CC BY
4
МАШИНОСТРОЕНИЕ
Научная статья УДК 621.923
Моделирование технологических параметров и температурного поля процесса шлифования тонкостенных заготовок лепестковыми кругами
Александр Николаевич Унянин1
Владимир Сергеевич Чистяков
1 2
' Ульяновский государственный технический университет, Ульяновск, Россия
Аннотация. Выполнено численное моделирование технологических параметров и температурного поля, возникающего в процессе шлифования заготовок тонкостенных деталей лепестковыми кругами. Установлено влияние толщины заготовки на силу трения стружки о зерно круга и зерна о заготовку, мощности источников тепловыделения, температуры на площадках контакта зерна со стружкой и заготовкой и на температуру в поверхностных слоях заготовок. Установлено, что температура в поверхностном слое тонкостенной заготовки выше, чем в массивной.
Ключевые слова, моделирование, шлифование, температурное поле, тонкостенная заготовка, лепестковый круг.
MACHINE-BUILDING Scientific article
Simulation of technological parameters and the temperature field of the process of grinding thin-walled blanks with flap wheels
Alexander N. Unianin1 Vladimir S. Chistyakov2
1,2 Ulyanovsk State Technical University, Ulyanovsk, Russia.
Abstract. Numerical modeling of the technological parameters and the temperature field that occurs in the process of grinding workpieces of thin-walled parts with flap wheels has been performed. The influence of the thickness of the workpiece on the friction force of the chips on the grain of the wheel and the grain on the workpiece, the power of the heat sources, the temperature at the contact areas of the grain with the chips and the workpiece, and on the temperature in the surface layers of the workpieces have been established. It has been established that the temperature in the surface layer of a thin-walled workpiece is higher than in a massive one.
Keywords: modeling, grinding, temperature field, thin-walled workpiece, flap wheel.
Тепловые процессы, сопровождающие шлифование заготовок, имеющих значительную толщину, в том числе лепестковыми кругами, изучены достаточно полно [1-4]. При шлифовании заготовок тонкостенных деталей тепловые процессы отличаются от протекающих в массивных заготовках. К тонкостенным (с точки зрения тепловых процессов) относят заготовки, при обработке которых поверхность, расположенная напротив обрабатываемой поверхности, оказывает существенное влияние на температур-
© Унянин А. Н., Чистяков В. С., 2023
ное поле в заготовке. Это вызвано низким уровнем теплоотвода этой поверхности, поскольку теплоотвод в окружающую среду, в том числе смазочно-охлаждающую жидкость, существенно меньше, чем в нижележащие слои заготовки [4-6]. Влияние толщины заготовки на температурное поле выявлено для процессов обработки шлифовальными кругами и фрезерования [4-6]. Применительно к процессу шлифования лепестковыми кругами подобные исследования не выполнены.
Для расчёта температурного поля использованы физические и математические модели, методика и программное обеспечение, представленные в работе [3].
Численное моделирование температур выполнено при следующих исходных данных: плоское многопроходное шлифование периферией лепесткового круга; материал заготовки - сплав Д16; материал абразивного зерна шлифовального круга - электрокорунд нормальный; зернистость М00; рабочая скорость круга Ук = 35 м/с; скорость продольной подачи - 3 м/мин; глубина шлифования t = 0,005 мм. Среднее расстояние между зернами лепесткового круга - 1Ш= 1,7 мм. Теп-лофизические характеристики абразивных зерен приведены в работе [2], лент для изготовления лепестков - в работе [7]. Моделировали процесс шлифования без применения смазочно-охлаждающей жидкости.
Фиксировали температуру Т2 на площадке контакта абразивного зерна с заготовкой и Т на площадке контакта зерна со стружкой, а также температуру Т заготовки на различных расстояниях (глубинах) от обрабатываемой поверхности при движении через зону шлифования 25-го, и 40-го зерна, т. е., когда диспергируется материал заготовки, прогретый в результате работы предыдущих зёрен. Фиксировали температуры в моменты времени 1,3510-5 ... 2,6710-5 с от начала контакта зерна с заготовкой и рассчитывали средние температуры за этот период времени.
Варьировали толщиной заготовки в пределах 0,5 . 20 мм и количеством зёрен, вступающих в контакт с заготовкой в процессе моделирования. Заготовка толщиной 20 мм относится к массивным заготовкам, при обработке которых наличие поверхности, противоположной обрабатываемой, не оказывает влияния на температурное поле в заготовке.
При прохождении через зону шлифования 25-го зерна силы трения и сила шлифования, мощности источников тепловыделения, температура деформируемого слоя материала заготовки и температуры на площадках контакта зерна со
стружкой и заготовкой при обработке тонкостенных заготовок толщиной 0,5 и 1 мм практически не отличаются от соответствующих параметров при обработке массивной заготовки толщиной 20 мм (табл. 1). В частности, температуры на площадке контакта зерна с заготовкой Т2 и на вершине зерна ТЕ при обработке заготовки толщиной 1 мм увеличились на 7 градусов.
Температуры в поверхностных слоях заготовки на расстоянии 1,5 ... 13,8 мкм от обрабатываемой поверхности при обработке тонкостенных заготовок также выросли незначительно. На больших расстояниях от обрабатываемой поверхности разница температур массивной (толщиной 20 мм) и тонкостенных заготовок значительная. В частности, на глубине 67 мкм при шлифовании тонкостенной заготовки толщиной 0,5 мм температура оказалась выше, чем при шлифовании массивной заготовки, на 15%. Ещё большая разница температур зафиксирована в поверхностном слое на глубине 207 мкм и составила 50%.
Таким образом, при движении через зону шлифования 25-го из последовательно вступающих в работу абразивных зёрен при шлифовании тонкостенных заготовок значительно увеличились лишь температуры заготовки на больших глубинах.
Аналогичные результаты получены при движении через зону шлифования 40-го абразивного зерна (табл. 2). Незначительное (на 3 градуса) увеличение температуры деформируемого слоя материала заготовки Т привело также к незначительному снижению мощностей источников тепловыделения при шлифовании тонкостенной заготовки толщиной 1 мм. Однако температуры на площадках контакта зерна со стружкой и заготовкой увеличились, причём в большей степени увеличилась температура на площадке контакта стружки с зерном Т - на 36 градусов.
Таблица 1
Параметры процесса шлифования лепестковым кругом в зависимости от толщины заготовки; 25-е зерно
Тол- Темпе- Мощности источников Средняя Темпе- Температура заготовки T [К]
щина ратура тепловыделения [Вт] в температура [К] ратура на расстоянии от
заго- дефор- зонах контакта на площадках на обрабатываемой
товки мируе- стру- в зоне зерна с контакта вершине поверхности [мкм]
h, мм мого жки с дефор- заго- зерна
слоя зерном мирова- тов- струж- зерна с Те,К 1,5 13,8 67 207
заго- Wl ния кои ки с заго-
товки W W2 зерном товкой
Т* К Т1 Т2
20 533 3,14 9,18 2,08 1136 1043 1202 624 592 486 340
1 536 3,14 9,18 2,09 1139 1048 1209 625 604 547 486
0,5 536 3,14 9,18 2,09 1140 1050 1209 626 607 557 512
Таблица 2
Параметры процесса шлифования лепестковым кругом в зависимости от толщины заготовки; 40-е зерно
Толщина заготовки h, мм Температура деформируемого слоя заготовки Та, К Мощности источников тепловыделения [Вт] в зонах контакта Средняя температура [К] на площадках контакта Температура на вершине зерна Те,К Температура заготовки T [К] на расстоянии от обрабатываемой поверхности [мкм]
стружки с зерном Wl в зоне дефор-миро-вания W зерна с заготовкой W2
стружки с зерном Ti зерна с заго-тов-кой Т2 1,5 13,8 67 207
20 597 3,01 8,8 2,0 1174 1085 1238 697 667 563 390
1 600 3,0 8,78 1,99 1210 1089 1243 699 679 624 563
Увеличение температур на площадках контакта при уменьшении мощностей источников тепловыделения объясняется тем обстоятельством, что зерно вступает в контакт с заготовкой, имеющей большую температуру.
Температура заготовки на малых расстояниях от обрабатываемой поверхности - 1,5 и 13,8 мкм при обработке заготовки толщиной 1 мм увеличилась незначительно в сравнении с массивной заготовкой. Также, как и при движении через зону шлифования 25-го зерна, в большей степени температуры увеличились на больших расстояниях от обрабатываемой поверхности. В частности, на глубине 67 мкм при шлифовании тонкостенной заготовки толщиной 1 мм температура оказалась выше, чем при шлифовании массивной заготовки, на 11%; на глубине 207 мкм - на 44%.
С увеличением номера последовательно работающего абразивного зерна с 25 до 40 температура деформируемого слоя материала заготовки увеличивается (табл. 2). При обработке массивной заготовки толщиной 20 мм температура деформируемого слоя увеличилась с 533 до 597 К; при обработке тонкостенной заготовки - с 536 до 600 К, т. е. на 12%. Это приводит к снижению предела прочности материала заготовки и функционально связанных с ним напряжений деформирования. Поэтому при увеличении температуры деформируемого слоя заготовки уменьшаются мощности источников тепловыделения. Однако при увеличении температуры Тл на 12% мощности источников тепловыделения снизились незначительно. В большей степени снизилась мощность в зоне деформирования Wg - на 4%.
Несмотря на незначительное снижение мощностей источников тепловыделения, температура в поверхностных слоях заготовки, также как и
температура деформируемого слоя, с увеличением номера зерна до 40-го увеличивается. Это является следствием того, что процесс является нестационарным, поэтому с увеличением времени температуры контактирующих объектов увеличивается. Температура на расстоянии 1,5 мм от обрабатываемой поверхности, также как и температура деформируемого слоя, увеличилась на 12%; температура на расстоянии 67 мкм увеличилась на 16% при обработке массивной заготовки и на 14% при обработке заготовки толщиной 1 мм.
С увеличением номера последовательно работающего абразивного зерна с 25 до 40 температуры на площадках контакта зерна со стружкой и заготовкой также увеличились, но в меньшей степени, чем в поверхностных слоях заготовки - в среднем на 4%.
В результате исследования установлены закономерности изменения локальных температур и температур в поверхностном слое заготовки в зависимости от толщины заготовки и номера последовательно работающего зерна.
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ
1. Дубровский П. В. Шлифование титановых сплавов лепестковыми кругами. Ульяновск: УлГТУ, 2000. 100 с.
2. Худобин Л. В., Унянин А. Н. Минимизация засаливания шлифовальных кругов. Ульяновск: УлГТУ, 2007. 298 с.
3. Унянин А. Н., Чистяков В. С. Исследование температурного поля при шлифовании лепестковыми кругами // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2022. Т. 24, №2. С. 27-32.
4. Худобин Л. В., Хусаинов А. Ш. Шлифование заготовок клиновидных изделий / Под общ.
ред. Л. В. Худобина. Ульяновск: УлГТУ, 2007. 249 с.
5. Shigeki O. Study on the geometrical accuracy in surface grinding. Thermal deformation of workpiece in traverse grinding / O. Shigeki, N. Tokuhiko, H. Shinsaki. International journal Japanese society precision engineering. 1994. Vol. 28, №4. рр. 305-310.
6. Унянин А. Н., Семдянкин И. В. Моделирование температурного поля при фрезеровании заготовок тонкостенных деталей // Инновации в машиностроении: сборник трудов 12-й Между-нар. научно-практ. конф. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2021. С. 59-66.
7. Верезуб В. Н. Шлифование абразивными лентами. М.: Машиностроение, 1972. 103 с.
Сведения об авторах
A. Н. Унянин - доктор технических наук, доцент, профессор кафедры «Инновационные технологии в машиностроении» УлГТУ;
B. С. Чистяков - магистрант машиностроительного факультета УлГТУ второго года обучения.
REFERENCES
1. Dubrovsky P. V. Shlifovanie titanovyh splavov lepestkovymi krugami [Grinding of titanium alloys with petal wheels]. Ulyanovsk, UlSTU, 2000? 100 p.
2. Khudobin L. V., Unyanin A. N. Minimizaciya zasalivaniya shlifoval'nyh krugov [Minimization of clogging of grinding wheels]. Ulyanovsk, UlSTU, 2007, 298 p.
3. Unyanin A. N., Chistyakov V. S. Issledovanie temperaturnogo polya pri shlifovanii lepestkovymi krugami [Investigation of the temperature field during grinding with flap wheels]. Izvestiya Samarskogo nauchnogo centra Rossijskoj akademii nauk [Proceedings of the Samara Scientific Center of the Russian Academy of Sciences]. 2022. T. 24, No. 2, рр. 27-32.
4. Khudobin, L. V., Khusainov A. Sh. Shlifovanie zagotovok klinovidnyh izdelij [Grinding blanks of wedge-shaped products]. Podobshch. red. L. V. Hudobina [Ed. ed. L. V. Khudobina]. Ulyanovsk, UlSTU, 2007, 249 p.
5. Shigeki O. Study on the geometrical accuracy in surface grinding. Thermal deformation of workpiece in traverse grinding / O. Shigeki, N. Tokuhiko, H. Shinsaki // International journal Japanese society precision engineering. 1994. Vol. 28. No. 4, pp. 305-310.
6. Unyanin A. N., Semdyankin I. V. Modelirovanie temperaturnogo polya pri frezerovanii zagotovok tonkostennyh detalej [Modeling of the temperature field during milling blanks of thin-walled parts]. Innovacii v mashinostroenii: sbornik trudov 12-j Mezhdunar. nauchno-prakt. konf. [Innovations in mechanical engineering: collection of works of the 12th int. Scientific and practical. Conf]. Novosibirsk, Publishing House of NGTU, 2021, pp. 59-66.
7. Verezub V. N. Shlifovanie abrazivnymi lentami [Grinding with abrasive belts]. Moscow, Mashinostroenie, 1972, 103 p.
Information about the authors A. N. Unyanin - Doctor of Technical Sciences, Associate Professor, Professor of the Department «Innovative Technologies in Mechanical Engineering» of UlSTU;
V. S. Chistyakov - graduate student of the mechanical engineering faculty of UlSTU of the second year of study.
Статья поступила в редакцию 16.12.2022; одобрена после рецензирования 11.01.2023; принята к публикации 30.01.2023.
The article was submitted 16.12.2022; approved after reviewing 11.01.2023; accepted for publication 30.01.2023.
