ИЗМЕНЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НАГРЕВА ОБРАБАТЫВАЕМОГО МАТЕРИАЛА ВСЛЕДСТВИЕ ИЗНОСА АБРАЗИВНОГО ИНСТРУМЕНТА Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.922

ИЗМЕНЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НАГРЕВА ОБРАБАТЫВАЕМОГО МАТЕРИАЛА ВСЛЕДСТВИЕ ИЗНОСА АБРАЗИВНОГО ИНСТРУМЕНТА

С.Г. БИШУТИН, профессор, доктор техн. наук, Н.В. ТЮЛЬПИНОВА, ассистент, УНТИ Брянский ГТУ, г Брянск

Представлена методология прогнозирования тепловыделения в контактной зоне заготовки и абразивного инструмента с учетом его изнашивания.

The methodology of forecasting of heat separation in contact zone of stock and abrasive tool with taking into account its wear process is present.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: АБРАЗИВНЫЙ ИНСТРУМЕНТ, ИЗНОС, ТЕМПЕРАТУРА НАГРЕВА ДЕТАЛИ, МЕТОДОЛОГИЯ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ.

Качество продукции машиностроения в значительной степени обеспечивается на финишных операциях технологических процессов механической обработки. Наиболее распространенными финишными операциями являются разнообразные виды абразивного шлифования. Тепловые явления, сопровождающие процесс шлифования, оказывают существенное влияние на качество шлифованных поверхностей. На практике стремятся, чтобы процесс абразивной обработки не вызывал значительных структурно-фазовых изменений (прижогов) материала поверхностного слоя заготовки вследствие ее нагрева. Для назначения научно обоснованных режимов бесприжо-гового шлифования необходимо иметь представление о температурном поле в зоне обработки, которое претерпевает значительные изменения вследствие изнашивания шлифовального круга. Однако существующие математические модели прогнозирования тепловыделения при шлифовании не учитывают в должной мере изменение состояния рабочей поверхности инструмента в процессе его эксплуатации.

В этой связи приведенные ниже результаты исследований являются актуальными и представляют интерес как с научной, так и с практической точки зрения.

В основу исследований положена следующая схема нагрева и охлаждения обрабатываемого материала при контактировании с абразивным

1(18

инструментом (рис. 1). Источником тепловыделения при шлифовании являются перемещающиеся с большой скоростью абразивные зерна, создающие тепловые импульсы (на рис. 1 показаны в виде скачков температуры). В процессе шлифования каждый элементарный участок зоны контакта заготовки и шлифовального круга от момента входа в контакт до выхода из контакта испытывает действие ряда тепловых импульсов. Каждый импульс вызывает нагрев и последующее охлаждение шлифуемой поверхности. Интервал между тепловыми импульсами определяет степень охлаждения и температуру, до которой успеет остыть поверхность к моменту подхода очередного зерна. Считаем, что процесс охлаждения между импульсами происходит адиабатически, без конвективных потерь. Итак, когда рассматриваемый участок находится в контакте, он испытывает воздействие г импульсов, в промежутках между которыми происходит значительное снижение температуры, но не до первоначального значения: каждое последующее зерно входит в металл, нагретый действием предыдущих зерен. Другими словами, к температуре от второго импульса добавляется температура, до которой успел остыть металл от действия первого импульса к моменту начала второго (добавляется «остаток» от предыдущего импульса); к температуре от третьего импульса добавляется остаток от действия двух предыду-

т; с

Рис. 1. Изменение температуры Т обрабатываемого материала при контактировании

с абразивным инструментом в течение (ш цикла шлифования: ^ - время единичного контакта рассматриваемого участка поверхности заготовки с кругом; ^ - время между двумя температурными импульсами; ^ - время охлаждения обрабатываемого материала между контактами; t - время охлаждения обрабатываемого материала между рабочими ходами

щих и т.д., т.е. происходит постепенное накопление тепла от каждого импульса.

Обрабатываемая поверхность входит в контакт с кругом периодически, т.е. за один рабочий ход рассматриваемый участок поверхности заготовки испытывает Н контактов с кругом. В промежутках между этими повторными контактами поверхность заготовки охлаждается окружающей средой: смазочно-охлаждающим технологическим средством (СОТС) и воздухом. Температура снижается значительно, но все же не до исходной величины, поэтому к температуре на очередном контакте добавляется температура, до которой успеет охладиться поверхность в промежутке между предыдущими контактами. Таким образом, после каждого контакта происходит накапливание тепла.

При многопроходном шлифовании рассматриваемый участок поверхности, испытав Н контактов с кругом за один рабочий ход, выходит из последнего контакта и охлаждается в течение определенного промежутка времени до тех пор, пока не вступит в контакт с кругом на следующем рабочем ходе. В течение этого промежутка времени происходит снижение температуры до определенной величины, ко -торая добавляется к последующему циклу нагрева. Таким образом, после каждого рабочего хода также происходит постепенное накопление тепла.

При шлифовании поверхностный слой постоянно срезается, при этом слой металла, расположенный под поверхностью (например, на расстоянии припуска), постепенно нагревается, по мере снятия припуска приближается к зоне контакта круга с заготовкой и после снятия припуска выходит на поверхность. Температура, которая накапливается в этом слое за время обработки, определяет наличие в этом, уже поверхностном слое структурных изменений и дефектов. Естественно, что в начале обработки, когда этот слой находится на расстоянии припуска под поверхностью, нагрев от действия абразивных зерен в контакте незначителен, но по мере приближения к зоне контакта нагрев усиливается за счет сокращения расстояния до поверхности.

Таким образом, температура поверхности заготовки Т является функцией следующих параметров, определяемых структурой технологической операции и режимами обработки:

Тз = /& Н М Ч, Ъ ^

(1)

где I - число температурных импульсов при единичном контакте круга и рассматриваемого участка заготовки; Н - число контактов рассматриваемого участка заготовки с кругом за один рабочий ход;

Продолжение на стр. 22 № 3 (44) 2009 19

СМНКИЛИНЩР^ЕНТ, TSXH О Л О г и И йШ.

XII МЕЖРЕГИОНАЛЬНАЯ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННАЯ ВЫСТАВКА

¿ГТ:

межАгнлрОАньт строчный CDOРХМ

в который входят:

КОНКУРС СВАРЩИКОВ РОССИИ

МЕЖДУНАРОДНАЯ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ

XII МЕЖРЕГИОНАЛЬНАЯ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННАЯ ВЫСТАВКА

БАШЭКСПО

ВЫСТАВОЧНЫЙ ЦЕНТР

450080, Россия, Республика Башкортостан, г. Уфа а/я 144 Тел.: (347) 256-51-80, 256-51-86, 256-54-61 Факс: (347) 290-87-07

E-mail: welding@bashexpo.ru, mash@bashexpo.ru http://www.bashexpo.ru

¥ПОД ПАТРОНАЖЕМ ТОРГОВО-ПРОМЫШЛЕННОЙ ПАЛАТЫ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ПРАВИТЕЛЬСТВО УДМУРТСКОЙ РЕСПУБЛИКИ АДМИНИСТРАЦИЯ ГОРОДА ИЖЕВСКА УДМУРТСКАЯ ТОРГОВО-ПРОМЫШЛЕННАЯ ПАЛАТА ВЫСТАВОЧНЫЙ ЦЕНТР 'УДМУРТИЯ'

20-23 ОКТЯБРЯ 2009 ГОДА

VIII Международная специализированная выставка

&

МАШИНОСТРОЕНИЕ.

МЕТАЛЛУРГИЯ.

МЕТАЛЛООБРАБОТКА.

Тел./факс: (3412) 25-44-65, 25-48-68, 25-48-33, 25-47-33, 25-48-74

e-mail: metal@vcudmurtia.ru

www.metal.vcudmurtia.ru

Место проведения: *—

г. Ижевск, ул. Кооперативная, 9, у^ЦЯь.

ОАО «ЭКСПО Удмуртия» (ФОЦ «Здоровье»)

Рис. 2. Схема определения температуры в обрабатываемой заготовке

М - число рабочих ходов круга; q - мощность температурного импульса; I - время между двумя температурными импульсами; I - время охлаждения обрабатываемого материала между контактами; ^ - время охлаждения обрабатываемого материала между рабочими ходами.

Для достоверного прогнозирования температуры нагрева обрабатываемого материала была предложена схема ее определения (рис. 2). Температура в рассматриваемой точке поверхности заготовки при шлифовании определяется мощностью теплового источника, числом тепловых импульсов, теплофизическими характеристиками контактирующих материалов. Мощность теплового источника определяется тепловыделением от трения вершин зерен о заготовку и от пластической деформации обрабатываемого материала. Тепловыделение при трении зависит от коэффициента трения, скорости вращения круга, контактирующих материалов, применяемого СОТС, интенсивности напряжений в рассматриваемой точке. Тепловыделение от пластической деформации определяется интенсивностью напряжений и деформаций в рассматриваемой точке. Интенсивность напряжений и деформаций опре-

деляется глубиной вдавливания зерна в металл а и радиусом скругления зерна р, которые, в свою очередь, являются функциями величины износа шлифовального круга. Число тепловых импульсов определяется характеристиками инструмента, режимом обработки, геометрическими размерами круга и заготовки, числом рабочих ходов шлифовального круга, распределением по высоте вершин зерен инструмента, которое, в свою очередь, является функцией величины износа шлифовального круга и зависит от режимов правки. Таким образом, износ, влияя на распределение по высоте вершин зерен, радиус скругления вершины зерна и глубину вдавливания зерна в металл, определяет напряженно-деформированное состояние в рассматриваемой точке и в конечном счете температуру при шлифовании.

Для описания процесса тепловыделения при шлифовании необходимо располагать значениями величин г и q.

Основными источниками тепловыделения при шлифовании являются пластическая деформация обрабатываемого материала и трение вершин зерен о заготовку, поэтому мощность теплового источника (абразивного зерна) можно

определить путем анализа работы деформирования и трения в срезаемом слое:

и0+1 л/3

(2)

где о 8. - обобщенные напряжение и деформация рассматриваемого объема; п0 - параметр степенной аппроксимации диаграммы о. - 8.; Ук - скорость вращения круга; ц - коэффициент трения вершины зерна о металл.

По формуле (2) можно определить q, если известны обобщенные напряжение о. и деформация 8.. Они находятся на основе известного решения С.Г. Бишутина [1] задачи о напряженно-деформированном состоянии обрабатываемого материала и в значительной степени зависят от износа шлифовального круга, поскольку он приводит к изменению формы вершин активных зерен.

Число тепловых импульсов г определялось следующим образом. На обрабатываемой поверхности детали условно выделяем участок площади контакта шириной 1 мм и длиной Ь. Через этот участок при единичном контакте со шлифовальным кругом проходит п вершин абразивных зерен. С учетом распределения по высоте вершин зерен величина п определяется по формуле

п =

ЬУКРС {и) Г3 (0,62АГ/Г)2

(3)

Рис. 3. Схема взаимодействия шлифовального круга с заготовкой

Общее число N вершин зерен, находящихся в рассматриваемом поверхностном слое круга, пропорционально площади ^ Число N вершин зерен, глубина внедрения которых в обрабатываемую поверхность может составлять аг е [0; tф], пропорционально площади £ (Ьа и Ааг - размеры участка поверхностного слоя круга, содержащего Лз рассматриваемых вершин зерен). Тогда распределение числа рисок в зависимости от аг имеет вид

_ Б _ фф -а? ■

0,67?,

ф5

(4)

где Ь - длина дуги контакта круга и заготовки; V - скорость вращения круга; Уз - скорость вращения (перемещения) заготовки; FС(u) - распределение по высоте вершин зерен как функция линейного износа и шлифовального круга [1]; N - зернистость инструмента; V - объемное содержание зерен в круге: V = 62 - 2Ст, где Ст - порядковый номер структуры круга (1, 2, 3, ... 12).

Очевидно, что г = Д(п). Для выявления этой функции необходимо рассмотреть расположение рисок (царапин) от вершин зерен на обработанной поверхности. Реально риски могут быть сдвинуты по ширине и длине относительно друг друга в каждый момент времени на произвольные расстояния. Ширина рисок не является постоянной величиной. Каждая риска характеризуется своими конкретными значениями ширины Ь и глубины аг. Для выявления распределения числа рисок в зависимости от аг необходимо рассмотреть поверхностный слой 1 шлифовального круга, контактирующего с рассматриваемым участком 2 поверхности заготовки на каждом рабочем ходе (рис. 3).

По формуле (4) были определены значения вероятностей образования рисок (царапин) вершинами зерен от глубины их внедрения в обрабатываемый материал.

Следующим этапом исследований было построение имитационной модели взаимодействия зерен круга с поверхностью заготовки. Если представить прохождение участка поверхности определенного диаметра через зону контакта, то на своем пути до выхода из зоны контакта этот участок может раз испытать тепловое воздействие зерен. Считаем, что тепловой импульс возникает при любом касании зерна площади этого участка, т. е. не только от зерна, проходящего через центр участка, но и от зерен, риски которых касаются и частично перекрывают этот участок. При этом отсекаем те риски, которые попадают в ранее образовавшиеся, более глубокие и широкие риски. Итак, рассмотрев движение нашего участка, получаем число импульсов г. Затем берется к реализаций картин наложения рисок (в зависимо-

сти от требуемой точности), для каждой реализации определяется i и проводится осреднение числа импульсов по всем реализациям. Полученное в результате такого осреднения значение i принимается в качестве конечного результата. При таком подходе учитывается хаотичное расположение зерен на периферии круга, оставляющих различные по глубине и ширине риски.

Описанный алгоритм был реализован в виде программного модуля, написанного на языке Visual Fortran. Результаты работы программного модуля обрабатывались методами математической статистики для выявления удобных для расчета зависимостей вида:

- при тонком режиме алмазной правки:

i = 0,907

0,62 —

, V j

АЛ"2'4

„0,17,0,41

\0,85

Ч*з J

(5)

при среднем режиме алмазной правки:

i = 0,923

' N 0,62 —

, VJ

-2,41

Гтг Л°>87

„0,26 Д36 и *ф

Ч*з J

(6)

- при грубом режиме алмазной правки:

i = 1,706

' N 0,62 —

, V.

-2,37

0,30,0,43 и *ф

\0,84

V

У'зу

(7)

- степень влияния линейного износа шлифовального круга на число тепловых импульсов возрастает при переходе от тонких режимов правки инструмента к более грубым режимам, что объясняется различиями в распределениях по высоте вершин зерен при разных режимах правки.

Определение мощности и числа тепловых импульсов позволило перейти к математическому моделированию тепловыделения при шлифовании с учетом изнашивания инструмента.

Поскольку источником тепла является абразивное зерно, то температурное поле, создаваемое таким источником, зависит от формы и глубины внедрения аг той части зерна, которая контактирует с обрабатываемым материалом. Поверхность перемещающейся в металле части зерна представляет собой шаровой сегмент, радиус р которого меняется в зависимости от линейного износа и круга. С учетом этого температурное поле, создаваемое единичным зерном можно описать зависимостью С.Г. Редько, которая в условиях работы круга с затуплением вершин зерен имеет вид

Т =

q-Ja ро 2 z

exp

(z- р0+£еи))2 4a (t* -t')

Переменные, входящие в эти формулы, варьировались в следующих диапазонах: N е [16; 63]; V е [38; 60] %; и е [0,001; 0,020] мм; (ф е [0,005; 0,016] мм; К е [20; 50] м/мин; Vк е [20; 60] м/с. з к

Адекватность представленной имитационной модели оценивалась путем сопоставления расчетных значений г тепловых импульсов с экспериментальными данными С.Г. Редько [2] и собственными данными. Максимальное расхождение теоретических и экспериментальных данных не превышало 27 %, что можно считать приемлемым.

Проведенные исследования показали, что:

- наибольшее влияние на число тепловых импульсов оказывают характеристики абразивного инструмента (зернистость и объемное содержание зерен в круге);

- при увеличении линейного износа шлифовального круга до 20 мкм число тепловых импульсов в зависимости от условий шлифования увеличивается в 1,5...2 раза;

ехр

(z-(po + kEu)f + 2zaz 4 aif-t')

dt', (8)

где X, а - теплофизические характеристики обрабатываемого материала; u - линейный износ шлифовального круга; р - радиус скругления вершины зерна после правки круга; k8 - коэффициент, зависящий от угла 8 между образующими конуса (если представить вершину зерна в виде конуса со скругленной вершиной); az - глубина внедрения зерна в металл; т - время действия теплового источника; z - координата точки, в которой нужно определить температуру; t* - координата времени; t - переменная интегрирования.

Некоторые результаты расчетов, выполненных по предложенной методике с помощью DIGITAL Visual Fortran, представлены на рис. 4. Экспериментальная проверка полученной математической модели тепловыделения (результаты которой применительно к чистовому шлифова-

нию стали 45 частично представлены на рис. 5) показала удовлетворительное совпадение расчетных и экспериментальных данных.

В ходе экспериментальных и теоретических исследований тепловыделения при чистовом шлифовании сталей в течение всего периода стойкости круга было установлено, что число температурных импульсов увеличивается в 1,5-2 раза, среднеинтегральная (контактная) и максимальная температура в зоне резания возрастает на 150.180 % и 50.100 % соответственно.

Проведенные исследования позволяют:

- прогнозировать тепловыделение в контактной зоне заготовки и шлифовального круга с учетом всех основных факторов процесса обработки в течение всего периода стойкости абразивного инструмента;

- определять период стойкости шлифовального круга по критерию отсутствия прижогов на обрабатываемой поверхности;

- целенаправленно выбирать условия обработки заготовки с учетом изменения тепловыделения в контактной зоне заготовки и абразивного инструмента вследствие его изнашивания.

500

400

т, °С

1 ! ' 11 [ 4 5 ! 6 1 1 7 11 | Я «я, с

ш1г Ч я

^—кК I Л 1 041 1 вре

т, °С ■ ■■ ■ ■ ■' ■ ■ '■ ■■ 11 ......■■ ■ ■' ■■ ...........

-!

■1 ¡7

(г

т, °С

' 140011-■---------■-

0.02 0.021 0.011 01 О.024 0.025 0.016 0.02? 1028 0.019 0.03 0.031

Рис. 4. Изменение температуры поверхности заготовки из стали 12ХН3А при чистовом шлифовании вследствие износа инструмента (в верхней части графиков указаны порядковые номера контактов круга и заготовки; верхние кривые соответствуют линейному износу круга и = 10 мкм, нижние - и = 0 мкм)

10 15

Время, мин Время, мин

а б

Рис. 5. Сопоставление теоретических и экспериментальных исследований:

— эксперимент; -------- расчет; а - среднеинтегральная (контактная) температура, °С;

б - число тепловых импульсов

Список литературы

1. Бишутин С.Г. Обеспечение требуемой совокупности параметров качества поверхностных слоев деталей при шлифовании: монография / С.Г. Бишутин. - М.: Машиностроение-1, 2004. - 144 с.

2. Редько С.Г. Процессы теплообразования при шлифовании металлов / С.Г. Редько. - Саратов: Изд-во СГУ, 1962. - 231 с.

Контактная информация для переписки: Бишутин С.Г. - 241035, Брянск, УНТИ Брянского государственного технического университета;

тел.: (4832) 58-82-79