ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ГЛУБИНЫ И СТЕПЕНИ УПРОЧНЕНИЯ ШЛИФОВАННОЙ ПОВЕРХНОСТИ Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

КАЧЕСТВО ПОВЕРХНОСТИ

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

<3и

Прогнозирование глуОины и степени упрочнения шлифованной поверхности

с. г. БИШУТИН, доцент, канд. техн. наук, докторант, БрГТУ, г. Брянск

Наиболее часто для оценки качества поверхности лс-пользуотся параметры шероховатости, глубина и степень наклепа обработанной поверхности. Общие решения задачи прогнозирования параметров шероховатости поверхности при шлифовании приведены в работах [1, 2 и др]. В значительно меньшей степени в современной научной литературе проработан вопрос прогнозирования параметров упрочнения поверхностного слоя при шлифовании. В связи с этим исследования, посвященные данной проблеме, являются актуальными.

В настоящее время в производственных условиях стараются подобрать режимы шлифования заготовок, искгю-чающие значительные структурно-фазовые превращения в поверхностном слое (прижоги), которые в большинстве случаев негативно отражаются, на эксплуатационных показателях деталей машин. В связи с этим закономерно появляется интерес к исследованию формирования состояния поверхностного слоя заготовки в условиях бес-прижогового шлифования. Состояние поверхностного слоя формируется, как правило, под воздействием температурного и силового факторов процесса обработки. Беспри-жоговое шлифование делает превалирующим влияние силового фактора над температурным. В этих условиях повышение микротвердости обрабатываемого материала происходит засчет деформационного упрочнения. Это обстоятельство позволяет применить для прогнозирования глубины и степени упрочнения поверхности положения теории пластичности.

Наиболее часто полагают, что вершина абразивного зерна имеет сферическую форму. Движение такой вершины относительно обрабатываемого материала вызывает его возвышения (навалы) впереди индентора и по краям шлифовочной царапины [3]. Дальнейшее внедрение вершины зерна в обрабатываемый материал может привести к образованию стружки при выполнении следующего условия [4]:

а,>а7к=ршк, (1)

где а2 - глубина внедрения зершины зерна в обраба-

I ываемый материал; а2К - глубина внедрения вершины зерна в обрабатываемый материал, при которой начинается образование стружки; р - радиус округления вершины зерна; тк - критерий перехода от пластической деформации к стружкообразованию при шлифовании [5).

Проанализируем особенности взаимодействия зерна с металлом 8 сечении, параллельном вектору скорости V и проходящем через ось симметрии вершины (рис.1).

Очевидно, что в этом сечении металл испытывает плоскую деформацию. Поэтому глубину залегания пластических деформаций в поверхностном слое, необходимую для расчета глубины упрочнения, можно определить с помощью метода линий скольжения. Начнем построение сетки линий скольжения со свободной поверхности сграва от вершины зерна. Некоторый её участок АВ пластический, т.к. наблюдается возвышение металла над поверхностью. Поскольку касательные напэяжения на свободной поверхности АВ равны нулю, то а и р - линии скольжения пересекают эту поверхность под углом 45° и 135°. Каждая из а - линий далее меняет своо направление, подходя к поверхности вершины

зерна под углом 0* =-—-а7 + а„, где ан - угол между касательной к поверхности вершины зерна в рассматриваемой точке и направлением X; а. - угол, учитывающий трение в контакте вершины зерна с металлом (при отсутствии трения а, = 0, при налипании металла на вершину зерна От = к/4). В связи с этим из точки А выходит пучок характеристик одного семейства. Линия АО принадлежит поверхности сдвига. Металл, расположенный выше поверхности сдвига, в дальнейшем отдели«юн в виде стружки. Учитывая это обстоятельство, а также взаимную перпендикулярность а и (3 - линий, можно построить интересуемую нас сетку линий скольжения (см. рис. 1). Очевидно, что по сетке линий скольжения можно судить о размерах очага деформации. В таком случае будут справедливыми следующие соотношения:

(а.-а^ЖзР

1 +

(а — а

У 7. /

а/рМр ж 4

У

2а,

,аг>а;

1-з = Ь„(1 + кт);

(2)

(3)

Рис.1. Сетка линий скольжения и траектории перемещений частиц металла при взаимодействии с вершиной зерна

У1,5рагк а

Н сое (агод \]0,5т к ) т' 2 ^

где Ц - длина проекции дуги контакта вершины зерна с металлом на ось ОХ;

1_3 - максимальная протяженность очага деформации в направлении оси ОХ;

Ин - глубина наклепа поверхности слоя;

Ка - коэффициент усадки стружки [6];

кт - коэффициент, учитывающий трение в контакте вершины зерна с металлом.

Если в качестве меры упрочнения элементарного объема обрабатываемого металла взять величину накопленной интенсивности деформации сдвига Г [7,8], то для определения степени упрочнения поверхностного слоя необходимо знать изменение значения величины Г по его глубине. В соответствии с [7,8]

(

Г = | ЬШ, (5)

где I - время прохождения элементарного объема через очаг деформации; Н ции сдвига [7,8]:

интенсивность скоростей деформа-

н="Л~ е*у +^"+^ - ®х )2+| (кг г+к у+[с ]2),

(6)

где £х угг - скорости относительных линейных деформаций элементарного объема £

р

ху ,

носительных угловых деформаций элементарного объема. В условиях плоской деформации £

Х2 - скорость от-= 0,е; = -£у,

еху ^ ^ И

У*

Величину е х.. можно выразить через е,,

ху у

деформации [7]:

О [9]. В таком случае уравнение (6) можно записать следующим образом:

н^ЫО2- <7>

воспользовавшись условием пропорциональности напряжений и скоростей

Ъ2в = {гх-е*у)/гхуу

откуда: = -2е* /tg28. (8)

Скорость деформации е*, элементарного объема можно определить, зная траектории у (х,у) перемещений частиц металла при взаимодействии с вершиной зерна:

Э2у

у(хпУ. - Ау)]- -Дх;у,)~ у(х, - Дх;у{ - Ду)]

(9)

у ЭхЭу

где у(х,:у,) - значение функции у(х,у) в точке с координатами х = * и у = у>; Дх, Ду - приращения координат х и у; сК - промежуток времени, в течение которого происходят приращения Дх и Ду.

Вид функции у(х,у) можно установить на основе анализа формы кривых АВ, АР и СО очага деформации (см. рис.1):

Тп

Ьв

ч$+ -к

а.

£ х ^ Ьв, 0< у < Ьн;

1->в и

хт аг

Ь3

+ а,

»+1

Ьв < х < Ь31, 0< у <ЬН,

(10)

где п.э.к.т - некоторые константы; - протяженность очага деформации вдоль оси ОХ при заданном значении у; 1В - высота металлических навалов вокруг шлифовочных царапин.

Константы в уравнении (10) можно определить, задавшись законом изменения деформации по глубине поверхностного слоя. Если принять гипотезу о линейном распределении деформаиии в направлении оси ОУ [9], то можно получить: п - 2,0; э = 1,5; к = 2,0; т = 1,0.

Таким образом, используя уравнения (5) - (10), можно рассчитать величину накопленной интенсивности деформации сдвига П рассматриваемого элементарного объема поверхностного слоя в процессе контактирования вершины зерна с мелаллим. Однако в процессе шлифования каждый участок обрабатываемой поверхности заготовки многократно контактирует с абразивным инструментом, что вызывает дополнительную деформацию поверхностного слоя. В связи с этим общую накопленную интенсивность деформации сдвига Г0| рассматриваемого элементарного объема поверхностного слоя в процессе шлифования следует рассчитывать по формуле:

N

п.=г„ +

Хг,

<г.

р»

(11)

¡=1

где Гн - начальная накопленная интенсивность деформации сдвига; Г, - накопленная интенсивность деформации сдвига, получаемая элементарным объемом поверхностного слоя при ¡-м контакте с вершиной абразивного зерна; Гр - накопленная металлом к моменту разрушения (образования трешины) степень деформации сдвига [8]; N - число воздействий вершин зерен на рассматриваемый элементарный объем поверхностного слоя:

М~квЬ„/Чс (12)

здесь кв - число воздействий вершин зерен на рассматриваемый элементарный объем поверхностного слоя за время контакта с абразивным инструментом; дс - среднее значение толщины слоя металла, снимаемого абразивным инструментом с рассматриваемого участка поверхности заготовки за N контактов.

Для оценки микротвердости поверхностных слоев шлифованных деталей необходимо знать распределение величин Г0, по глубине у поверхностного слоя. Принцип выявления функции Г^ (у) можно понять из рис. 2.

(Продолжение на 30 стр.)

£*хро

INDUSTRIAL TECHNOLOGIES EXHIBITIONS

Международная специализированная выставка и конференция

ОБРАБОТКА ПОВЕРХНОСТИ

11-13 МАЯ 2004

Москва, ЦМТ

1

Разделы выставки

Организаторы: ^ тши т

Тел (812)380 60 02/00 Факс (812) 380 60 01 E-mail coaling@pfimexpo.ru

Technika

I TKCNNOlOOIVt

Процессы:

Все виды предзарительной обработки поверхности Защитные, защитно-декоративные, износостойкие, твердые и другие функциональные покрытия Процессы послеобработки поверхности. в том числе пассивирование фосфатирование и т.п

Материалы, химикаты, добавки для:

Предварительной и окончательной обработки поверхности

Нанесения всех видов покрытии

Оборудование:

Для подготовки поверхности перед нанесением покрьиии Ванны, барабаны, гальванические линии, окрасочные кабины, любые комплектующие для нанесения покрытии Контрольно-измерительная аппаратура, приборы для анализа и контроля Рабочая и защитная одежда Процессы и оборудование для очистки сточных вод. для регенерации растворов и электролитов

Экология промышленного предприятия:

Очистка воздуха Водоочистка Управление отходами Защита от шума Экология в энергетике

Pri-nexpo.ru/coating

(Окончание. Начало на 21 стр.)

Рис. 2. Формирование эпюры Г^у) поверхностного слоя в процессе трехкратного взаимодействия с абразивным инструментом при Ги = 0: 1 - исходная поверхность заготовки; 2 - поверхность детали

При первом контакте шлифовального круга с рассматриваемым участком поверхности заготовки с последнего снимается слой толщиной дс1. В результате этого формируется поверхностный слой с глубиной наклепа Ин1 и максимальным значением Г, накопленной степени деформации сдвига. В результате снятия слоя металла при втором взаимодействии с абразивным инструментом, глубина проникновения пластической деформации составила Ь^ , а к оставшийся от первого контакта накопленной степени деформации сдвига Г/ прибавляется еще некоторое значение Г2 . Аналогичным образом формируется эпюра Гс (у) в ходе третьего контакта с абразивным инструментом, однако если величина Г3 + Т-1 > Гр, то на эпюре Га (у) появляется участок с постоянным значением Г0, = Гр.

Величина Гл связана с интенсивностью деформаций е, соотношением [7,8];

6,^/73. (13)

Интенсивность деформаций для каждого материала в рассматриваемом диапазоне скоростей деформаций связана с интенсивностью напряжений а, зависимостью вида [8]: <* = ат + СеГ<ар, (14)

где ат - предел текучести материала поверхностного слоя заготовки (если площадки текучести не наблюдается, то вместо ат следует подставлять а0.2); С, п - коэффициенты; ор - напряжение разрыва материала поверхностного слоя заготовки. Величина микротвердости Н\/, поверхностного слоя определяется через интенсивность напряжений по формуле [10]:

о| = С,ЗЗНУ1. (15)

В таком случае степень упрочнения поверхностного слоя с учетом формул (13)-(15) можно определить следующим образом:

и

НУ. - ну.

ну.

100% =

Ч+с(го,(у)/Уз )п а1+с(Гн/л/з)п

100%,

(16)

где Н\/п - микротвердость поверхностного слоя заготовки после шлифования; ИХ/, - исходная микротвердость поверхностного слоя заготовки.

Для подтверждения правомерности проведенных аналитических исследований был осуществлен ряд экспериментов, целью которых являлась оценка влияния степени износа рабочей поверхности шлисоовального круга на параметры упрочнения обработанной поверхности. Эксперименты проводились следующим сбразом. На плоскошлифовальном станке ЗГ71 обрабатывались образцы из стали 45 различной твердости шлифовальным кругом 1 200x70x40 24А С1 К. Круг перед обработкой подвергался алмазной правке на среднем режиме (12 ходов алмазного карандаша с глубиной 20 мкм и годачей 0,15-0,25мм/об. круга). Круг относительно образца устанавливался таким образом, чтобы определенная часть его рабочей поверхности не контактировала с металлом в процессе обработки. Далее проводилась обработка образца при скорости стола станка 7м/мин и вертикальной подаче бмкм/ход. В процессе обработки осуществляли периодическое смещение образца относительно шлифовального кругя Каждое такое смещение уменьшало ширину обрабатываемого участка поверхности образца. В результате этого на периферии шлифовального круга сформировались участки с различной степенью износа, а обрабатываемая поверхность образца получалась ступенчатой. Затем на стол станка устанавливался другой образец, который обрабатывался в два этапа. На первом этапе делались 3 - 4 рабочих хода с вертикагьной подачей 4-5 мкм/ход с целью перенесения профиля изношенного шлифовального круга на обрабатываемую поверхность образца. Далее, на втором этапе, делался один рабочий ход с вертикальной подачей 16 -18 мкм по предыдущему обработанному участку поверхности образца. В результате на образце формировался поверхностный слой с различными параметрами упрочнения вследствие неодинаковой степени износа участков периферии шлифовального круга. Кроме того, в ходе эксперимента в различные моменты времени эксплуатации шлифовального круга с его рабочей поверхности снимались отпечатки с помощью свинцовых пластинок для оценки радиуса вершин зерен, необходимого для расчета а„ (см. формулу (1) и (10)). В результате анализа геометрической формы лунок на свинцовых пластинках от вершин зерен и

и, мкм

Рис. 3. Изменение степени упрочнения и„ обработанной поверхности в зависимости от линейного износа и шлифовального круга (сплошными линиями показаны экспериментальные значения, штриховыми - расчетные значения):

1 - нормализованная сталь 45; 2 - закаленная сталь 45

РЕЖИМЫ ОБРАБОТКИ

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

профиля изношенного шлифовального круга на обработанном образце было установлено следующее:

Линейный износ круга I), мкм 0 4 8 12 Величина р, мкм 37 50 65 74

Далее было проведено сопоставление расчетных л экспериментальных значений степени упрочнения (рис.3). Экспериментальные значения определялись на основе измерения микротвердости обработанных поверхностей образцов на микротвердомере ПМТ-ЗМ. Расчетные значения были определены по вышеприведенным зависимостям. Расхождение расчетных и экспериментальных значений не превышает 19%.

Анализируя проведенные исследования, приходим к следующим выводам:

- максимально возможная степень упрочнения поверхностного слоя достигается при накоплении металлом деформации сдвига, равной Гр и пропорциональна отношению напряжения разрыва к пределу текучести материала поверхностного слоя, сформированного до операции шлифования;

- при накоплении металлом поверхностного слоя деформации сдвига, равной Гр, режимы шлифования перестают оказывать влияние на степень упрочнения поверхностного слоя;

- увеличение степени упрочнения поверхностного слоя будет наблюдаться при увеличении числа выхаживающих ходов шлифовального круга, увеличении числа и радиуса округления вершин контактирующих с металлом зерен, снижении жесткости технологической системы СПИЗ;

- неоднозначно влияние на степень упрочнения поверхностного слоя глубины а2 внедрения вершины зерьа в обрабатываемый материал: увеличение а2 приведет к повышению накопленной деформации сдвига металла при однократном контактировании с вершиной зерна, но одно-

временно с этим снижается общая накопленная деформация сдвига вследствие повышения производительности процесса;

- глубина упрочнения поверхностного слоя увеличивается с ростом величины aw и радиуса р округления вершин контактирующих с металлом зерен.

Литература

1. Королев А.В., Новоселов Ю.К. Теоретико-вероятностные основы абразивной обработки. Часть 2. - Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1989 - 160с.

2. Бишутин С.Г. Прогнозирование состояния поверхностного слоя шлифовальных деталей//Справочник. Инженерный журнал. - 2002. - №8. - с.59 - 61.

3. Маслов Е.Н. Теория шлифования материалов. - М.: Машиностроение, 1974. - 320 с.

4. Крагельский И.В., Добычин М.Н., Комбалов B.C. Основы расчетов на трение и износ. - М.; Машиностроение, 1977. -525с.

5. Ефимов В.В. Модель процесса шлифования с применением СОЖ. - Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1992. -132с.

6. Пилинский В.И. Силы и коэффициент трения при шлифовании//Трение и износ. - 1984. - т.5, №1. - С.73-80.

7. Качанов Л. М. Основы теории пластичности. - М.: Наука, 1969. -232с.

8. Смелянский В.М. Механика упрочнения деталей поверхностным пластическим деформированием. - М.: Машиностроение, 2002. - 300с.

9. Катаев Ю.П., Павлов А.Ф., Белоног В.М. Пластичность и резание металлов. - М.Машиностроение, 1994. -144с.

10. Дель. Г.Д. Определение напряжений в пластичной области по распределению твердости. - М.: Машиностроение, 1979. - 144с.

Использование метода функционально-стоимостного проектирования при оптимизации режимов резания

В настоящее время все организационные и технические решения, принимаемые при формировании технологической операции, основываются на необходимости достижении требуемого операционного размера. Практические исследования показывают, что такой подход, как пэа-вило, приводит к нерациональному распределению затрат по различным этапам технологического процесса, участвующим в обеспечении операционного размера и, как следствие, к неэффективной, с точки зрения экономики, технологической операции. Выход изданного положения видится в обеспечении на стадии проектирования совместного учета точностных и экономических показателей технологического процесса. Совместный учет становится возможным с использованием в ходе проектирования технико-эко-номических методов, анализ которых позволяет отдать

А. А. ЧЕРЕПАНОВ, доцент, канд. техн. наук, А. В. БАЛАШОВ, канд. техн. наук, АлтГТУ им. И. И. Ползунова, г. Барнаул

предпочтение методу функционально-стоимостного проектирования (ФСП).

Одним из основных принципов ФСП служит принцип соответствия значимости функций объекта затратам на их реализацию. Если в качестве объекта исследования рассматривать технологическую операцию, то в качестве основной функции объекта будет выступать функция «фор-мообразовать поверхность». Данная функция выражается через допуск на операционный размер. Реализация основной функции зависит от варианта организации достижения операционного размера. Например, если операционный размер обеспечивается формообразующим движением, то осуществление основной функции зависит от реализации функций: «обеспечить съем материала»; «настроить инструмент» и «установить инструмент». Каждая из