ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ АЛМАЗНО-АБРАЗИВНОЙ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ С ИЗНОСОСТОЙКИМИ ПОКРЫТИЯМИ Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

0м ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

ТЕХНОЛОГИЯ

после горячей деформации и последующего отжига (рис. 4). Размер зрена соответствует группе 0«7-9» (шкала 1 по ГОСТ 5639-82) со средним условным диаметром зерна 0,0267 мм для 0«7», 0,0196 мм для группы 0«8» и 0,0138 мм для группы 0«9». Присутствуют участки с явными следами деформации, на которых просматривается даже полосчатость (балл 1 шкала 3, ряд Б по ГОСТ 5640-68).

Размерно-геометрическую точность образцов оценивали по отклонениям ее толщины от номинальных размеров оснастки. В качестве номинального размера оснастки был выбран размер калибрующей части подвижного кристаллизатора Л КМ.

Измерения производили вдоль осевой линии заготовки с шагом измерений в 20 мм. Количество точек измерений составляло не менее 20 по одном/ образцу.

После статистической обработки результатов измерений среднее абсолютное отклонение от номинального размера составило 0,11мм при доверительной вероятности 0,95. Это отклонение соответствует 3-му классу точности по ГОСТ 26645-85 и является характерным для заголовок аналогичного типоразмера, которые изготавливаются специальными способами литья (литье под давлением, жидкая штамповка).

Список литературы

1. Одинокое В.И. Теоретическое и экспериментальное исследование непрерывного процесса кристаллизации металла при одновременном его деформировании/ В.И. Одиноков, Б.И. Проскуряков, В.В. Черномас. - М.: Наука, 2006- 111с.

ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ АЛМАЗНО-АБРАЗИВНОЙ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ С ИЗНОСОСТОЙКИМИ ПОКРЫТИЯМИ

Я. Г. МОСТОВАЯ, аспирант, A.A. СИТНИКОВ, профессор, доктор техн. наук, С. Л. ЛЕОНОВ, доцент, канд. техн. наук, АлтГТУ им. И. И. Ползу нова, г. Барнаул

Нанесение покрытий из износостойких материалов на обрабатывающий инструмент, детали машин, пар трения позволяет многократно повысить уровень эксплуатационных характеристик. После нанесения покрытий поверхность деталей /1меет значительные отклонения от формы и низкую шероховатость поверхности. Применение их в узлах трения без механической обработки невозможно. Наиболее распространенным методом обработки является шлифование, которое позволяет обеспечить требуемые параметры качества при высокой производительности. Важным фактором, усложняющим этап проектирования операции обработки покрытий, является разрозненность и узкая область применения известных из научно-технической литературы рекомендаций по назначению характеристик инструмента и режимов резания. Проведение большого количества экспериментальных исследований неэффективно. Более целесообразно получение имитационной модели на базе изучения физических явлений, происходящих в процессе обработки износостойкого покрытия.

Экспериментальные исследования микрорельефа обработанного износостойкого покрытия показывают, что механизм формообразования поверхности покрытия при обработке сочетает в себе процессы резания-микроскалывания и объемного хрупкого разрушения [1]. Внедрение единичного зерна инструмента в обрабатываемый износостойкий материал покрытия в области их взаимодействия сопровождается высокими напряжениями, приводящими к развитию микротрещин, находящихся в непосредственной близости дефектов строения покрытия (пор и различных включений). Каждая пора напыленного покрытия является концентратором напряжений. Поэтому процесс хрупкого разрушения с большей вероятностью проходит от поры к поре, а процесс реза-ния-микроскалывания происходит в результате непо-

средственного срезания материала покрытия зерном.

На основании известных результатов исследований распространения трещины в износостойком материале покрытия была разработана модель алмазно-абра-зивной обработки. В основе разработанной модели лежит имитационный подход, который заключается в следующем:

- профиль обработанной поверхности детали формируется в сочетании процессов резания-микроскапыва-ния и объемного разрушения в материале покрытия при взаимодействии инструмента и заготовки;

- в процессе объемного разрушения материала покрытия (трещинообразования) участвуют макродефекты - поры напыленного слоя;

- в процессе микрорезания-скалывания (непосредственно резания) происходит копирование профилей зерна на исходную поверхность заготовки;

- координаты режущих зерен и их профиль являются случайными параметрами, которые зависят от геометрии зоны контакта, режимов резания и характеристики инструмента; координаты и размеры пор покрытия являются случайными параметрами и распределяются по заданному закону распределения.

Рассмотрим в качестве примера один из распространенных видов алмазно-абразивной обработки, а именно плоское шлифование. Вначале для моделирования задается исходный профиль заготовки и поры в материале покрытия На исходную поверхность заготовки накладывается N зерен шлифовального круга, находящихся в зоне контакта инструмента и заготовки, с учетом случайной составляющей по размеру зерен, расположению их по поверхности инструмента и по глубине резания.

Геометрия зоны контакта инструмента и заготовки показана на рис. 1. При прохождении заготовкой зоны контакта с кругом глубина резания =АВ меняется.

ТЕХНОЛОГИЯ

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ С^д

Мгновенное значение глубины определяется углом который изменяется от от а до 0. В начальный момент взаимодействия инструмента и заготовки (точка А) = 0, ам = а, в конечный момент (точка С) = = 0.

фактической глубины резания представлена на рис. 2. Фактическая глубина резания рассчитызается по уравнению баланса перемещений в технологической системе, т. е. на основе сравнения текущих размеров круга, заготовки и расстояния от стола до центра круга (установочный размер А) [4].

1 —-•. • * У У

I : 4 В1^^

I I I I I I I I г-♦ . 1 ! .... .. С 0

Рис. 1. Зона контакта заготовки и круга

Из треугольника АОА, находится угловая величина зоны контакта ос:

ОА Я

(1

При моделировании значения углов получаются генерацией случайных величин в пределах от 0 от а. Их количество равно количеству зерен /V, находящихся в зоне контакта инструмента и заготовки. Для определения глубины резания зерен шлифовального круга в зависимости от значений углов ам рассмотрим треугольник ВОВ], в котором ОБ, = ОД, + = ЯСоэа +

tN=R■ Сова^ - Я ■ Сова=Я ■ (Соэа^ - Сова)

(2)

Расчет глубин резания позволяет учесть распределение зерен N в глубину покрытия. Величина зависит от угла находящегося в пределах от 0 до а, и фактической глубины резания

Количество зерен, участвующих в обработке, рассчитывается исходя из объема кэуга, в котором эти зерна находятся. При плоском шлифовании заготовка находится е контакте с кругом в течение всего времени, пока шлифовальный круг поворачивается на угол от а до С1 со скоростью \/к (рис. 1). За это же время заготовка перемещается на расстояние = СО со скоростью продольной подачи 5пр. Количество зерен, участвующих в обработке, определяется по формуле (3):

V xf

N = Г * 'зерен. 1

(3)

где 1/зерн - объем абразивного зерна; /гэврви - объемное содержание зерен в круге, соответствующее структуре круга, в процентах; Укг - рассматриваемый объем круга; [...]- вычисление целой части числа.

Расчет угловой величины зоны контакта, а также количество зерен, находящихся в обработке, зависят от фактической глубины резания за проход. Схема определения

Рис. 2. Схема определения фактической глубины резания

На первом проходе заготовки фак-ическая глубина резания будет следующей:

■У,«фЛ-дя^ф,).

(4)

На основе этого уравнения, модель рассчитывает радиальный съем металла (Дг,). Величина съема материала покрытия на каждом проходе рассчитывается как расстояние между линией выступов профиля детали и линией выступов исходного профиля заготовки, соответственно величина фактической глубины резания на каждом проходе разная. На втором проходе * •

= +3.2 -УгМ " ^ ~ ЛЯ1^Ф1>- ДЯ2М'

на третьем:

'фз = 5.1 + 5в2 + 8вз - Уз(Гф3)-Дг1-Аг, -дя,аф,)-д Я2(ГФ2)-ЛЯ3(ГФЗ)

(5)

(6)

и так далее.

Результатом наложения зерен алмазно-абразивного инструмента на исходную поверхность детали с покрытием с учетом угловой величины зоны контакта а, количества зерен /V, участвующих в обработке и фактической глубине резания является расчет микропрофиля поверхности, образованной в процессе копирования профиля инструмента на поверхность заготовки (т.е. в процессе микрорезания - скалывания). Далее происходит расчет микропрофиля поверхности, учитывающей трещинообразование в материале покрытия при обработке. Процесс формирования трещины осуществляется по формуле:

ггпп

■п (>/(х)-х0)2+(у,-у0)2 + ау,)

(7)

где х0, у0 - координаты поры, из которой начинается микротрещина; а - эмпирический коэффициент, отвечающий за развитие трещины в глубину покрытия.

Загородка

1 проход

2 проход

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

На рис. 3 представлен алгоритм модели алмазно-абразивной обработки деталей с износостойкими покрытиями.

Рис. 3. Алгоритм имитационной модели алмазно-абразивной обработки деталей с износостойкими покрытиями

Исходными данными для моделирования являются:

- физико-механические характеристики материала покрытия (твердость, пористость, закон распределения пор и их размеров в материале покрытия);

- геометрические параметры инструмента и заготовки (диаметр инструмента О, длина заготовки толщина заготовки Ну,

- поле рассеяния размеров заготовки;

- характеристика инструмента (зернистость);

- режимы резания.

Исходная поверхность заготовки задается с помощью генератора случайных чисел в пределах поля рассеяния размеров заготовки. Далее случайным образом по заданному закону распределения задается N пор - концентраторов напряжения. Количество пор рассчитывается исходя из размеров пор и величины пористости покрытия.

Результатом расчета по модели является расчет микропрофиля поверхности, учитывающего процессы микрорезания - скалывания и объемного разрушения (рис. 4), по которым рассчитывается шероховатость обработанной поверхности Иа и суммарная величина съема материала покрытия Дг.

Для проверки адекватности модели реальному процессу шлифования был проведен сравнительный эксперимент, который показал, что результаты, полученные при имитационном моделировании алмазно-абразивной

ТЕХНОЛОГИЯ

обработки покрытий, хорошо согласуются с экспериментальными данными [1, 2]. Максимальная погрешность расчета не превышает 15 %. Это позволяет сделать вывод об адекватности разработанной модели реальному процессу.

Мнкропрофнль обработанной поверхности

Рис. 4. Профилограмма обработанной поверхности

Разработанная модель алмазно-абразивной обработки деталей с покрытиями учитывает физико-механические особенности процесса алмазно-абразивной обработки, режимы резания, характеристику инструмента. Преимуществом модели является возможность выбрать инструмент и назначить режимные параметры для обработки новых или малоизученных износостойких покрытий без проведения дорогостоящих экспериментов. На программное обеспечение получено свидетельство об официальной регистрации [5].

Работа выполнена в рамках ГК «Проведение проблемно-ориентированных исследований и разработка научно-технологических основ производства прецизионных деталей машиностроения с покрытиями из наноструктурированных композиционных материалов, полученных методами высокотемпературного синтеза при ударно-волновом газотермическом нагреве», шифр 2007-3-1.3-00-04-032.

Список литературы

1. Технологическое обеспечение качества изготовления деталей с износостойкими покрытиями / С. П. Кулагин, С. Л. Леонов, Ю. К. Нооосслоо, Е. Ю. Татаркип Новосибирск: Изд-во Новосиб. ун-та, 1993. - 209 с.

2. Ситников А. А. Технологическое обеспечение точности изготовления деталей с покрытиями / A.A. Ситников - Барнаул: Изд-во Апт. гос. техн. ун-та им. И. И. Ползунова, 2004.

- 198 с.

3. Технологическое обеспечение качества деталей с покрытиям/i / Э. В. Рыжов, С. А. Клименко, О. Г. Гуцаленко

- Киев: Наукова думка, 1994. - 179 с.

4. Королев А. В. Теоретико-версятностные основы абразивной обработки. Часть 2. Взаимодействие инструмента и заготовки при абразивной обработке / А. В. Королев, Ю. К. Новоселов - Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1989. - 160 с.

5. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ «Расчет профилограммы поверхности детали с износостойким покрытием, обработанной шлифованием» № 2007613355.

14 №2(39)2008