Силы резания при обработке эластичными абразивными кругами Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 621.923; 621.922

СИЛЫ РЕЗАНИЯ ПРИ ОБРАБОТКЕ ЭЛАСТИЧНЫМИ АБРАЗИВНЫМИ КРУГАМИ © Ю.В. Димов1, Д.Б. Подашев2

Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Рассмотрены результаты экспериментальных исследований нормальной и тангенциальной составляющих силы резания при обработке поверхностей образцов из высокопрочного алюминиевого сплава В95пчТ2 эластичными абразивными кругами компании 3M марок: FS-WL 8A MED, FS-WL 6S FIN, FS-WL 2S CRS и DB-WL 8S MED, изготовленными из абразивного материала Scotch-Brite™. Отмечено, что сила как основной фактор, влияющий на процесс резания и интенсивность износа круга при обработке эластичными инструментами, имеет составляющие: силы упругой деформации круга; центробежной силы зоны круга, находящейся в упруго деформированном состоянии; ударного импульса при вступлении в контакт инструмента с деталью. Дано описание трехкомпонент-ного динамометра швейцарской фирмы Kistler (модель 9257В), с применением которого проведены измерения сил. Установлены закономерности изменения сил резания в зависимости от радиальной деформации круга и скорости резания, представленные в виде уравнений, зависимости износа инструмента от сил резания. Ключевые слова: эластичный круг; нетканый материал Scotch-Brite™; прессованный круг; динамометр; силы резания; эмпирическая зависимость; режимы обработки.

CUTTING FORCES IN MACHINING BY ELASTIC ABRASIVE WHEELS Yu.V. Dimov, D.B. Podashev

Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.

The article discusses the results of experimental studies of normal and tangential components of the cutting force when machining the surfaces of samples made of high-strength aluminum alloy В95пчТ2 by elastic abrasive wheels of 3M company of the following brands: FS-WL 8A MED, FS-WL 6S FIN, FS-WL 2S CRS and DB-WL 8S MED, which are produced from of Scotch-Brite™ abrasive material. It is noted that force as the main factor affecting the cutting process and wheel wear rate under machining with elastic tools has the following components: the force of wheel elastic deformation; centrifugal force of the elastically deformed wheel zone; shock pulse at the moment of tool contact with the part. The paper also describes a three-component dynamometer of the Swiss company Kistler (Model 9257B), which was used to measure the forces. It has been determined that the regularities of cutting force changes depend on the wheel radial deformation and cutting speeds that was presented in the form of equations. The regularities of tool wear dependence on the cutting forces have been established as well.

Keywords: elastic wheel; nonwoven fabric Scotch-Brite™; molded wheel; dynamometer; cutting forces; empirical dependence; machining regimes.

Эластичные абразивные круги применяются для следующих технологических операций: финишной обработки с целью придания обрабатываемой поверхности требуемой шероховатости, подготовки ее под лакокрасочные покрытия, удаления заусенцев, скругления острых кромок, предварительной обработки перед полированием и глянцеванием и т.п. При этом обрабатываться могут различные металлы и их сплавы, пластмасса, дерево, стекло, керамика и камни.

Шлифование эластичными инструментами в отличие от обработки «жесткими» кругами имеет ряд специфических особенностей. Такие инструменты не устанавливаются на определенную глубину резания, а необходимые условия для работы отдельных зерен создаются за счет их предварительного нагружения. При этом деформируется основание инструмента, прижимаемого к обрабатываемой поверхности.

В мире производится большое раз-

1

Димов Юрий Владимирович, доктор технических наук, профессор кафедры конструирования и стандартизации в машиностроении, тел.: (3952) 366270, 89645427169, e-mail: Dimov-Ura@yandex.ru

Dimov Yuri, Doctor of technical sciences, Professor of the Department of Design and Standardization in Mechanical Engineering, tel.: (3952) 366270, 89645427169, e-mail: Dimov-Ura@yandex.ru

2Подашев Дмитрий Борисович, кандидат технических наук, ассистент кафедры конструирования и стандартизации в машиностроении, тел.: (3952) 231530, 89086558744, e-mail: dbp90@mail.ru

Podashev Dmitry, Candidate of technical sciences, Assistant Professor of the Department of Design and Standardization in Mechanical Engineering, tel.: (3952) 231530, 89086558744, e-mail: dbp90@mail.ru

нообразие эластичных абразивных и неабразивных кругов для финишной обработки деталей. В работе [1] приведена их классификация. Силы, возникающие в процессе резания, оказывают существенное влияние на качество обработанной поверхности и на процесс износа инструмента. В данной статье приведены результаты исследования сил резания при обработке эластичными абразивными кругами компании 3M (Minnesota Mining and Manufacturing Company), изготовленными из абразивного материала Scotch-Brite™. Этот материал состоит из синтетических волокон, образующих трехмерное нетканое полотно, по всему объему которого равномерно распределены абразивные зерна.

Круги FS-WL 8A MED, FS-WL 6S FIN, FS-WL 2S CRS и DB-WL 8S MED - прессованные, в обозначении которых цифрами 8, 6, 2 обозначена структура; А - абразивный материал А120з, S - абразивный материал SiC; зернистость: FINE (тонкое зерно, соответствующее 45-50 мкм), MEDIUM (среднее зерно, соответствующее 50-60 мкм), COARSE (грубое зерно, соответствующее -200 мкм).

Круг CF-FB 0,5А FIN - очень эластичная щетка из лепестков материала типа Clean & Finish для чистовой обработки с абразивным материалом Al203 зернистостью FINE (тонкое зерно, соответствующее 45-50 мкм).

Сила как основной фактор, влияющий на процесс резания и интенсивность износа круга при обработке эластичными

инструментами, имеет составляющие: силы упругой деформации круга; центробежной силы зоны круга, находящейся в упруго деформированном состоянии; ударного импульса при вступлении в контакт инструмента с деталью.

При исследовании нормальной и тангенциальной составляющих силы резания образец из высокопрочного алюминиевого сплава В95пчТ2 размерами 100x20x3 мм крепился в приспособлении и обрабатывался на вертикально-фрезерном станке марки Deckel Maho DMC 635V.

Основным элементом измерительной системы является трехкомпонентный динамометр швейцарской фирмы Kistler (модель 9257B), внешний вид которого представлен на рис. 1.

Схема подключения динамометра условно изображена на рис. 1.

При измерении сил резания вектор силы резания, действующей на инструмент, динамометр непосредственно раскладывает на три ортогональные составляющие: Fx, Fy, Fz.

В динамометре использован пьезоэлектрический принцип действия, который вполне подходит для создания многокомпонентных датчиков силы. Структура многокомпонентного датчика (рис. 2) аналогична структуре однокомпонентного датчика. Используется пара кварцевых колец для определения силы FZ в направлении оси Z и две дополнительные пары для определения сил FX и Fy.

Рис. 1. Схема подключения динамометра

Fx Fy

^f

<<

Рис. 2. Структура трехкомпонентного датчика силы и динамометра

Результирующая сила, действующая на динамометр, пропорциональна алгебраической сумме соответствующих компонент отдельных сил, которые образуются в результате параллельного расположения. Таким образом, динамометр является многокомпонентным датчиком силы, независящим от точки ее приложения.

Силы резания рассчитываются по следующим формулам:

Fx=Fx1+2 + Fxз+4; FY=FY1+4 + FY2+з;

Fz=Fz1+Fz2+Fzз+Fz4.

В основном динамометр применяется при технологических процессах, которыми являются: динамические и квазистатические измерения; исследования силы резания при точении, фрезеровании, шлифовании и т.п.; аэродинамические испытания моделей.

Динамометр модели 9257В обладает следующими качествами: компактная конструкция, высокое разрешение, высокая жесткость и собственная частота, невосприимчивость к воздействию температуры, стойкость к коррозии, герметичность к проникновению смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ).

Технические данные динамометра, отмеченные в его паспорте, представлены в табл.1.

Для усиления и преобразования сигнала использовался 8-канальный усилитель-преобразователь типа 5070А01110 фирмы ^1ег (Швейцария), внешний вид которого представлен на рис. 1. Данная модификация предназначена для 6-компонентных измерений «сила-момент».

Технические данные усилителя-преобразователя представлены в табл. 2.

Технические данные динамометра модели 9257В

Таблица 1

Показатель Обозначение Единица измерения Значение

Диапазон измерения Fx, Fy, Fz кН ±30,0

Чувствительность Fx, Fy пКл/Н «7,5

Fz пКл/Н «-3,7

Собственная частота fnx, fny кГц «2,3

fnz кГц «3,5

Диапазон рабочих температур - °С от 0 до 70

Длина, ширина, высота - мм 170х100х60

Масса - кг 7,3

f

X

Таблица 2

Технические данные усилителя-преобразователя типа 5070А01110_

Показатель Единица измерения Значение

Диапазон измерения пКл от 200 до 200000; от -200000 до -200

Диапазон частот кГц от 0 до 45

Выходной сигнал В от -10 до 10

Питание В от 100 до 240

Интерфейс - RS-232C

Для сбора и анализа данных использовалось программное обеспечение DynoWare фирмы Kistler (Швейцария), версия 2.4.1.6, которое совместимо с динамометрами и с одно- и многокомпонентными датчиками силы осуществляет непрерывную визуализацию измеряемых кривых, а также имеет все необходимые математические и графические функции. Наряду с простой конфигурацией самых важных средств измерения DynoWare поддерживает документирование измерительных процессов и хранение данных конфигураций и измерений.

Ценными качествами DynoWare являются: простое управление при настройке и контроле измерительных приборов Kistler посредством интерфейсов RS-232C или IEEE 488; мощные графические возможности; полезные функции для оценки и расчетов; одновременная регистрация данных до восьми измерительных каналов, а также для записи и оценки любых физических величин.

При настройке программы были введены значения чувствительности из заводского протокола калибровки. Также при настройке вводятся размерные параметры динамометра. Подробное описание методики проведения измерения сил на подоб-

ном динамометре фирмы ^1ег (Швейцария) дано в работе [2].

Результаты измерения выдаются через каждые 0,3 секунды рядом значений силы. В качестве примера на рис. 3 приведен график значений показаний динамометра для круга СР-РБ-0,5АПМ при У=606,33 м/с, Ду=4,5 мм, Б=130 мм/мин.

В связи со значительным разбросом экспериментальных данных был проведен дисперсионный анализ зависимостей сил от параметров обработки по всем исследуемым кругам по методике, изложенной в работе [3]. При этом число значений исследуемого фактора Ду, V и Б принято к=4, число повторных наблюдений на каждом уровне принято п=6. Каждое наблюдение является среднеарифметическим значением 30 измеренных показаний.

В табл. 3 в качестве примера приведены результаты дисперсионного анализа зависимостей для двух кругов при доверительной вероятности 0,95:

• СР-РБ-0,5АПМ (с наименьшей жесткостью) Ру=1:(Ду) при V=606,3 м/мин; Б=130 мм/мин; Ру=1^) при Ду=4,5 мм; Б=130 мм/мин и Ру=Г(Б) при Ду=4,5; V=606,3 м/мин;

Ру, Н

10

wf

IM» ¿»,1.

Рис. 3. График результатов измерения силы Ру для круга CF-FB-0,5AFIN при V = 606,33 м/с, йу = 4,5 мм,

S = 130 мм/мин. В зоне 1 процесс резания не начат; в зоне 2 - врезание; _в зоне 3 (урезанной) - процесс резания; в зоне 4 - выход_

• FS-WL 8A MED (с наибольшей жесткостью) Py=f(Ay) при V=441,4 м/мин; S=130 мм/мин; Py=f(V) при Ay=1,5 мм; S=130 мм/мин и Py=f(S) при Ay=1,5; V=441,4 м/мин.

Заключение о значимости или незначимости влияния рассматриваемого фактора Ay, V и S на силу Ру получено с использованием критерия Фишера. Если

9 9

F=(Sa/S02)>F0,95, то фактор значимо влияет на исследуемую силу. Здесь SA2 - дисперсия фактора Zj=i & - х)2 - 7;

о

S02 - дисперсия по всем уровням фактора 5o = j^) Ii=i Ijn=i(^r^) ; F0,95 - критерий

Фишера при доверительной вероятности 0,95. Этот критерий при степенях свободы f1=k-1=3 и f2=k(n-1 )=20 по справочным данным [3] равен F095=3,1. Доверительные границы определены как ± S0-t, где t - квантиль Стьюдента. При количестве степеней свободы 179-t=1,96.

На рис. 4 приведены зависимости нормальной (а) и тангенциальной (б) составляющих силы резания (на 1 мм ширины обработки) от деформации круга. В качестве результата измерения при заданных режимах обработки принята средняя арифметическая по всем 6-и уровням (180 значений). Установлено, что нормальная и тангенциальная составляющие силы с увеличением деформации растет. Это объясняется тем, что с увеличением деформации увеличиваются упругая и центробежная составляющие силы Py. По этой же причине увеличивается и тангенциальная

сила резания Pz.

На рис. 5 представлены зависимости нормальной (а) и тангенциальной (б) составляющих силы резания от скорости резания, из которых видно, что с ростом скорости резания значения составляющих силы резания для разных кругов изменяются неоднозначно. Это объясняется слишком разной структурой и жесткостью исследованных кругов.

Исследования показали, что эластичные абразивные круги не являются идеально упругими. Они обладают вязко-упругими свойствами, в результате чего за период одного оборота, когда наступает следующий контакт инструмента с обрабатываемой поверхностью, не успевает произойти восстановление заданной деформации. Поэтому для кругов, обладающих меньшими вязкостными свойствами, силы растут, а для кругов с большей вязкостью -уменьшаются.

На рис. 6 представлены зависимости нормальной (а) и тангенциальной (б) составляющих силы резания от продольной подачи, из которых видно, что с ростом продольной подачи значения составляющих силы резания увеличиваются для более жестких кругов и уменьшаются для менее жестких. Это объясняется различием вязко-упругих свойств эластичных кругов и слишком малой толщиной снимаемого слоя материала.

Графики на рис 3, 4 и 6 получены по методу наименьших квадратов в среде EXCEL.

Таблица 3

Результаты дисперсионного анализа зависимостей

Марка круга Функция Sa2, Н2 Sc2, Н2 F=Sa2/S02 Значимость влияния фактора Доверительные границы Set, Н

CF-FB-0,5AFIN Py=f(Ay) 0,0808 0,00388 20,825 Значимо ±0,122

Py=f(V) 0,00368 0,000572 6,442 Значимо ±0,047

Py=f(S) 0,0226 0,00097 23,3 Значимо ±0,002

FS-WL 8A MED Py=f(Ay) 29,5786 0,112285 263,4248 Значимо ±0,658

Py=f(V) 19,5593 0,240155 81,144 Значимо ±0,960

Py=f(S) 1,97549 0,064104 30,817 Значимо ±0,125

Pv. H

0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 Ду.мм о.5 I 1.5 2 2.5 3 3.5 4 Лу.мм

а б

Рис. 4. Зависимость нормальной Ру (а) и тангенциальной Pz (б) составляющей силы резания в расчете на 1 мм ширины обработки от деформации Лу для кругов при S = 130 мм/мин: 1 • FS-WL 8A MED при V=441,4 м/мин; 2 FS-WL 6S FIN при V=406,8 м/мин; 3 о FS-WL 2S CRS при V=462,4 м/мин; 4 a DB-WL 8S MED при V=464,3 м/мин; 5 ® CF-FB 0,5A FIN при V=606,3 м/мин

Рис. 5. Зависимость нормальной Ру (а) и тангенциальной Pz (б) составляющей силы резания в расчете на 1 мм ширины обработки от скорости резания V для кругов при S = 130 мм/мин: 1 • FS-WL 8A MED; 2 FS-WL 6S FIN; 3 о FS-WL 2S CRS; 4 a DB-WL 8S MED при радиальной деформации Лу=1,5 мм; 5 ® CF-FB 0,5A FIN при радиальной деформации Лу=4,5 мм

Для того чтобы полученные результаты исследования сделать удобными для использования в практических целях, проведена аппроксимация полученных данных в виде уравнений, представляющих собой полином второй степени. Уравнения получены в следующем виде:

Ру = д1 ■Ау2+Э2-У2+ Эв-Э2+ Э4Лу +Э5-У+Эе-5+ +Э7Лу-V +Э8Лу-Э+Эд-V-Э+ЭюЛу-У-Э+ Э11; Рг = Ь1 Лу2+Ь2 У2+ Ьв -Э2+ Ь4 Лу +Ь5-У+Ье Э+ +Ь7 Лу-V +Ь8 Лу-Э+Ьд-У-Э+Ь10 Лу-V Э+ Ьц. Значения коэффициентов э 1-ю, Ь 1-ю и свободных членов а11, Ь11 данных уравнений приведены в табл. 3.

4 *

О 50 Ii И) 150 20« 250 300 ?50 N. мм мин

а б

Рис. 6. Зависимость нормальной Fy (а) и тангенциальной Fz (б) составляющей силы резания в расчете на 1 мм ширины обработки от продольной подачи S для кругов: 1 • FS-WL 8A MED при V=441,4 м/мин, Лу=1,5 мм; 2 FS-WL 6S FIN при V=406,8 м/мин, Лу=1,5 мм; 3 о FS-WL 2S CRS при V=462,4 м/мин, Лу=1,5 мм; 4 A DB-WL 8S MED при V=464,3 м/мин, Лу=1,5 мм;

5 ® CF-FB 0,5A FIN при V=606,3 м/мин, Ay=4,5 мм

Таблица 3

Значения коэффициентов и свободных членов_

Коэффициент FS-WL 8A MED FS-WL 6S FIN FS-WL 2S CRS DB-WL 8S MED CF-FB 0,5A FIN

а1 1,000198 1,148469 -0,295 1,111331 8,3333 10-3

а2 -1,169-10-7 -5,4310-8 -1,607 10-6 -7,791910-8 1,041 10-7

аз 7,468 10-8 -6,845 10-7 -3,583 10-6 4,9786 10-8 3,11310-7

а4 5,066 10-4 0,095697 1,685 3,3773 10-4 0,085

аз -4,6429 10-5 -4,8886 10-5 -2,7 10-3 -5,2 10-4 -5,4963 10-5

ае -3,5357 10-4 1,65714 10-5 -5,5 10-3 -3,5357 10-4 3,43482 10-4

а? 6,071 10-9 -8,857 10-7 1,3395 10-3 4,0476 10-9 4,80222 10-5

ае 1,6786 10-8 5,1143 10-5 3,61310-3 1,119110-8 1,39778 10-4

ад 4,0510-11 6,2510-8 1,7415 10-5 2,710-11 8,17810-7

а10 -3,3910-11 -3,3910-8 -6,455 10-6 -2,2610-11 -4,15410-7

ац 0,0625 0,385 -0,65 0,291 -0,31

bi 0,4000792 0,5742343 -0,1475 0,4630546 4,16667 10-3

b2 -2,3376 10-7 -2,14310-7 -8,035 10-7 -3,896 10-8 2,342 10-7

Ьз 1,4936 10-9 -3,423 10-7 -1,791510-6 2,4893 10-8 2,334 10-7

b4 2,0264 10-4 0,04784857 0,9 8,4433 10-6 0,02125

Ьз -9,2857 10-7 -2,7310-4 -1,3510-3 -2,6 10-4 -8,2444 10-6

be -7,071410-5 5,4286 10-6 -2,7510-3 -1,7679 10-4 8,58704 10-5

Ь? 1,2143 10-10 -4,429 10-7 6,6975 10-4 2,0238 10-9 1,20056 10-5

Ье 3,3571 10-10 2,55714 10-5 1,8065 10-3 5,5952 10-9 3,49444 10-5

Ьд 8,0910-13 3,1310-8 8,7075 10-6 1,35 • 10-11 2,044 10-7

bio -6,7810-13 -1,7 10-8 -3,2275 10-6 -1,1310-11 -1,038 10-7

bii 0,05125 0,1525 -0,28 0,291 -0,1075

Итак, можно сделать следующие выводы. В результате исследований установлены закономерности изменения нормальной Ру и тангенциальной Рг составляющих силы резания от деформации круга Лу, скорости резания V и подачи Б, что дает возможность управлять силами в зависимости от условий производства.

Зависимости составляющих силы резания от деформации круга и скорости резания аппроксимированы уравнениями в виде полиномов второй степени, что позволяет автоматизировать процесс выбора эластичного инструмента и назначения режимов обработки при разработке технологических процессов изготовления деталей.

Знание сил резания необходимо при определении мощности привода в процес-

Библиогра

1. Димов Ю.В., Подашев Д.Б. Круги для финишной обработки деталей // Вестник ИрГТУ. 2011. № 5 (52). С. 16-20.

2. Утенков В.М., Быков П.А. Возможности использования динамометра ^Аег для испытания металлорежущих станков // Инженерный вестник: электрон-

се проектирования новых и выборе существующих устройств для финишной обработки деталей.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках реализации комплексного проекта по созданию высокотехнологичного производства (2012-218-03-120) «Автоматизация и повышение эффективности процессов изготовления и подготовки производства изделий авиатехники нового поколения на базе Научно-производственной корпорации «Иркут» с научным сопровождением Иркутского государственного технического университета» по постановлению Правительства РФ № 218 от 9 апреля 2010 г.

Статья поступила 28.04.2015 г.

кий список

ный научно-технический журнал. 2012. № 10 [Электронный ресурс]. иРЬ: http://engbul.bmstu.ru/ (05.11.2014).

3. Пустыльник Е.И. Статистические методы анализа и обработки наблюдений. М.: Наука, 1968. 238 с.