CC BY
6ИНСТРУМЕНТ
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Суу|
1. Расчетные и экспериментальные зависимости остаточных напряжений носят одинаковый характер. В области приповерхностных слоев материала отличие кривых находится в пределах доверительного интервала обработки экспериментальных данных. В более глубоких слоях материала расчетные значения остаточных напряжений превышают экспериментальные значения. Последнее можно объяснить перераспределением напряжений 8 металле в процессе электролитического травления.
2. При соотношении глубины упрочненного слоя с величиной переходного слоя равном 25...33% Ч7 = (Ьп.с/Иус).100%, где /7ПС - величина переходного слоя, Иус - глубина упрочненного слоя) происходит понижение максимальных сжимающих напряжений с* на поверхности (в пределах доверительного интервала), а опасные зоны растягивающих напряжений смещаются в глубь материала пластины. При дальнейшем увеличении соотношения \|/ наблюдается значительное уменьшение сжимающих напряжений на поверхности детали - на 400...500 МПа, что, в свою очередь, может понизить усталостную прочность изделия.
3. При глубине закаленного слоя 200...300 мкм и интенсивности падения микротвердости - градиента микротвердости - ину = 20...60 МПа/мкм наблюдается смещение максимальных растягивающих напряжений оп к поверхности детали. В этом случае роль сжимающих напряжений нивелируется, поскольку разрушение образца начнется в месте расположения максимума ар.
Таким образом, для обеспечения заданного ресурса работы детали необходимо обеспечить такие режимы обработки, три которых отношение у находилось бы в пределах
25...33%, при этом интенсивность падения микротвердости не должна превышать уровня 20 МПа/мкм.
Список литературы
1. Inoue Т, Rsniecki В. Determination of Thermal-Hardening Stresses in Steels by use of Thermoplasticity Theory. Jour. Stresses in Steels by use of Solids, vol. 26, №3, 187-212, (1978).
2. Radaj D. Heat effects of welding: Temperature field, residual stress, dis-tortion. - Berlin et. al.: Springer. 1992. - XXII.
3. ANSYS User's Manual, ANSYS User's Manual, SAS IP inc., 1998.
4. Иванцивскнй В.В., Батаев В.А. Связь параметров термических циклов, реализуемых в поверхностных слоях деталей машин, с глубиной упрочнения при воздействии объемных концентрированных источников нагрева // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. - 2004. - № 10. -С. 30-34.
5. Кристиан Дж. Теория превращений в металлах и сплавах. Ч. 1. - М.: Мир, 1978. - С. 728-751.
6. Fortunier П, Leblond J.B. Bergheau J.M. A numerical model for multiple phase transformations in steels during thermal processes, J. Shanghai Jiaotong Un. E5, No 1, 213 (2000).
7. Sheng, I., Chen. Y. Modeling Welding by Surface Healing, Journal of Engineering Materials and Technology, 114:439-448, 1992.
8. Абрамов В.В. Напряжения и деформации при термической обработке стали. - Киев; Донецк: Вищз шк., 1985. - 133 с.
9. Sjostrom, S. The Calculation of Quench Stresses in Steel. Linkoping Studios n Science and Technology, Dissertation No 84., 1982.
10. Borjesson L Coupled Thermal, Metallurgical and Mechanical Models of Multipass Welding, licentiate thesis, Department of Mechanical Engineering. Lulea University of Technology, 1999.
11. Стали и сплавы. Марочник: Справ, изд. / В.Г. Сорокин и др.; Науч. ред. В.". Сорокин, М.А. Гервасьев. — М.: «Интермет Инжиниринг», 20С1. — 608 е.: ил.
12. Биргер И. А Остаточные напряжения. - М.: Машгиз, 1963.
ОЦЕНКА ФОРМЫ И ПЛОЩАДИ ПОВЕРХНОСТИ ШЛИФОВАЛЬНЫХ ЗЁРЕН В ТРЁХМЕРНОМ ПРОСТРАНСТВЕ
Зерна являются основными режущими элементами шлифовальных инструментов. От эффективности их работы непосредственно зависят эксплуатационные характеристики шлифовального инструмента. Однако в отличиэ от лезвийных инструментов, где геометрия режущего клина целенаправленно задается, в шлифовальных инструментах в большинстве случаев геометрия зерен не формируется и не контролируется.
Рис. 1. Разновидности форм шлифовальных зёрен Вместе с тем конфигурация форм шлифовальных зерен, получаемых при типовой технологии их изготовления путем дробления абразивного слитка до образования частиц определенной дисперсности, изменяется в широком интервале разновидностей. При качественном описании
В.А. КОРОТКОВ, аспирант, ТПУ, г. Томск
форм абразивных зёрен, как правило, выделяют изометрические, осколочные и пластинчато-иглообразные их разновидности (рис.1).
Разная форма зерен предопределяет различные углы резания в процессе шлифования и соответственно влияет на такие важные эксплуатационные показатели шлифовальных инструментов, как износ, производительность, температура в зоне резания [1, 2, 3, 4]. Вследствие этого для повышения эффективности работы шлифовальных инструментов целесообразно целенаправленно формировать геометрию абразивных зерен. Чтобы эффективно осуществлять данный процесс, недостаточно только качественно оценивать геометрию зерна, необходимо также иметь объективные количественные методы оценки формы зерен. Существующие количественные методы оценки формы зерен разделяют по следующим признакам: по мерности пространства (двухмерные ил л трехмерные); по форме фигуры, с помощью которой отражают геометрию зерна. В двухмерных методах в качестве оценочной фигуры используют грямоугольники, эллипсы и окружности, в объемных - параллелепипеды и сферы. Для реализации
Cjyj ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
ИНСТРУМЕНТ
существующих методов применяют, как правило, микроскопы и рисовальные аппараты, с помощью которых фотографируют или зарисовывают контуры отдельных зерен, а затем ведут измерения. Поскольку форма зерен даже в одной фракции существенно изменяется, то для получения достоверных данных набирается большая статистика измерений. Обычно исследуют не менее 50-100 отдельных зерен.
Известен ряд методов количественной оценки формы шлифовальных зерен. Один из них основывается на том, что для оценки фэрмы используют проекции зёрен на плоскости, а количественным показателем в данном случае является коэффициент формы, равный отношению диаметров окружностей, описанных и вписанных на проекциях зёрен. Для измерений используется диапроектор, где зерна помещаются между пленками слайда и проецируются на экран, контуры зерен вручную обводятся на бумаге, в них вписываются и описываются окружности и проводятся необходимые расчеты [2]. Данный метод в дальнейшем был модернизирован в части повышения точности и производительности. Так, проекции зерен на плоскость стали получать с помощью планшетного сканера, а необходимые построения и расчеты проводить на ЭВМ посредством специально разработанных программ [3, 4].
Однако указанный метод предназначен для работы в двухмерном пространстве, а поскольку абразивные зерна являются геометрическими пространственными телами неправильной формы, то по одной проекции зерна на плоскости точно оценить его форму довольно проблематично. В особенности это касается зерен игольчато-пластинчатых разновидностей.
С целью получения более достоверных результатов, рационально использовать новый метод оценки формы абразивных зерен в объёме. Здесь количественным параметром оценки формы зёрен является отношение диаметров описанной и вписанной сфер. Сущность метода заключается в том, что каждое исследуемое зерно закрепляется на поворотном устройстве, установленном на рабочем столе стереомикроскопа, и фотографируется с помощью цифрового фотоаппарата в двух видах - виде в плане и виде сбоку (рис. 2).
—
ттт
Рис. 2. Две проекции одного шлифовального зерна Готовые изображения зёрен обрабатываются с помощью специально разработанной программы для ЭВМ «Форма шлифовальных зёрен в объёме» [5]. Программа структурно состоит из двух блоков. Первый блок предназначен для преобразования цветных изображений шлифовальных зёрен в черно-белые. Во втором блоке программы (рис.3) два изображения одного зерна совместно анализируются в соответствии с математическим алгоритмом, позволяющим определять в теле зерна диаметры минимально возможной описанной и максимально возможной вписанной сфер. Рассчитываются коэффициенты фэрмы.
28 № 2 (35) 2007
а •Ж A:
s /\ " 1 \ — -7 Ч^У \ J
а _, J
9 i J
lu -! _ ¿1
Рис. 3. Расчет объёмных коэффициентов формы шлифовальных зёрен
Для каждой фракции абразива определяется средний коэффициент формы путём усреднения результатов по оценке формы не менее чем пятидесяти отдельных зёрен из данной фракции. Результаты сэхраняются в виде графиков зависимости коэффициента формы от номера зерна, а также в формате таблиц Excel.
Предлагаемый метод оценки формы зёрен в объёме был испытан на шлифовальных зернах нормального электрокорунда марки 13А63Н и карбида кремния черного марки 53С32Н. Исследовались фракции зёрен, предварительно разделённых по признаку формы на специальном вибрационном сепараторе (патент РФ N92248851). Для каждой марки абразива было исследовано 12 фракций по числу задействованных ячеек вибрационного сепаратора. Кроме того, была проведена сопоставительная оценка формы шлифовальных зёрен из тех же фракций на плоскости с помощью планшетного сканера и программы для ЭВМ (свидетельство о регистрации №2006610153). Сравнительные результаты оценки формы зёрен двумя методами - в объёме и на плоскости представлены в виде графиков (рис. 4 и 5).
■в объеме
■на плоскости
10 11 12 N9 ячейки
Рис. 4. Оценка формы шлифовальных зёрен марки 13А63Н в 12 ячейках вибрационного сепаратора двумя методами -в объёме и на плоскости
е объеме 1 на плоскости
10 11 12 № ячейки
Рис. 5. Оценка формы шлифовальных зёрен марки 53С32Н в 12 ячейках вибрационного сепаратора двумя методами -в объёме и на плоскости
ШШШШШШ
ИНСТРУМЕНТ
Полученные данные позволяют сделать вывод о тэм, что при оценке формы зерен на плоскости и в объеме кривые распределения коэффициентов форм в целом имеют сходный вид. Это говоэит о том, что оба метода вполне пригодны для работы. Однако метод оценки формы зерен на плоскости дает некоторую погрешность, которая тэм выше, чем больше форма зерен приближается к пластинчатым разновидностям.
1аким образом, метод оценки формы зёрен в обьёме является более адекватным и его применение предпочтительно в случаях, когда требуется высокая точность измерений и когда в абразиве содержится большая доля зёрен пластинчатых разновидностей (например, зёэна карбида кремния). По сравнению с методом оценки формы зёрен на плоскости данный метод более трудоёмок, поэтому там, где важно быстрое получение результатов, целесообразно применять метод оценки формы зерен на плоскости.
Площадь поверхности шлифовальных зёрен, наряду с их формой, также является важным параметром, требующим изучения. В частности, есть основание полагать, что зёрна разной формы имеют различные величины площадей поверхности. Следствием такого различия может являться разная прочность адгезии зёрен и связки, которая, как известно, оказывает действенное влияние на эксплуатационные показатели шлифовальных инструментов.
Определить площадь поверхности шлифовального зерна можно путем анализа его пространственно-объёмной модели. С целью решения этой задачи был разработан метод и создано программное обеспечение для определения площади поверхности абразивных зёрен. Метод основан на том, что исследуемое зерно, как и при определении объёмного коэффициента формы, фотографируется через стереомикроскоп в двух видах - виде в плане и виде сбоку. Готовые цветные изображения зёрен преобразуются в чёрно-белые и обрабатываются с помощью ещё одной специально разработанной программы «Площадь поверхности и форма шлифовальных зёрен» (находится на регистрации). Два изображения одного зерна совместно анализируются и рассчитывается площадь поверхности зерна, а также определяется его объёмный коэффициент формы. Площадь поверхности рассчитывается по алгоритму, который основывается на допущении того, что каждое сечение абразивного зерна имеет форму эллипса. Величины диагоналей эллипсов, получаемые на двух изображениях одного зерна, позволяют рассчитать искомую плэщадь поверхности зерна. Программа устанавливает также взаимосвязь площади поверхности зерна с объёмным коэффициентом формы. Для каждой партии абразива средняя площадь поверхности зёрен определяется после оценки формы не менее чем пятидесяти отдельных зорен.
С помощью указанной программы были установлены текущие и средние значения площадей поверхности зёрен и коэффициентов формы для 12 фракций абразива марок 13А63Н и 53С32Н (по числу задействованных ячеек вибрационного сепаратора).
Анализ взаимосвязи «площадь поверхности - форма зёрен* выявил дополнительный, активно влияющий фактор - размер зерен, который даже в рамках одной зернистости может значительно килеба1ьии. Поэтому, была проведена работа по установлению точной взаимосвязи
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
между площадью и формой зёрен с учётом размерного фактора. Критерием размера зёрен исходя из того, что рассев абразива по размеру (зернистости) производится на ситах с ячейками определённого размера, служил диаметр максимальной вписанной окружности при отдельном рассмотрении двух изображений одного зерна. Полученные результаты как для абразива марки 13А63Н, так и для абразива марки 53С32Н адекватно описываются линейной функцией вида
Э = а + Ь(Кф) + с(Овп),
где Э - площадь поверхности зерна, Кф - коэффициент формы, Овп - диаметр максимальной вписанной окружности. Графическое изображение полученной зависимости для шлифовальных зёрен марки 13А63Н представлено на рис. 6.
Рис. 6. Зависимость площади поверхности шлифовальных зерен 13A63H от обьёмно! и киаффициен i а формы и размера зёрен
Таким образом, в результате проведённой работы, основанной на анализе зерна как трёхмерного объекта, разработаны методы для оценки формы зёрен и площади их поверхности, которые могут оказаться полезными при проектировании и производстве шлифовальных инструментов с повышенными эксплуатационными возможностями.
Список литературы
1. Любомудров В.Н., Васильев H.H., Фальковский Б.И. Абразивные инструменты и их изготовление: - М.-Л; Машгиз, 1953.-376 с.
2. Короткое А.Н. Повышение работосгособности шлифовальных инструментов на основе эффективного использования свойств зёрен / Автореф. дисс. на соиск. уч. степ, д-ра техн. наук, - М., 1993., -23 с.
3. Дубоо Г.М. Повышение работоспособности отрезных шлифовальных кругов на основе использования зёрен с контролируемой формой / Автореф. дисс. на сэиск. уч. степ. канд. техн. наук, Кемерово, 2004., - 20 с.
4. Шатько Д.Е. Повышение эффективности использования лепестковых шлифовальных кругов за счёт зёрен с контролируемой формой / Автореф. дисс. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук, - Кемерово; 2005. - 20 с.
5. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2006613051. Форма шлифовальных зёрен в объёме / В.А. Короткое, Г.М. Рылов, Заявка 2006612327, за-явл. 04.07.2006; зарег. 01.09.2006.
