < ■

(0Д..Д2)

вт

arctg

0, при 1 >

соб у [/, у] + 0,05т| 0,9т1-8ту[/,;] (ОД...0,2)

81П

агс^ -

соб у [/, у] + 0,05т|

0,9л-вшу [и]

Для вычисления площади с деформирующим характером работы применяется выражение

№ 1

2004

м 7=1

Моделирование выполнения условия (6) при наличии процесса резания позволяет рассчитать площади абразивного зерна с деформирующим и режущим воздействием, толщину срезаемой стружки, а также количество зерен, принимающих участие в процессе обработки. Как показали наши исследования, принятые положения не противоречят существующим результатам исследований, но уточняют и дополняют их. Согласно исследованиям [2, 4, 5], количество принимающих участие в процессе резания зерен составляет для шлифовальных кругов (со структурой 9): 1,223... 1,7 — с зернистостью 16; 0,836... 1,35 — с зернистостью 25; 0,36...0,464 — с зернистостью 40. По результатам моделирования, согласно разработанной методике, количество режущих зерен составляет 0,881; 0,42; 0,225; деформирующих— 1,23; 1; 0,331 для зернистости 16, 25 и 40 соответственно.

Переход от единичного микрорезания к массовому происходит путем моделирования взаимодействия с обрабатываемой поверхностью некоторого количества п абразивных зерен. Количество зерен зависит от скоростных параметров обработки и структурных характеристик абразивосодержащей массы. Так как единичное зерно аппроксимируется эллипсоидом вращения, то объем зерна У3

у=\

где а, Ъ — половинные размеры абразивного зерна.

Таким образом, количество зерен в единице объема У0 абразиво содержащего материала шлифовального инструмента будет определяться выражением

(Ю)

где к — объемная концентрация зерен, %.

Рис. 3. Фрагменты поверхностей, смоделированных для методов обработки: периферией круга (а), торцом

чашечного круга (б) и СТАИ (в)

№ 1

2004

Таблица

Опытные данные и результаты моделирования

Параметры шероховатости

Обработка периферией круга (0° вдоль следов обработки)

Обработка торном чашки (угол скрещивания следов обработки 36", 0" соответствует одному т направлении следов)

Окончательно количество абразивных зерен в единице объема абразивосодержащего материала будет вычисляться так:

У//100

2 Ъ

па

у=1

1—

(11)

При реализации разработанной методики на ЭВМ положение зерен на рабочей поверхности инструмента определяется случайным образом и характеризуется высотой вершины зерна относительно средней линии микропрофиля в радиальном сечении инструмента и координатой-расстоянием, однозначно определяющей местоположение зерна вдоль

-в-данные модели '5 -й- опытные данные 60'

-Данные мод о пи -Опытные данные

Данные модели"" -Опытные данные

№ 1 2004

средней линии микропрофиля. Ориентация зерна в пространстве определяется также случайно и характеризуется углами отклонения главных осей эллипсоида от нормального положения. С учетом кинематики процесса моделируется взаимодействие 2 зерен с обрабатываемой поверхностью, которая после обработки представляет собой поверхность с канавками-следами траекторий зерен. По боковым сторонам канавок располагаются навалы, поперечная площадь которых рассчитывается в соответствии с (8).

Для анализа адекватности модели были проведены исследования по влиянию режимов обработки и структуры инструмента на формирование параметров шероховатости обработанной поверхности. Был изготовлен специальный сборный торцовый абразивный инструмент (СТАИ), реализующий эффект «бегущего контакта» и позволяющий формировать микрорельеф с пересекающимися под разными углами следами обработки.

Модели поверхностей, формируемые при обработке различным инструментом, представлены на рис. 3.

Сопоставление опытных данных и результатов моделирования (табл.) свидетельствует об адекватности модели и справедливости допущений, сделанных при разработке методики моделирования.

Таким образом, разработанная модель при прогнозировании параметров шероховатости обрабатываемых поверхностей позволяет более широко исследовать процесс взаимодействия поверхностей при эксплуатации, на основе анализа предлагать наиболее выгодные сочетания типов микрорельефов и назначать оптимальные режимы обработки.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. К о р ч а к С. Н. Производительность процесса шлифования стальных деталей — М.: Машиностроение, 1974.— 280 с.

2. Филимонов Л. Н. Высокоскоростное шлифование — Л.: Машиностроение, 1979. — 248 с.

3. Резание конструкционных материалов, режущие инструменты и станки /П.Г. Петруха, В.А. Кривоухов, Б.Е. Бруштейн и др. — М.: Машиностроение, 1974. — 616 с.

4. Никифоров И. Л. Стохастическая модель процесса шлифования // Известия вузов. Машиностроение. — 2003. —№6. —С. 64—72.

5. Р е д ь к о С. Г. Формирование профиля шлифованной поверхности // Известия вузов. Машиностроение, 1970. — № 7. — С. 159—163.