МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОГО ПОЛЯ ПРОЦЕССА ШЛИФОВАНИЯ ЛЕПЕСТКОВЫМИ КРУГАМИ Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

МАШИНОСТРОЕНИЕ

УДК 621.923

А. Н. УНЯНИН, В. С. ЧИСТЯКОВ

МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОГО ПОЛЯ ПРОЦЕССА ШЛИФОВАНИЯ ЛЕПЕСТКОВЫМИ КРУГАМИ

Выполнено численное моделирование температурного поля, возникающего в процессе шлифования заготовок лепестковыми кругами. Температурное поле фиксировали в различные моменты времени контакта зерна с заготовкой и при изменении номера последовательно работающего абразивного зерна. Установлены закономерности изменения локальных температур и температур в поверхностном слое заготовки в зависимости от продолжительности контакта абразивного зерна с заготовкой и номера последовательно работающего зерна. Выявлено, что локальные температуры достигают значительных величин в первые моменты времени работы зерна и незначительно изменяются в последующие моменты времени. Установлено, что температуры на площадке контакта зерна с заготовкой выше, чем на площадке контакта со стружкой, в среднем на 10%. Выявлена закономерность распределения температур в поверхностном слое заготовки.

Ключевые слова: моделирование, шлифование, лепестковый круг, температурное поле, температура.

Исследования выполнены при поддержке РФФИ и Правительства Ульяновской области в рамках научного проекта № 19-48-730002.

При получении заготовок образуется дефектный поверхностный слой (окалина и т. д.), остающийся на необрабатываемых поверхностях и после окончательного изготовления деталей, причём толщина дефектного слоя не является равномерной на поверхности заготовки. Применение традиционной лезвийной обработки для удаления дефектного поверхностного слоя в большинстве случаев нецелесообразно из-за низкой производительности, являющейся следствием высокой геометрической сложности поверхностей. Эффективным способом удаления дефектного поверхностного слоя является обработка упругими инструментами, в том числе иг-лофрезами и лепестковыми кругами (из шлифовальной шкурки), позволяющая обеспечить равномерный съём дефектного слоя.

Работоспособность инструмента и качество обработанных деталей при шлифовании существенно зависят от тепловой напряжённости процесса. Процесс обработки заготовок лепестковыми кругами рассмотрен в работах Г1, 21. Аналитическое исследование температурного поля при шлифовании лепестковыми кругами в этих и других работах не выполнено.

Для расчёта локальных температур и температур заготовки при обработке лепестковыми кругами разработаны математические модели, методики и программное обеспечение. При определении теплообразования от отдельных абра-

© Унянин А. Н., Чистяков В. С., 2021

зивных зёрен лепесткового круга, законов и плотностей тепловыделений, учёте зависимости параметров, характеризующих сопротивление материала заготовки диспергированию, а также теплофизических свойств взаимодействующих объектов (в том числе внешней среды) от температуры, ориентировались на работы [3, 4]. При расчёте расстояния между режущими зёрнами приняли во внимание деформацию лепестков в процессе шлифования и расстояние между лепестками в круге.

Температурное поле в процессе обработки формируется в результате наложения тепловых импульсов от отдельных абразивных зёрен, поэтому моделировали температурное поле от зёрен, последовательно вступающих в контакт с заготовкой.

Глубина внедрения абразивного зерна в материал заготовки изменяется на траектории контакта зерна с заготовкой. В результате изменяется касательная составляющая силы диспергирования зерном и силы трения стружки о зерно и зерна о заготовку, что вызывает переменность плотностей тепловых потоков по мере перемещения зерна. Поэтому одной из задач исследования являлось выявление закономерностей изменения локальных температур и температур в поверхностных слоях заготовки от продолжительности контакта зерна с заготовкой.

Поскольку температурное поле формируется зёрнами, последовательно вступающими в контакт с заготовкой, необходимо определить время, в течение которого тепловой процесс

становится установившимся. Для этого рассматривали изменение температурного поля в зависимости от порядкового номера зерна, вступающего в контакт с заготовкой.

В качестве материала заготовки использовали алюминиевый сплав Д16. Заготовки из этого сплава широко подвергают процессу обработки упругими абразивными инструментами в авиационной промышленности. Сплав Д16 имеет высокую теплопроводность (130 Вт/(мК)) и удельную теплоёмкость (920 Дж /(кг К)). Предел прочности этого сплава при 20°С составляет 460 МПа, при нагреве до 250°С предел прочности снижается до 290 МПа.

Материал абразивного зерна лепесткового круга - электрокорунд 25 А; зернистость F100. Режим шлифования: рабочая скорость лепесткового круга Vk= 35 м/с; скорость продольной подачи Vs= 3 м/мин; глубина шлифования t = 0,005 мм. При этих условиях продолжительность контакта режущего зерна с заготовкой составила 1870 10-8 с. Моделировали процесс шлифования без применения смазочно-охлаждающего технологического средства.

После непродолжительного контакта зерна с заготовкой (т = 156-10-8 с, что составляет около 8% от полного времени контакта) локальные

температуры Т и Т2 достигают значительных величин и незначительно изменяются в последующие моменты времени (табл.1). Этот результат совпадает с результатами экспериментального измерения температуры в процессе шлифования, выполненного Г. В. Бокучавой.

Следует отметить высокую скорость изменения локальных температур в начале работы зерна. На отрезке времени т = 0 ... 156 10-8 с эта скорость составляет для площадки контакта стружки с зерном 6,32 108 град/с, а для площадки контакта зерна с заготовкой - 6,95 108 град/с.

Локальная температура на площадке контакта зерна с заготовкой выше, чем на площадке контакта со стружкой, в среднем на 10%.

Локальные температуры ниже температуры плавления абразивного зерна (температура плавления электрокорунда составляет 2120. 2170 К), но в некоторые моменты времени превышают температуру плавления обрабатываемого материала (температура плавления сплава Д16 составляет 930 К). Следовательно, поверхностные слои заготовки могут быть подвергнуты существенным структурно-фазовым изменениям.

Однако на расстоянии 1,5 мкм от обрабатываемой поверхности температура заготовки ниже примерно в 2 раза (см. табл. 1).

Таблица 1

Температуры в различные моменты времени работы абразивного зерна

Момент времени работы абразивного зерна т, с Средняя температура, К на площадках контакта Температура деформируемого слоя заготовки Tg, К Температура заготовки, К, на расстоянии от обрабатываемой поверхности, мкм

стружки с зерном, Т зерна с заготовкой Т2

1,5 13,8 67

4,33 • 10-8 445 470 495 518 514 470

15610-8 987 1085 517 517 513 469

234 10-8 1002 1099 519 517 513 469

468 10-8 1013 1109 518 516 512 469

935 10-8 1018 1114 515 515 511 469

1776 10-8 825 869 516 586 556 469

1836 10-8 988 1089 488 582 555 469

1870 10-8 992 1084 469 581 535 469

Таблица 2

Температуры в зависимости от номера последовательно работающего абразивного зерна

Номер последовательно работающего зерна Средняя температура, К на площадках контакта Температура деформируемого слоя заготовки Tg, К Температура заготовки, К, на расстоянии от обрабатываемой поверхности, мкм

стружки с зерном, Т зерна с заготовкой Т2

1,5 13,8 67 207

20 925 995 485 529 520 433 310

35 972 1065 493 564 543 459 337

40 965 1059 501 529 524 465 345

50 955 1039 505 553 539 469 355

Температура Tg деформируемого слоя материала заготовки также незначительно изменяется на большей части периода времени контакта зерна с заготовкой и снижается на завершающем отрезке времени (т = 1776 10-8 ... 1870 10-8 с), когда зерно вступает в контакт с материалом заготовки, в меньшей степени прогретым в результате работы предыдущих зёрен.

За время работы зерна температура заготовки на расстоянии 1,5 мкм увеличивается на 12%. Поскольку материал заготовки имеет высокую теплопроводность, то температура на расстоянии 13,8 мкм также увеличивается за время работы зерна, однако в меньшей степени - на 7%. Температура заготовки на глубине 67 мкм остаётся постоянной.

С увеличением расстояния от обрабатываемой поверхности температура заготовки уменьшается. На расстояниях 13,8 и 67 мкм температура ниже, чем на расстоянии 1,5 мкм на 2 и 10% соответственно.

С увеличением номера последовательно работающего абразивного зерна температура деформируемого слоя материала заготовки увеличивается (табл. 2). 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, что должно привести к снижению температур.

Однако при увеличении температуры заготовки, с которой контактирует абразивное зерно, локальные температуры также увеличиваются. Поэтому локальные температуры увеличиваются при работе первых зёрен и достигают максимального значения при работе 35-го зерна. При работе этого же зерна достигает максимального значения и температура в поверхностном слое заготовки на расстоянии 1,5 мкм. При работе последующих абразивных зёрен, как локальные температуры, так и температура в поверхностных слоях заготовки уменьшаются.

Температура заготовки на расстоянии 13,8 мкм от обрабатываемой поверхности также достигает максимального значения при работе 35-го зерна и несколько снижается при работе последующих зёрен. Температуры заготовки на глубинах 67 и 207 мкм монотонно увеличиваются с увеличением номера последовательно работающего зерна. На расстояниях 13,8 и 67 мкм температура ниже, чем на расстоянии 1,5 мкм на 2 и 10% соответственно.

В результате исследования установлены закономерности изменения локальных температур и температур в поверхностном слое заготовки в зависимости от продолжительности контакта абразивного зерна с заготовкой и номера последовательно работающего зерна. Выявлено, что локальные температуры достигают значитель-

ных величин в первые моменты времени работы зерна и незначительно изменяются в последующие моменты времени. Установлено, что температуры на площадке контакта зерна с заготовкой выше, чем на площадке контакта со стружкой, в среднем на 10%. Выявлена закономерность распределения температур в поверхностном слое заготовки в зависимости от расстояния от обрабатываемой поверхности.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Полирование деталей лепестковыми кругами / А. И. Гдалевич, С. И. Житницкий, В. И. Хрычев и др. - М.: Машиностроение, 1980. -80 с.

2. Дубровский П. В. Шлифование титановых сплавов лепестковыми кругами. - Ульяновск: УлГТУ, 2000. - 100 с.

3. Резников А. Н., Резников Л. А. Тепловые процессы в технологических системах. - М.: Машиностроение, 1990. - 288 с.

4. Унянин А. Н. Аналитическое исследование локальных температур при шлифовании // Известия вузов. Машиностроение. - 2006. - №6. -С. 41-50.

REFERENCES

1. Polirovanie detalej lepestkovymi krugami [Polishing of details with flap circles] / A. I. Gdalevich, S. I. Zhitnitsky, V. I. Khrychev et al. Moscow, Mashinostroenie [Mechanical Engineering], 1980, 80 p.

2. Dubrovsky P. V. Shlifovanie titanovyh splavov lepestkovymi krugami [Grinding of titanium alloys with flap wheels]. Ulyanovsk, UlSTU, 2000, 100 p.

3. Reznikov A. N., Reznikov L. A. Teplovye processy v tekhnologicheskih sistemah [Thermal processes in technological systems], Moscow, Mashinostroenie [Mechanical engineering], 1990, 288 p.

4. Unyanin A. N. Analiticheskoe issledovanie lokal'nyh temperatur pri shlifovanii [Analytical study of local temperatures during grinding]. Izvestiya vuzov. Mashinostroenie [News of universities. Mechanical engineering]. 2006, No. 6, рр.41-50.

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

Чистяков Владимир Сергеевич, магистрант машиностроительного факультета УлГТУ первого года обучения.

Поступила 01.12.2021 г.