МЕТОДИКА РАСЧЕТА ШЕРОХОВАТОСТИ ПОВЕРХНОСТИ ПРИ ОБРАБОТКЕ АБРАЗИВНЫМ ИНСТРУМЕНТОМ ИЗ СВС МАТЕРИАЛОВ Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621

МЕТОДИКА РАСЧЕТА ШЕРОХОВАТОСТИ ПОВЕРХНОСТИ ПРИ ОБРАБОТКЕ АБРАЗИВНЫМ ИНСТРУМЕНТОМ ИЗ СВС МАТЕРИАЛОВ

© 2021 Н.В. Носов, Р.Г. Гришин, Р.В. Ладягин, Я.М. Гордиенко, И.М. Сальников

Самарский государственный технический университет, Самара, Россия

Статья поступила в редакцию 10.06.2021

В статье были проведены исследования шероховатости поверхности при шлифовании абразивным инструментом из СВС материалов. Исследования показали, что шероховатость поверхности при шлифовании кругами из СВС КР увеличивается пропорционально повышению радиуса закругления вершины зерна, врезной подачи и обратно пропорционально скорости вращения круга и заготовки, а также твердости обрабатываемого материала

Ключевые слова: абразивный инструмент, шероховатость, твердость, вершина зерна, СВС материалы.

Б01: 10.37313/1990-5378-2021-23-3-73-76

ВВЕДЕНИЕ

Большую роль в образовании шероховатости при шлифовании оказывает пластическая деформация зерен.

Влияние пластической деформации металла на высоту неровностей занимался Филимонов [1]. В зависимости от марки обрабатываемого материала, радиуса округления вершин зёрен и толщина срезаемого слоя az наплывы увеличивают шероховатость поверхности на 20-80%. Автор определял шероховатость обработанной поверхности, через определение величины az для различных условий шлифования

Rz = Cz • az + hH, (1)

где Cz - коэффициент пропорциональности.

Эта зависимость более приемлема для инженерных расчетов. В тоже время, если принять, что рабочая поверхность круга обладает свойствами эргодичности, то через определенное число наложений возникает равновесный эффективный профиль высотой az, тогда Cz = 1

Таким образом, образование наплывов при шлифовании за счет работы деформирующих зёрен неизбежно. Для определения максималь-

Носов Николай Васильевич, доктор технических наук, профессор кафедры «Технология машиностроения, станки и инструменты».

Гришин Роман Георгиевич, кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой «Технология машиностроения, станки и инструменты». E-mail: tmsi@samgtu.ru

Ладягин Роман Владимирович, старший преподаватель кафедры «Технология машиностроения, станки и инструменты».

Гордиенко Ярослав Михайлович, аспирант кафедры «Технология машиностроения, станки и инструменты». Сальников Игорь Михайлович, магистр кафедры «Технология машиностроения, станки и инструменты».

ной высоты наплывов сравним площадь стружечной канавки Р и площадь наплывов Р .

стр ' ^ н

Площадь стружечной канавки Рстр = Ь. • а . где Ь. - ширина срезаемой стружки. По данным [1] ширина Ь. связана с глубиной врезания а. параболической зависимостью Ь. = 2д/2р3 • а2 ,

тогда Рстр = 2а. •д/2Рз • а. .

В то же время, если стружка не срезалась при работе зерна, то эта площадь перераспределялась в наплывы, образовавшиеся по сторонам риски.

Для простоты примем, что такой наплыв имеет форму полукруга, тогда

рн п-ь* п-ь*

"г- = —~— или Н = —-—. 2 8 н 4

Приравняем площади Рстр ~ Рн и выразим максимальную высоту наплыва

•Рз

(2)

Расчеты по формуле (2) показывают, что h max всегда больше az. Так, например, при a" m= 0.002 мм и р3 = 0.02 мм, h = 0.0067

^z г 3 > н max

мм, т.е. Rzmax = 0.002 + 0.0067 = 0.0087 мм или Ramax ~ 2 0 мкм. В реальных процессах, когда образуется стружка высота наплывов всегда меньше h , т.к. часть объема металла уда-

н max

ляется с поверхности заготовки.

Таким образом, с учетом образования наплывов при шлифовании величина Rz будет рассчитываться по следующей формуле Rz = az + hHmax(e,0 -Сн • VK), (3)

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Для получения количественных зависимостей влияния процесса шлифования на величи-

ну аг используем схему прерывистого микрорезания единичным зерном в условиях круглого наружного и плоского шлифования периферией или торцем круга. При этом определялась толщина срезаемого слоя аг в зависимости от продольной подачи на один оборот диска Бг глубины резания ^ и диаметра диска Б. Получена эмпирическая зависимость по определению величины аг для продольного сечения среза в виде запятой [2]

Сравнение расчетов по произведенным формулам показывает значительный разброс величины аг. Анализ схем стружкообразования и экспериментальные замеры аг позволили автору рекомендовать, в качестве наиболее близкого к фактической форме среза, расчеты по формуле (5).

Таким образом, существует ряд зависимостей по расчету величины аг, которые можно объединить по двум существенным признакам. Первый блок формул [2, 3 и др.] связывает аг с кинематикой процесса шлифования, второй [4, 5 и др.] учитывает физические основы процесса резания: скорость деформации, геометрические параметры режущих кромок и т.д., что, наш взгляд, более существенно. При этом величина срезаемого единичным зерном слоя есть величина постоянная, что подтверждается работами Н.И. Богомолова. Автором [6] установлена зависимость, связывающая коэффициент Ру

шлифования Кш = —, где Р и Рг - соответственно нормальная и тангенциальная состава

ляющие силы резания с отношением — при

Р

шлифовании закаленных сталей с Ук> 20 м/с кругом после правки

Кш = (3...5) - 10Л (4)

Анализ формулы (5.19) показывает, что при а

равных значениях — будут наблюдаться при-Р

мерно одинаковые коэффициенты шлифования, что установил и А.В. Якимов [7]. Так, по его данным, для £кр = 0.04...0.08, коэффициент шлифования будет колебаться от 2,6 до 2,2, что подтверждается результатами многочисленных экспериментальных исследований [8], из которых следует Кш=1.7...3.

Найдем величины аг через относительную критическую глубину внедрения зерен из формулы (2.142) с учетом заданной глубины резания I.

= Р07•1

^ 0.023 • <53(1 - ^п у к) ,

где I - глубина резания при шлифовании с продольной подачей, при шлифовании с врезной

подачей 1 = —, где п - число оборотов заготов-п

ки об/мин; у к = (-60° ). ..(-80° ) - для условий чистового и получистового шлифования.

Подставив найденное значение аг в формулу (5) можно определить величину Предложенные формулы по расчету не исключают применение эмпирических зависимостей, связывающие шероховатость поверхности с режимами и условиями обработки, а лишь дополняет их. Данными расчетами можно пользоваться при обосновании выбора оптимальных характеристик АИ при минимально необходимых режимных параметрах.

Рассмотрим порядок определения шероховатости при внутреннем врезном шлифовании заготовки 0 75 из Ст.40Х НЯС 55 абразивным кругом ПП 63х16х40 СВС КР 25 СМ1 6 К5 при скорости резания 40 м/с и 0уд=100 мм2/мин.

1. Задаемся скоростью вращения заготовки

Ук

из условия = 50, т.е. У1=48 м/мин, что со-

ответствует

1000• V, 1000•48

п =-—1 =-— = 200

я • dq

к 75

об/мин. Тогда подача на врезание будет равна

• п 100 • 200

0.42 мм/мин.

2 V! • 1000 48•1000

2. Для зернистости 25 СВС КР определяем радиус вершины зерна при £ср = 98° .

£ ср 0.265

р = 0.13 • у • tg-^L = 0.13 •—-— • tg49 « 0.02 мм.

3. Пользуясь формулой (5.20), находим вели-

чину аг при у к = -70°

0.02а7 • 0.42

= 0.0016

0.023 • (40 • 60)053 [1 - 8т(-70°)] • 200 мм

4. Определим высоту наплывов при НУ =630.

Ь. = Ь,тях •£, =,/- • 0.001^2 • 0.02 • 0.0016 • п

1220 - 630 1220

- 0.0025 • 40 I = 0.0021

мм.

5. Подставим полученные значения в формулу (5.10)

Я =0.0016+0.0021=0.0037 мм или Я =0.92 мкм.

г а

Для того, чтобы учесть влияние продольной подачи Б1, можно воспользоваться формулой Е.Н. Маслова [3]

Я, = Я,

в

я!-1

где - величина шероховатости, полученная при шлифовании без продольной подачи, 8 -коэффициент, учитывающий уменьшение шероховатости (8 = 0,75); В - ширина круга, мм, - продольная подача в долях ширины круга на 1 оборот заготовки. При Б1=В величина Кг=Кг1.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Для подтверждения теоретических предпосылок формирования шероховатости обработанной поверхности были проведены исследования влияния характеристик АИ на величину Яа при внутреннем шлифовании сталей. Исследования показали, что большое влияние на среднее арифметическое отклонение профиля поверхности оказывает зернистость абразивного круга.

С увеличением размера зерна величина Яа повышается. Это связано с тем, что увеличение радиуса закругления вершины зерна р требует также увеличить относительную критическую глубину внедрения зерна £ . Теоретические исследования показали, что при заданных условиях и режимах шлифования величина Яа при обработке, например, ст.ШХ-15 АК из СВС КР с увеличением зернистости от 6 до 40 растёт от Яа=0,45 мкм до Ка=1,6 мкм. Сравнивая расчеты по формуле (5.20) с экспериментальными данными видим, что расхождение значений не превосходит 20%. Уменьшение твердости стали с ЖС 64 до ЖС 59 повышает шероховатость на 14 - 26%. С увеличением твёрдости круга величина Яа снижается для всех характеристик АИ и не зависит от марки абразивного материала. Это связано с тем, что увеличивается количество связки для более твердых кругов и уменьшается микротвердость абразивного круга Н , , с Н,, =20 ГПа (твёрдость М3) до Н,, =18ГПа

^а Н-а

(твердость СТ1), т.е. снижается режущая способность кругов, за счет уменьшения величины аг. Сравнение работоспособности АИ с разными марками абразивного материала показывает, что при обработке кругами из СВС корунда шероховатость поверхности снижается для кругов зернистостью меньше 16, т.к. СВС КР имеют радиус закругления зёрен от 6 до 16 зернистости больше, чем у обычных абразивов 91А и 24А. В тоже время для кругов зернистости больше 25 наблюдается некоторое увеличение параметра Яа. Данная тенденция сохраняется и при обработке кругами разной твердости. Следует отметить, что разброс средних значений шероховатости для разных марок абразивных кругов незначительный и составляет не более 25-30 %.

Таким образом, исследования показали, что шероховатость поверхности при шлифовании кругами из СВС КР увеличивается пропорционально повышению радиуса закругле-

ния вершины зерна, врезной подачи и обратно пропорционально скорости вращения круга и заготовки, а также твердости обрабатываемого материала. Кроме этого на величину Яа оказывают влияние и другие факторы, которые не учитываются при расчете.

ВЫВОДЫ

Таким образом, теоретико-экспериментальные исследования шероховатости поверхности позволили сделать следующие выводы:

1. Анализ существующих подходов к расчету высоты микронеровностей обработанной поверхности при шлифовании показывает, что наиболее приемлемым является модель, предложенная Л.Н. Филимоновым, в которой учитывается глубина срезаемого единичным зерном слоя и величина наплывов. В этом случае величина аг рассчитывается.

2. Экспериментальные исследования шероховатости поверхности показали, что с увеличением зернистости АИ из СВС КР в 4 раза величина Яа повышается в 3 раза, а с увеличением твердости круга уменьшается. При этом экспериментальные данные коррелируются с расчетами.

3. После обработки экспериментальных данных получена эмпирическая зависимость (форм. 5.22), которая подтверждает результаты расчета, однако количественно величина шероховатости на 10-20% ниже расчетных и опытных данных.

4. Сравнение шероховатости обработанной поверхности АИ из СВС КР с другими абразивными материалами (91А и 24А) показывает, что для зернистости от 6 до 16 она меньше на 1015%, а для 25 до 40 больше. Это связано, с одной стороны, с тем, шлифпорошки СВС КР имеют более округлую форму, чем шлифзерна, а с другой более развитый микрорельеф поверхности зерна.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Филимонов Л.Н. Высокоскоростное шлифование. - Л.: Машиностроение, 1979. - 248 с.

2. Лурье Г.Б. Шлифование металлов. - М.: Машиностроение, 1969. - 172 с.

3. Маслов Е.Н. Теория шлифования металлов. - М.: Машиностроение, 1974. - 320 с.

4. Островский В.И., Савицкая Б.Г. Пространственная кинематико - геометрическая модель стружко-образования при шлифовании // Современные способы повышения качества абразивно-алмазной и упр. обработки. - Пермь, 1985. - С.3 - 10.

5. Филимонов Л.Н. Плоское шлифование. - Л.: Машиностроение, 1985. - 109 с.

6. Богомолов Н.И. Исследование прочности абразивных зерен в процессе микрорезания // Заводская лаборатория. - 1966. №3. - С. 353 - 354.

7. Якимов А.В. Оптимизация процесса шлифования.

- М.: Машиностроение, 1975. - 176 с. 8. Корчак С.Н. Прогрессивная технология и автома

тизация круглого шлифования. - М.: Машино строение, 1968. - 108 с.

PROCEDURE FOR CALCULATING THE SURFACE ROUGHNESS DURING GRINDING WITH AN ABRASIVE TOOL MADE OF SHS MATERIALS

© 2021 N.V. Nosov, R.G. Grishin, R.V. Ladyagin, Ya.M. Gordienko, I.M. Salnikov

Samara State Technical University, Samara, Russia

In the article, studies of the surface roughness during grinding with an abrasive tool made of SHS materials were carried out. Studies have shown that the surface roughness when grinding with SHS KR wheels increases in proportion to the increase in the radius of rounding of the grain top, plunge feed and inversely proportional to the speed of rotation of the wheel and workpiece, as well as the hardness of the material being processed.

Key words: abrasive tool, roughness, hardness, grain top, SHS materials. DOI: 10.37313 / 1990-5378-2021-23-3-73-76

Nikolay Nosov, Doctor of Technical Sciences, Professor of the Department of Mechanical Engineering, Machine Tools and Tools.

Roman Grishin, Сandidate of Technical Sciences, Associate Professor, Head of the Department of Mechanical Engineering, Machine Tools and Tools. E-mail: tmsi@samgtu.ru

Roman Ladyagin, Senior Lecturer of the Department of Mechanical Engineering, Machine Tools and Tools. Yaroslav Gordienko, Postgraduate Student ofthe Department of Mechanical Engineering, Machine Tools and Tools. Igor Salnikov, master of the Department of Mechanical Engineering, Machine Tools and Tools.