Моделирование температурного поля при эльборовом шлифовании заготовок из т итановых сплавов с наложением ультразвуковых колебаний Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 621.923

А. Н. УНЯНИН, А. В. ХАЗОВ

МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОГО ПОЛЯ

ПРИ ЭЛЬБОРОВОМ ШЛИФОВАНИИ ЗАГОТОВОК ИЗ Т ИТАНОВЫХ СПЛАВОВ С НАЛОЖЕНИЕМ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ

Приведены результаты моделирования локальных температур и температур заготовки при шлифовании кругами из эльбора заготовок из титановых сплавов с наложением на заготовку ультразвуковых колебаний (УЗК). Установлено влияние продолжительности контакта абразивного зерна с заготовкой и фазы колебаний на локальные температуры. Выявлены технологические факторы, влияющие на локальные температуры. Наложение УЗК позволяет уменьшить температуру в поверхностных слоях заготовки на 10 %, локальные температуры в зоне контакта зерна с заготовкой и со стружкой - на 10 - 12 и 12 - 14 % соответственно.

Ключевые слова: титановый сплав, шлифование, температурное поле, эльбор, ультразвуковые колебания, моделирование.

Исследования выполнены при финансовой поддержке РФФИ и правительства Ульяновской области (проект 19-48-730002).

Работоспособность шлифовального круга и качество детали в значительной степени определяются локальными (мгновенными) температурами. На температурное поле существенное влияние оказывают ультразвуковые колебания (УЗК), используемые для повышения эффективности процессов обработки. Численное моделирование температурного поля, в том числе локальных температур, при шлифовании с наложением УЗК выполнено при обработке заготовок из конструкционных и легированных сталей [1-2]. Влияние УЗК на температурное поле при шлифовании заготовок из титановых сплавов кругами из эльбора не установлено.

Модели для расчёта температурного поля [1-3] учитывают зависимости параметров, характеризующих сопротивление материала заготовки диспергированию и теплофизических свойств взаимодействующих объектов (в том числе внешней среды) от температуры, а также изменение кинематики микрорезания при наложении УЗК.

При колебании заготовки в направлении, перпендикулярном обрабатываемой поверхности, глубина внедрения зерна в заготовку зависит от фазы колебания. При фазе ф = 0 (рис. 1) при перемещении зерна относительно заготовки глубина внедрения сначала увеличивается, а затем уменьшается.

В точке /пн1 глубина внедрения достигает значения критической глубины микрорезания акр, затем

уменьшается, и зерно осуществляет пластическое деформирование материала заготовки. При фазе ф = 180° зерно сначала осуществляет пластическое деформирование (рис. 2), а в конце пути - микрорезание с глубиной внедрения большей, чем без применения УЗК.

Численное моделирование температур выполнено при плоском многопроходном шлифовании периферией круга; материалы заготовки - титановые сплавы ВТ 6 и ВТ 22; материал зерна шлифовального круга - эльбор марки ЛО зернистостью 125/100; рабочая скорость круга Ук = 35 м/с; скорость

продольной подачи 10 м/мин; глубина шлифования ^ = 0,015 мм. Моделировали наложение на заготовку УЗК частотой / = 22000 Гц амплитудой Ау = 2 мкм с различными фазами. Механические и теп-лофизические характеристики материала заготовки и круга (предел прочности материала заготовки, плотность, коэффициенты теплопроводности и теплоёмкости и др.) в зависимости от температуры определяли по данным [4-7].

При шлифовании заготовок из ВТ 22 без наложения УЗК (Ау = 0) мощность источника тепловыделения в зоне деформирования Жд увеличивается с увеличением продолжительности контакта зерна

© Унянин А. Н., Хазов А. В., 2019

с заготовкой (кривая 1 на рис. 3). При наложении УЗК с фазой ф = 0° в начальный период контакта Жд выше, чем без наложения УЗК, а в конце этого периода - ниже (кривая 2 на рис. 3). При фазе УЗК ф = 180° мощность источника Жд ниже, чем без наложения УЗК, в начальный период и выше в конце периода контакта (кривая 3 на рис. 3).

Мощность источника тепловыделения изменяется идентично изменению глубины внедрения зерна в заготовку (см. рис. 1, 2).

При шлифовании заготовок из ВТ 22 без наложения УЗК локальные температуры увеличиваются с увеличением продолжительности контакта зерна с заготовкой на начальном этапе и незначительно снижаются на заключительном (кривые 1 на рис. 4). При наложении колебаний с фазой ф = 0° локальные температуры в начальный период контакта зерна с заготовкой незначительно выше, чем при Ау = 0 (кривые 2 на рис. 4). На заключительном этапе контакта температура при наложении УЗК ниже, поскольку ниже глубина внедрения зерна в заготовку и мощность тепловыделения. При фазе колебаний ф = 180° в начальный период как глубина внедрения зерна и мощность тепловыделения, так и локальные температуры ниже, чем без наложения УЗК (кривые 3 на рис. 4).

При амплитуде колебаний Ау = 2 мкм средняя температура в зоне контакта зерна с заготовкой (среднее арифметическое значение, зафиксированное при фазах ф = 0, 90, 180 и 270°) оказалась ниже на 10-12%, температура в зоне контакта со стружкой - на 1 2-14%, чем без наложения УЗК (Ау = 0). При наложении УЗК амплитудой Ау = 2 мкм температура в поверхностных слоях заготовки из сплава ВТ 22 на глубине до 6 мкм оказалась ниже на 10% в сравнении с обработкой без наложения УЗК (рис. 5). Температура в более глубоких слоях при наложении УЗК снизилась в меньшей степени.

Рис. 1. Колебания заготовки в направлении у по длине I контакта при фазах ф = 0 (1) и 90°(2)

4035 3025 2015 10

Рис. 2. Колебания заготовки в направлении y по длине l контакта при фазах ф = 180 (1)

и 270°(2)

5 Н

0

— — Т"

Z

5.95

11=97 23:95 29.25

Продолжительность контакта. Е-6 с

-■-1 .........♦........ 2 — ▼ — 3

47.89

Рис. 3. Зависимость мощности источника тепловыделения Шд от продолжительности контакта зерна с заготовкой: 1 - Ау = 0 мкм; 2 - Ау = 2 мкм, ф = 0°; 3 - Ау = 2 мкм, ф = 180°

а)

б)

Рис. 4. Зависимость температуры в зоне контакта зерна с заготовкой (а) со стружкой (б) от продолжительности контакта: 1 - Ау = 0 мкм; 2 - Ау = 2 мкм, ф = 0°; 3 - Ау = 2 мкм, ф = 180°

Рис. 5. Зависимость температуры заготовки от расстояния от её поверхности:

1 - Ау = 0 мкм; 2 - Ау = 2 мкм

Для заготовок из сплава ВТ 6 мощность источников тепловыделения оказалась ниже в 1,61,7 раза, а локальные температуры и температуры в поверхностных слоях заготовки - в 1,5-1, 6 раза. Теплофизические свойства сплавов ВТ 6 и ВТ 22 отличаются незначительно. Предел прочности сплава ВТ 6 меньше на 15% при температуре 20°С, а с увеличением температуры эта разница увеличивается. Это является причиной более низкого значения интенсивности напряжений в зоне деформирования зерном материала заготовки из сплава ВТ 6, которая функционально связана с мощностью источников тепловыделения [3].

В результате установлено, что наложение УЗК позволяет уменьшить температуру в поверхностных слоях заготовки на 10%, локальные температуры в зоне контакта зерна с заготовкой и со стружкой - на 10-12 и 12-14% соответственно. Установлено влияние фазы УЗК на мощности источников тепловыделения и локальные температуры в зависимости от продолжительности контакта зерна с заготовкой.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Унянин А. Н. Исследование температур при шлифовании с наложением ультразвуковых колебаний // Вектор науки ТГУ. - 2015. - №2 (32-2). - С. 191 - 195.

2. Унянин А. Н., Сарайнов Н. Е. Моделирование температурного поля при шлифовании кругами из эльбора с наложением ультразвуковых колебаний // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Вып. 8: В 2 ч. Ч. 2. Тула: Изд-во ТулГТУ, 2017. - С. 112-120.

3. Худобин Л. В., Унянин А. Н. Минимизация засаливания шлифовальных кругов. - Ульяновск: УлГТУ, 2007. - 298 с.

4. Бокучава Г. В. Трибология процесса шлифования. - Тбилиси: Сабчота Сакартвело, 1984. - 238 с.

5. Илларионов А. Г., Попов А. А. Технологические и эксплуатационные свойства титановых сплавов. - Екатеринбург: Изд-во Урал. ун-та, 2014. - 137 с.

6. Цвиккер У. Титан и его сплавы. - Берлин - Нью-Йорк. - 1974. - Пер. с нем. - Москва : Металлургия, 1979. - 512 с.

REFERENCES

1. Unyanin A. N. Issledovanie temperatur pri shlifovanii s nalozheniem ul'trazvuko-vyh kolebanij [A research of temperatures during grinding with the application of ultrasonic vibrations] // Vektor nauki TGU // [Science Vector of Togliatti state university]. 2015, No 2 (32-2), рр. 191-195.

2. Unyanin A. N., Saraynov N. E. Modelirovanie temperaturnogo polyapri shlifovanii krugami iz el'bora s nalozheniem ul'trazvukovyh kolebanij [Modeling of a temperature field during grinding by CBN wheels with the application of ultrasonic vibrations] // Izvestiya Tul'skogo gosudarstvennogo universiteta. Tekhnicheskie nauki. [Izvestiya Tula State University. Technical science]. Vol. 8: in 2 parts. Part 2. Tula: Publishing house TulSTU, 2017, рр. 112-120.

3. Khudobin, L. V., Unyanin A. N. Minimi-zaciya zasalivaniya shlifoval'nyh krugov. [To minimize the clogging of grinding wheels]. Ulyanovsk: UlSTU, 2007, 298 p.

4. Bokuchava G. V. Tribologiya processa shlifovaniya. [Tribology of grinding process]. Tbilisi: Sabchota Sakartvelo, 1984, 238 p.

5. Illarionov A. G., Popov A. A. Tekhnologicheskie i ekspluatacionnye svojstva titanovyh splavov [Technological and operational properties of titanium alloys]. Ekaterinburg: Izd-vo Ural. un-ta, [Yekaterinburg, Ural universiry publishing House], 2014, 137 p.

6. Zwicker W. Titan i ego splavy [Titanium and its alloys]. - Berlin-New York. 1974. Translation from German. Moscow, Metallurgy, 1979, 512 p.

Унянин Александр Николаевич, доктор технических наук, доцент, профессор кафедры «Информационные технологии в машиностроении» УлГТУ.

Хазов Александр Васильевич, соискатель кафедры «Информационные технологии в машиностроении» УлГТУ.

Поступила 03.12.2019 г.