CC BY
9
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
ТЕХНОЛОГИЯ
ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТРЕБУЕМОГО МИКРОРЕЛЬЕФА ПОВЕРХНОСТИ ПРИ АБРАЗИВНОЙ ОБРАБОТКЕ ОСНОВЫ ДЛЯ НАНЕСЕНИИ ПОКРЫТИЙ
С.Л. ЛЕОНОВ, канд.техн.наук, профессор, АлтГТУ, г.Барнаул
Процессы абразизной обработки являются одними из самых распространенных методов финишной обработки поверхностей. Среди них наиболее часто на производстве применяются операции шлифования, которые используется как для обработки цилиндрических, так и плоских поверхностей. Шлифование позволяет обрабатывать материалы практически любых физико-механических свойств, обеспечивая получение высокой точности и низкой шероховатости поверхности.
Шлифование дае- возможность получать развитый микрорельеф обрабатываемой поверхности, обеспечивающий значительную ее площадь. Данный факт оказывает значительное влияние на свойства поверхности. Особенно это важно при подготовке поверхностей под нанесение покрытий. Связано это с тем, что для повышения прочности контакта основы с покрытием и предотвращения его отслаивания необходимо увеличивать площадь контакта. В то же время для экономии наносимого материала требуется уменьшать его объем, размещаемый в пределах глубины рисок шероховатости. Для этого используют специальные методы подготовки поверхности, представляющие иногда маршрут состоит из нескольких операций механической обработки.
Рассмотрим маршрут, включающий операции точения и шлифования. Пренебрегая субмикрорельефом, обработанную точением поверхность можно рассматривать как состоящую из треугольных рисок (рис.1, а). Высота этих рисок - И7Т. Если на следующей шлифовальной операции глубина резания меньше RzV то риски близки к трапецеидальным, рис. 1, б (микрорельефом после абразивной обработки для упрощения пренебрегаем).
Л
s 4-» с
а б
Рис. 1. Форма рисок после точения (а) и последующего
шлифования (б) Для операции точения длина профиля отдельной риски 1Х состоит из двух прямолинейных отрезков АВ и ВС - боковых сторон треугольника. Относительная длина профиля риски при этом составляет
4
S2
Длина риски после шлифования приближенно можно представить с помощью трех отрезков: АЕ, ЕР и РС. Относительная длина профиля после шлифования составляет:
S fîz.
f
ARZr 1
В связи с тем, что треугольники ABC и BCD равны, относительная площадь сечения материала покрытия, размещенного в рисках шероховатости после точения (рис. 1, а), составляет
S,
RzTS
0,5.
После шлифования материал покрытия размещается в рисках треугольного профиля (рис. 1, б) с относительной площадью сечения
RzS
0,5
Rz, Rz,
На рис. 2 приведены графики зависимостей £.ХД.Ш и Sj/Suj в зависимости от изменения R7JR7j- Кривые получены при RZJS = 0,5. Для других значений RZJS характер графиков аналогичен. Из анализа этих зависимостей можно сделать вывод, что радиальный съем металла на шлифовальной операции сильно влияет на объем покрытия, размещаемого в рисках шероховатости. На площадь контакта влияние съема металла значительно меньше.
5 4,5 4 3,5 3 2.5 2 1.5 1
0,5 0
x - - - -SJS,,
\ \ -LJL.
\ \
%
>
0.2
0.4
0,6
0,8
Rz.
Рис. 2. Относительная площадь и длина контакта покрытия с основой
Приведенный пример показывает, что формирование маршрутов обработки может значительно уменьшить расход материала покрытия без существенного снижения эксплуатационных свойств готовых деталей. В полученных зависимостях не учитывается микрорельеф поверхности после абразивной обработки, который может давать существенный вклад в рассчитанную длину контакта покрытия с основой. Для практического использования необходимо прогнозировать шероховатость обработанной поверхности после абразивной обработки.
Для круглого врезного шлифования геометрия зоны контакта шлифовального круга и заготовки представляет пересечение сегментов, представленных на рис. 3. В этой зоне происходит съем металла абразивными зернами. Фактическая глубина резания определяется режимом резания из уравнения баланса перемещений:
4 № 1 (38)2008
ТЕХНОЛОГИЯ
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ С^Д
ф| ф| | I
Дгг1-Дк
упр-
(1)
На /-м обороте заготовки фактическая глубина резания увеличивается за счет подачи на оборот ЭК и уменьшается за счет износа круга ДЯ, упругих отжатий Ду^р и съема металла на предыдущем обороте Дг._у На первом обороте Гф1 = 5, - АЯ- ДУупр.
Износ круга ДЯ, и величина упругих отжатий Ду^ зависят от фактической глубины резания на этом же обороте. Определение tфi из уравнения (1) осуществляется с использованием численного метода. В первом приближении можно считать, что износ круга и упругие отжатия пропорциональны глубине резания: ДЯ = Кй7"ф; Дуупр = /уф. При этом фактическую глубину резания можно выразить из уравнения (1) аналитически: t
Рис. 3. Зона контакта шлифовального круга и заготовки.
Высота зоны контакта характеризуется углом а, который определяется из треугольника 0С01:
соза = 1
ил
(2)
г(Я + г)
При прохождении зерном зоны контакта глубина резания изменяется. Для текущего положения сх, глубина резания (АВ) определяется выражением:
t
Г
1-сова
х(С08а,-С08а) .
(3)
Для зерен, расположенных на поверхности круга, Гтах = Гфи величина t совпадаете отрезком АВ.
Абразивные зерна имеют случайное расположение пп поверхности и глубине шлифовального круга. Гри этом за время прохождения участком заготовки АВ зоны контакта через него пройдет N зерен, каждое из которых имеет свое значение максимальной глубины tmax, где О ^ ^ах < tф. Глубина резания ¿тах является случайной величиной, распределенной по усеченному нормальному закону. Угловое положение а, сечения АВ в момент пересечения его абразивным зерном также случайно с равномерным распределением а, на интервале [-а; +а]. Текущая глубина резания зерном рассчитывается по формулам (2), (3). Расположение зерна по поверхности
инструмента также является случайным с равномерным распределением координаты вершины зерна в пределах базовой длины.
В разработанной стохастической имитационной модели формирования поверхности при абразивной обработке профили зерен описываются окружностями с радиусами р, равными радиусам при их вершине. Параметр р также является случайным с нормальным распределением на интервале [рт^; р^]. Предельные значения радиусов при вершине зерна определяются зернистостью шлифовального круга и режимами его правки [1].
На рис. 4 приведен пример вырезания профиля зерна из профиля поверхности заготовки. Зерно имеет случайный радиус р, случайное расположение на поверхности круга х и глубину резания Г, вычисляемую по формуле (3) при случайных с, и tmiix. Процесс формирования риски можно уточнить с использованием коэффициента струж-кообразования [2, 3]. Для учета пластических деформаций обрабатываемого материала используется сглаживание, например, по методу скользящего среднего.
Поверхность заготовки
Рис. 4. Вырезание профиля зерна из профиля поверхности заготовки.
Количество зерен N. проходящих через сечение заготовки АВ (рис. 3) за ее оборот, определяется характеристикой абразивного инструмента и режимом резания [3]:
Л/=
яс&. и 100%
(4)
где: ик - объем рабочей части круга, прошедыией через сечение АВ:
(Л = ^иэГфЭта;
^зерен" объемное содержание абразивных зерен в круге (%); ^зерои ~ средний размер зерна, определяемый зернистостью круга (мм); Кправ - коэффициент, учитывающий правку круга; [...]- вычисление целой части.
Съем металла рассчитывается по изменению максимального радиуса-вектора заготовки - координаты профиля. На рис. 5 приведены результаты расчета профилей для двух последовательных оборотов заготовки. Следует обратить внимание, что фактическая глубина резания не только больше съема металла Дг, но может быть больше даже суммы Аг + Ятах. Связано это с тем, что среди ограниченного количества зерен N в пределах базовой длины с точки зрения теории вероятности может не оказаться зерна, расположенного точно на говерхности круга и имеющего глубину резания tф. Поэтому соотношение - Дг » Ятах выполняется только при больших значениях базовой длины
№ 1 (38)2008
CJyi ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
ТЕХНОЛОГИЯ
ч
л г
Ч
Рис. 5. Схема определения радиального съема металла
Алгоритм стохастического моделирования формирования шероховатости для каждого оборота заготовки заключается в следующем.
1. Решение уравнения баланса перемещений и определение фактической глубины резания
2. Определение износа круга ДЯ, и величины упругих отжатий АУупр.
3. Расчет количества зерен, участвующих в формировании профиля поверхности.
4. Расчет профиля обработанной поверхности на /'-м обороте заготовки наложением профилей зерен
с учетом случайных колебаний их размера и расположения по глубине и поверхности.
5. Сглаживание профиля для учета пластических деформаций материала заготовки.
6. Расчет съема металла.
Предлагаемый алгоритм позволяет рассчитывать реализацию профиля поверхности и радиальный съем металла на каждом обороте заготовки. Для вычисления параметров шероховатости используют формулы из ГОСТ 2789-73. Например, среднее арифметическое отклонение неровностей профиля рассчитывается по выражению
п м
1
(5)
где средняя линия профиля IV =—^у, ; у. - координаты
П /-1
профиля, рассчитанные по приведенному алгоритму (/=1 ...л).
При необходимости за счет многократных расчетов можно получить гистограмму распределения параметров шероховатости, по которой рассчитывается не только среднее значение любого из параметров, но и его дисперсия, характеризующая разброс относительно среднего значения.
Предложенная модель позволяет прогнозировать шероховатость поверхности при врезном шлифовании на каждом обороте заготовки. Для моделирования операций шлифования с продольной подачей используются те же зависимости, но уравнение баланса перемещений (1) преобразуется в систему уравнений. На рис. 6 изображена схема круглого шлифования с продольной подачей. Размерные связи выражаются системой уравнений:
^-A-W-Dfl,)-!;,
(6)
С tl
Рис.6. Схема круглого шлифования с продольной подачей
Посге каждого оборота заготовки Я, и /] пересчитыва-ются:
Я, = Я, - ДЯ,, г, = г,-Дгг
В первой формуле суммирование идет по сечениям круга, а во второй - по сечениям детали.
Модель шлифования с продольной подачей без существенных изменений может применяться и для процессов бесцентрового шлифования. При модернизации формул, учитывающих геометрию зоны контакта, она может использоваться и для моделирования плоского шлифования, хонингования, суперфиниша и других операций абразивной обработки.
Рассчитанные профили поверхности детали позволяют уточнить зависимости для управления процессом подготовки основы под нанесение покрытий. Для профиля поверхности у(/) длина контакта покрытия с основой определяется по формуле
ЦйЭ I
-i.F
dy I dl
dl,
(7)
где - базовая длина.
Для обеспечения эксплуатационных свойств детали с покрытием требуется выполнение неравенства £ ¿.доп.
Площадь сечения покрытия, размещенного между рисками шероховатости основы, рассчитывается по выражению
<«в
Scn- 1 (Упш-yWW'
(8)
Из соображений экономии материала покрытия требуется min Scn.
При подготовке основы только шлифованием расчет у{1) производится по приведенным алгоритмам. Пэи использовании маршрута обработки, включающего в себя несколько технологических операций, необходимо учитывать явления неполной обработки профиля, аналогичные приведенным на рис. 1. При прием иривании технологического процесса подготовки основы под нане-
ТЕХНОЛОГИЯ
сение покрытия параметры технологического процесса (маршрут обработки, режимы резания, характеристики и параметры инструментов) выбираются из условий обеспечения заданных значений критериев (7) и (8).
На программное обеспечение для реализации имитационной стохастической модели получено свидетельство сб официальной регистрации [4]. Эксплуатация программного обеспечения показала его эффективность при проектировании операций абразивной обработки.
Список литературы
1. Королев А. В. Прогрессивные процессы правки шлифовальных кругов /A.B. Королев, P.A. Березняк. - Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1984. - 112 с.
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
2. Кулагин С.П. Технологическое обеспечение качества изготовления деталей с износостойкими покрытиями /С.П. Кулагин, С.Л. Леонов, Ю.К. Новоселов, Е.Ю. Татаркин. - Новосибирск: Изд-во Новосиб. ун-та, 1993. -209 с.
3. Леонов С.Л. Основы создания имитационных технологий прецизионного формообразования / С.Л. Леонов, А.Т. Зиновьев. - Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2006. -198 с.
4. Расчет профилограммы поверхности при бесцентровом шлифовании (Profil). Свид. об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2005611994. Федеральная служба по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам, 8 августа 2005 г.
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ СОАРКИ И НАПЛАВКИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СОВРЕМЕННОЙ МЕТОДИКИ СБОРА
М.В. РАДЧЕНКО, профессор, доктор техн. наук, Д. П. ЧЕПРАСОВ, профессор, канд. техн. наук, Ю.О. ШЕВЦОВ, профессор, канд. техн. наук, A.A. ИВАНАЙСКИЙ, ст. преп., канд. техн. наук,
А.П. БОРИСОВ, асп., М. Н. СЕЙДУРОВ, асп., П.С. ЧЕРЕМИСИН, асп.,
АлтГТУ им. И. И. Ползунова, г. Барнаул
В настоящее время при разработке технологии сварки и родственных процессов широкое применение находят прогрессивные методь исследований с текущей регистрацией экспериментальных данных при помощи ПЭВМ и прикладных программных продуктов совместно с компьютерным моделированием.
Становится очевидным, что использование технических возможностей современной компьютерной техники и программ способствует получению оптимальных технологических решений при существенном снижении ресурсэемкости самого процесса разработки. Развитие программных средств сбора и обработки данных, а также моделирование сварочных процессов в последние десятилетия привело к развитию новой области знаний - компьютерным технологиям в сварочном производстве [1].
Местное воздействие на изделие сварочными источниками тепла, как известно, сопровождается неравномерным нагревом металла, его расширением и упругопластическими деформациями, которые приводят к образованию сварочных деформаций и напряжений [2]. Таким образом, регистрация изменения температуры наряду с измерениями параметров напряженно-деформированного состояния точки тела изделия (образца) оо времени является неотъемлемой частью экспериментальных исследований при разработке новых технологий в области сварочного производства.
Сбор и обработка данных происходит по принципиальной блок-схеме, предложенной авторами (рис. 1). Измерение и регистрация температуры может выполнятэся комплексом сбора и обработки данных с помощью измерителя-регулятора «ОВЕН ТРМ 202 у2.025», выступающего в роли системы сбора данных, чю иизьилне! измерять температуру с точностью ±1 *С. Кроме того,
рассматриваемый измеритель-регулятор имеет существенное преимущество - температурную компенсацию «холодного» спая [4].
В качестве блока датчиков измерения температуры обычно применяются, я яяяиг.импсти от максимальной температуры нагрева, хромель-алюмегевые термопары диаметром от 0,15 мм (до 1350 *С) и платина-платиноро-диевые диаметром от 0,2 мм (до 1450 СС и более).
С помощью стандартного встроенного интерфейса программирования (блок настройки измерения) производится настройка системы сбора данных на работу с выбранным типем термопар, а также настройка обмена информации (блок настройки обмена) между измерителем-регулятором "ОВЕН ТРМ 202 у2.025» и системным блоком ПЭВМ пс протоколу Р8-485.
С помощью <онвертора интерфейсов РЭ232-Р5485 производится обмен данными между измерителем-регулятором «ОВЕН ТРМ 202 у2.025» и компьютером. Для управления измерителем-регулятором и регистрации изменения температуры точки тела изделия (образца) во времени удобно, в частности, использовать среду «Маэ-1ег8САРА» и аналогичные ей прикладные программные продукты.
Программа «Маз1егЗСАОА» генерирует запрос каждую секунду. Измеритель-регулятор «ОВЕН ТРМ 202 у2.025» по этому запросу выдает текущее значение измеряемой температуры по каждому из двух каналов. Таким образом, удается получить несколько сотен точек измерения в течение всего термоцикла. По мере гоступления данных от измерителя-регулятора программа «МаБ1ег8СА-РА» строит график изменения температуры точки тела изделия (образца) в зависимости от текущего системного времени компэютера.
18231214
