Математическое моделирование структурных изменений в поверхностях заготовок при тепловых возмущениях в процессе шлифования Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 621.923.045 о. С. ЛОМОВА

Омский государственный технический университет

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СТРУКТУРНЫХ ИЗМЕНЕНИЙ В ПОВЕРХНОСТЯХ ЗАГОТОВОК ПРИ ТЕПЛОВЫХ ВОЗМУЩЕНИЯХ В ПРОЦЕССЕ ШЛИФОВАНИЯ______________________________________

В статье приведены математические зависимости для расчета температуры шлифования и глубины ее проникновения в поверхностный слой заготовки. Определены условия уменьшения указанных параметров на точность обработки и даны общие рекомендации по управлению циклами шлифования исходя из структурных превращений в поверхностном слое заготовок.

Ключевые слова: круглое наружное шлифование, тепловые деформации, точность обработки, структурные изменения поверхностей заготовок.

Шлифование как процесс пластического деформирования и разрушения материала заготовки и круга занимает промежуточное положение между резанием резцом и трением и сопровождается выделением большого количества тепла. Известно, что основная его доля, выделяемая в процессе шлифования, поглощается заготовкой и составляет 40 — 90 % от общей теплоты. Количество теплоты зависит от ряда факторов и может изменяться в большом диапазоне, оказывая влияние на точность и качество обработанных поверхностей.

Материалами для изготовления прецизионных и ответственных деталей машиностроения чаще всего являются конструкционные и инструментальные стали, а также твердые сплавы. В процессе шлифования поверхностный слой обрабатываемой заготовки подвергается воздействию температурно-силового фактора, в результате которого на определенной глубине от поверхности шлифования происходит разупрочнение или упрочнение металла и появление остаточных напряжений. Также тепловые явления вызывают изменение структуры и физико-механических свойств режущего инструмента.

Источником теплоты является работа, затрачиваемая на пластические деформации материала в зоне шлифования, трение стружки о переднюю поверхность шлифовального круга и трение между задней поверхностью круга и заготовкой. Скорость резания и свойства обрабатываемого металла существенно влияют на температуру в зоне контакта, в результате заготовка приобретает наклеп и внутренние напряжения. Временные напряжения по мере выравнивания температур по сечению заготовки исчезают, а остаточные, которые возникли в результате наличия пластических деформаций, остаются.

Можно отметить, что увеличение только скорости резания при круглом наружном шлифовании закаленной стали 45, приводит к большему нагреву шлифуемой поверхности и, соответственно, к увеличению напряжений растяжения и глубины их залегания (рис. 1).

Рис. 1. Эпюры распределения остаточных напряжений: 1 — V =35 м/с; 2 — V =60 м/с

Состояние поверхностного слоя определяется не только контактной температурой, которую можно измерить экспериментально, а всем пространственновременным температурным полем. В частности большое значение имеют градиенты и скорости изменения температуры, которые имеют функциональные связи с кинематическими и динамическими параметрами режима обработки, свойствами материала, характеристиками круга, СОЖ и т.д.

Управление точностью обработки сводится к установлению этих связей и воздействию через них на тепловой режим шлифования, в связи с этим возникает необходимость исследования тепловых процессов на основе фундаментальных законов и математического моделирования. Это позволит предсказывать характер их протекания и управлять точностью и качеством поверхностей вращения при шлифовании.

В работах [1, 2] задача теплопроводности решается методом Грина. Полученные авторами решения имеют некоторую ограниченность и не учитывают ряд важнейших факторов, таких как поперечное движение источника тепла для плоского, и осевое для круглого шлифования, а также различие коэффициента теплоотдачи в источнике тепла и вне его.

Теплообмен с окружающей средой при шлифовании учитывается коэффициентом теплоотдачи а.

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (120) 2013 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (120) 2013

Параметры процесса обработки на черновом режиме шлифования

Параметры чернового режима обработки Заготовка й = 25 мм, 1=60 мм

Скорость круга, ух, м/с 50

Частота вращения круга пк, об./мин 1590

Припуск на диаметр, мм 0,46

Частота вращения заготовки, Пз, об./мин 260

Скорость вращения заготовки, 5, м/мин 20,41

Коэффициент теплопроводности, X, Дж/(мм-с-град) 0,034

Коэффициент температуропроводности, а, мм2/с 6,7

Высота шлифовального круга, Л, мм 80

Коэффициент теплоотдачи вне зоны контакта, Дж/(мм2-с-°С) 0,0146

Звуковой индекс, Н 1,68

Предел прочности материала заготовки при высоких температурах, о, Н/мм2 910

Зернистость, Z 30

Скорость врезной подачи, Ур, мм/мин 1,2

Продольная скорость правки, 5рТ, мм/мин 150

Глубина правки, 1рП мм 0,01

Обычно его принимают постоянным по поверхности заготовки. Но значения а у различных авторов сильно отличаются. Очевидно, что интенсивность теплоотвода от различных участков поверхности заготовки различна. Следовательно, необходимо учитывать характер распределения а по поверхности заготовки вне и внутри зоны контакта.

При шлифовании в центрах станка в зоне контакта круга с заготовкой возникают высокие температуры, которые превышают критические точки плавления шлифуемых металлов. Такая температура сохраняется доли секунды, так как подавляющая часть возникающей теплоты сразу отводится нижележащими слоями холодного металла. Однако, несмотря на кратковременность нагрева, в поверхности заготовки появляются структурные изменения, вызывающие образование дефектного слоя (при-жоги, трещины) в результате неоднородной пластической деформации в разных зонах.

Для достижения высокой точности заготовок авторы [3] предлагают на этапе врезания уменьшить частоту вращения заготовки в 2,5 — 3 раза, но уже в следующих своих работах рекомендуют назначить в начале цикла врезания скорость вращения заготовки больше, чем рекомендуемая в [4], а затем уменьшить ее. Однако и в том и другом случаях резко возрастает температура поверхностных слоев заготовки, достигая значений выше критической. В связи с этим важно знать технологические возможности процесса шлифования в плане уменьшения температуры и глубины ее проникновения в поверхностный слой заготовки. Цикл шлифования желательно вести так, чтобы на чистовом этапе снимать только слой с измененной структурой и не больше. Для этого необходимо иметь достоверную методику определения величины дефектного слоя, основанную на теплофизическом анализе процесса.

Выполним математический анализ температурного поля поверхности заготовки при круглом врезном шлифовании с точки зрения структурных превращений. Расчеты в пакете МаШса<3 позволяют опе-

ративно вести анализ конкретных условий обработки.

Температурное поле в заготовке согласно [5] описывается следующим выражением:

^4а dt

TX•т) = ^-Н^=т ехР

2X4% ;

4а(т - t)

1-л/%а(т^Т) • ег^(и)• ехр U2

X

х 2єії

(і)

где U =

^4а(х - і) X

+ — ^а(т - і), где 1, а — коэффи-

циенты тепло- и температуропроводности; q — интенсивность теплового потока в заготовке; т — время наблюдения за температурным полем; х — координата глубины поверхности заготовки; h — высота шлифовального круга; а — коэффициент теплоотдачи.

Коэффициент теплоотдачи находим из условия:

Щт<т1, а1, а[і -т 1т2]),

(2)

где а1 — коэффициент теплоотдачи в зоне контакта; а — коэффициент теплоотдачи вне зоны контакта; т2 — время оборота детали.

Общее количество тепла, выделяемое в зоне контакта в единицу времени, можно найти как:

О = Рх • V Дж/с,

(3)

где Рх — окружная составляющая силы резания; V — скорость резания.

На основании анализа, выполненного В. А. Си-пайловым, принимаем, что все тепло резания О переходит в заготовку и стружку Оз . Распределения тепла между стружкой и заготовкой можно вычислить как:

х

х

h

х

1080

960

,0

840 \

,3

Т, °С

М М,

ТТ 720 ^ М,

--- 600 ■

М,9

480 ■

М, 12

-----360■

М, 1

240

120

/1

/1

/ \

/ 1» \

/ '''

—

■ 1 I

0 01

0 02

0 03

0 04

0 , 05

Рис. 2. Зависимости температур в слоях заготовки М1 от времени обработки т при л=260 об./мин и V! =1,2 мм/мин (черновой режим)

Т °С '12-:_____:____

0,05

Рис. 3. Зависимости температур в слоях заготовки М1 от времени обработки т при п=190 об./мин и V)=1,2 мм/мин (чистовой режим)

300

207

184

161

М,,0 138

М,з 115

М,6 92

М,,9 69

М,,12 6 4

23

Т, °С

»% \

» \ % X % X

/ ^

/' - < ^

//

00 ,01 0 ,02 0 ,03 0 04 0,05

Рис. 4. Зависимости температур в слоях заготовки М1 от времени обработки т при п=190 об./мин и V=0,4 мм/мин (чистовой режим)

т, с

0

(4)

С =

5

у + Л 24a(z7s—7)

4Лл/а ■ р - ей

у - Л

2^а(г 7 5 - 7)

4г 7 5 - 7 х М ■ ёх ■ ёу ,

(5)

где г = 41)к - 4йх , к — глубина шлифования; 5 — скорость вращения заготовки; ) — диаметр заготовки.

Находим интенсивность теплового потока в заготовку q■.

= 0(1 - С) 1 Ь ■ 2 ■ Л '

(6)

Для условий круглого врезного шлифования это отношение вычисляется из следующего выражения:

где Ь =4) ■ к — длина дуги контакта.

При расчете 0 по (3) воспользуемся эмпирической формулой М. С. Степанова и Л. В. Ходакова для вычисления Рг, приходящейся на 1 мм высоты шлифовального круга с характеристикой 25А30СТ2К при скорости шлифования 50 м/с: 2

Рг = 2,254 ■ -

0,342

О

Н 0

■ V Р

70,051 о0,073 о0,073 ■ х0,026 ^ 5 5рг 7рг

Н,

(7)

где а( — предел прочности материала заготовки при высоких температурах (600 ° С), кгс/мм2; Н — звуковой индекс; Z — зернистость; Vp — скорость врезной подачи, мм/мин; 5 — окружная скорость вращения заготовки, м/мин; 5рг — продольная скорость правки, мм/мин; 7рг — глубина правки, мм.

х

х

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (120) 2013 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (120) 2013

Моделирование выполнялось для условий круглого наружного шлифования заготовок из закаленной стали 40ХН диаметром 25 мм при длине 60 мм. Частота вращения, скорость врезной подачи, характеристики материала заготовок и круга и другие параметры процесса приведены в табл. 1.

Результаты моделирования в виде зависимостей температур в слоях заготовки от времени чернового режима обработки и скорости врезной подачи представлены на рис. 2.

Каждая из кривых на рисунке соответствует глубине обработки х с шагом 0,03 мм, начиная с х=0. Максимальная температура на поверхности заготовки при врезании круга на этапе черновой обработки достигает значения 994 ° С, а на глубине, соответствующей припуску обработки 0,45 мм (15-й слой), составляет 139 ° С.

Окончательная точность заготовки формируется на чистовом режиме шлифования. При этом допустимая погрешность (некруглость) не должна превышать подачу на оборот (глубину шлифования в установившемся режиме).

Известно, что в поверхностях заготовок, выполненных из конструкционных легированных сталей в диапазоне температур от 80 до 200 °С происходят минимальные структурные изменения, поэтому припуск на обработку должен быть таким, чтобы выбирать слои заготовки с температурами от 200 °С и выше.

Для определения оптимального значения скорости врезной подачи Ур были проанализированы нормативные данные [4] и посредством моделирования по выбранной подаче на оборот вращения заготовки уточнена скорость Ур:

П=(^60)Ло,

(8)

где ^ — время оборота; Бо — допустимая подача на оборот, мм/об. (табл. значение для чистовой обработки).

Время оборота заготовки:

1 1

К = -■ 60 =--------------60 = 0,23 с,

0 п 260

(9)

где п — частота вращения заготовки, соответствующая времени оборота.

Тогда:

_ °.°015 _ 60 = 0,4 мм/мин. (10)

р 0,23

Таким образом, уточненная скорость врезной подачи составила 0,4 мм/мин вместо рекомендуемой в [4], при которой температура слоя на величине припуска чистового цикла шлифования достигала бы 300 ° С (рис. 3).

Результаты моделирования чистового режима обработки с уточненной скоростью врезной подачи при прочих равных условиях приведены на рис. 4. После уменьшения скорости подачи с 1,2 мм/мин до 0,4 мм/мин температура на поверхности заготовки

составит 143 °С, что допустимо из условий образования дефектного слоя. Таким образом, в слоях заготовки не происходит повышенного нагрева, и выбранный режим шлифования является оптимальным.

На основании теплофизического анализа можно сделать вывод, что при шлифовании на этапе черновой обработки можно сохранять скорость врезной подачи согласно рекомендуемой, а на этапе чистовой обработки уменьшить подачу так, чтобы удалять только дефектный слой. Размер дефектного слоя для данной заготовки составит 0,36 мм (рис. 2, слои М , 0 —

М ) ’’

1, 12'

Припуск на обработку помимо расчета также можно определить исходя из рис. 2 — он будет равен глубине слоя заготовки, начиная с температуры 994 °С и до 139 °С, что соответствует значению 0,45 мм. Тогда припуск на этапе чистовой обработки составит: 0,45 (общий припуск) —0,36 (припуск на черновую обработку ) = 0,09 мм.

Таким образом, уже на этапе проектирования цикла круглого шлифования можно определять оптимальный припуск на обработку, равный величине дефектного слоя заготовок, и уменьшить суммарную погрешность обработки за счет исключения структурных изменений и остаточных напряжений в поверхностях заготовок. Моделирование температуры в зоне резания и определение глубины ее проникновения в материал заготовки позволит обоснованно подбирать режимы шлифования и управлять точностью обрабатываемых поверхностей.

Библиографический список

1. Сипайлов, В. А. Тепловые процессы при шлифовании и управление качеством поверхности / В. А. Сипайлов. — М. : Машиностроение, 1978. — 168 с.

2. Тепловые процессы при обычном и прерывистом шлифовании / А. В. Якимов [и др.]. — Одесса : ОГПУ, 1998. — 274 с.

3. Сизый, Ю. А. Моделирование и управление качеством поверхности при врезном шлифовании / Ю. А. Сизый, А. В. Ев-тухов // Резание и инструмент в технологических системах : межд. научн.-техн. сб. — Харьков : НТУ «ХПИ». — 2002. — Вып. 61. - С. 194-201.

4. Общемашиностроительные нормативы времени и режимов резания для нормирования работ, выполняемых на универсальных и многоцелевых станках с числовым программным управлением. — М. : Экономика. — 1990. — Ч. II. Нормативы режимов резания. - 473 с.

5. Сизый, Ю. А. Математическое моделирование температурного поля в шлифуемой заготовке периферией круга / Ю. А. Сизый, М. С. Степанов // Восточноевропейский журнал передовых технологий. — 2004. — № 2. — С. 52 — 63.

ЛОМОВА Ольга Станиславовна, кандидат технических наук, доцент кафедры «Нефтехимические технологии и оборудование».

Адрес для переписки: [email protected]

Статья поступила в редакцию 26.02.2013 г.

© О. С. Ломова