CC BY
41
ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ РЕЗАНИЕМ
УДК 621.922
Термомеханическая усталость абразивного зерна
Д. В. Ардашев
Введение
Режимно-инструментальное оснащение операций шлифования на основе учета эксплуатационных возможностей шлифовального круга [1-4] позволяет проектировать операции шлифования в узких технологических условиях, соответствующих условиям испытаний инструмента. В настоящее время стоит задача создания комплексной обобщенной модели износа абразивного инструмента, учитывающей различные его механизмы (физико-химический и усталостный) для прогнозирования эксплуатационных показателей различных шлифовальных кругов при обработке разных марок сталей и сплавов.
Ранее было рассмотрено физико-химическое взаимодействие абразивного и обрабатываемого материала, в результате чего был получен коэффициент химического сродства для номенклатуры шлифуемых сталей и сплавов, являющийся укрупненным показателем интенсивности протекания реактивной диффузии в контакте абразивного зерна с обрабатываемым материалом в процессе шлифования [5].
В настоящей статье ставится задача исследовать термомеханический усталостный износ абразивного зерна методом микрорезания.
Методика и материалы проведения исследований
Для исследований усталостной прочности абразивных зерен были выбраны следующие обрабатываемые материалы — сталь 45, 40Х, 40ХН, 38ХГН, 12ХН3А, 12Х18Н10Т. Все образцы прошли термическую обработку, соответствующую операциям шлифования. Испытания проводили на образце, предварительно нагретом до температур: 20, 200, 400, 600 °С. Выполнялось по пять повторов для каждой температуры образца.
Наиболее удобным для проведения испытаний методом микрорезания является формо-корунд (рис. 1, а), получаемый экструдиро-ванием специально подготовленной шихты с последующим спеканием при высокой тем-
пературе. По кристаллическому и химическому составу формокорунд аналогичен электрокорунду белому. Единичные зерна устанавливали в специальную оправку (рис. 1, б) с резьбовым хвостовиком. В дальнейшем зерна, установленные в оправку, затачивали на 4-координатном заточном приспособлении, позволяющем сформировать на зерне угол заострения 90° [6].
Для проведения серии испытаний абразивных зерен под действием циклического термомеханического нагружения был разработан специальный стенд микрорезания на базе плоскошлифовального станка 3Г71. На станок устанавливали специальный металлический диск, имитирующий шлифовальный круг (рис. 1, в), в периферию которого вкручивали оправку с единичным абразивным зерном. Требуемая температура образца достигалась его непосредственным нагревом ручной газовой горелкой. Температуру образца контролировали портативным пирометром ПП-1. Глубина резания принималась постоянной — 0,01 мм.
а)
б)
Рис. 1. Оснащение стенда микрорезания: а — формокорунд; б — заточенное зерно в оправке; в — стальной диск, имитирующий шлифовальный круг с оправкой
ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ РЕЗАНИЕМ
00БРАБ0Щ
Для количественного определения износа единичных абразивных зерен измеряли следующие выходные параметры процесса:
• радиальный износ зерна у за все время микрорезания, мм;
• количество циклов нагружения п за все время микрорезания, шт.;
• коэффициент термомеханической усталости, рассчитываемый по формуле ку = у / п.
То, что в настоящей работе имитируется шлифование с продольной подачей единичным зерном, позволяет минимизировать влияние физико-химического взаимодействия абразивного и обрабатываемого материала на износ зерен. Каждый последующий контакт единичного зерна с обрабатываемым материалом происходит по поверхности заготовки, а не по следу предшествующего абразивного зерна и, как следствие, по продуктам взаимодействия абразивного и обрабатываемого материалов. Это позволяет если не полностью исключить влияние иных видов износа, то хотя бы минимизировать их влияние.
Результаты испытаний
Наиболее характерные единичные зерна после контакта с различными сталями, а также сформированные ими на обрабатываемой поверхности риски показаны на рис. 2. Фотографии сделаны при помощи цифровой камеры и микроскопа МБС-9.
Обработка и анализ полученных
результатов
Результаты измерений показателей взаимодействия зерен с обрабатываемым материалом приведены в табл. 1 и на рис. 3.
Обращает на себя внимание однозначность характера зависимости коэффициента термомеханической усталости электрокорунда белого от марки шлифуемой стали и ее температуры для сталей схожего химсостава: с большим содержанием углерода и малым количеством легирующих элементов — хрома, никеля, титана (40Х, 40ХН, 38ХГН) — и малоуглеродистых, легированных хромом, никелем и титаном (12ХН3А и 12Х18Н10Т).
Характерными точками для всей гаммы исследованных материалов являются температуры 200 и 600 °С: в этих точках происходит существенное изменение коэффициента термомеханической усталости, а, следовательно, интенсивности затопления абразивных зерен белого электрокорунда.
а)
жшишним
б)
ш
г)
д)
» ф
Рис. 2. Единичные абразивные зерна и сформированные ими риски после испытаний (200 °С): а — сталь 40Х; б — сталь 40ХН; в — 38ХГН; г — 12ХН3А; д — 12Х18Н10Т
Так, для первой группы материалов с увеличением температуры шлифуемого материала характерно постепенное уменьшение степени износа абразивного зерна. Особенно это снижение заметно при увеличении температуры стали с 200 до 600 °С. При нагреве обра-
ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ РЕЗАНИЕМ
Результаты испытаний Таблица 1
Показатель Температура, °С Марка стали
45 40Х 40ХН 38ХГН 12ХН3А 12Х18Н10Т
Радиальный знос у, мм 21 0,015 0,019 0,017 0,018 0,021 0,015
200 0,016 0,016 0,018 0,015 0,016 0,015
400 0,016 0,013 0,015 0,012 0,018 0,016
600 0,015 0,011 0,014 0,010 0,019 0,019
800 0,015 0,011 0,014 0,013 0,014 0,019
Количество циклов нагружения п, шт. 21 60 65 60 90 50 60
200
400
600
800
Коэффициент термомеханической усталости, х10-3 21 0,236 0,289 0,368 0,206 0,439 0,292
200 0,272 0,249 0,349 0,196 0,349 0,249
400 0,276 0,198 0,315 0,139 0,356 0,273
600 0,258 0,173 0,268 0,111 0,402 0,317
800 0,251 0,169 0,261 0,147 0,398 0,314
Температура шлифуемой стали, °С
Рис. 3. Зависимость коэффициента термомеханической усталости абразивного зерна от марки шлифуемой стали и ее температуры
батываемого образца свыше 600 °С коэффициент термомеханической усталости для сталей 40Х и 40ХН остается примерно на том же уровне, а для стали 38ХГН — резко возрастает.
Характер изменения интенсивности износа абразивных зерен из белого электрокорунда при обработке второй группы исследуемых материалов — высоколегированных сталей — примерно одинаков: при изменении концентраций никеля и титана изменяется лишь интенсивность — примерно в 1,5 раза.
Выводы
1. Предложенная в статье методика испытания абразивных зерен на износ методом микрорезания позволяет получить сведения об их работоспособности при шлифовании различных марок сталей и сплавов при различных температурах в зоне обработки.
2. Рассчитанные в результате выполненных экспериментов коэффициенты термомеханической усталости позволят учесть усталостный механизм износа абразивных зерен при разработке комплексной модели износа шлифовального круга
Литература
1. Ardashev D. V. Two-parameter assessment of grinding wheel performance // Russian Engineering Research, Allerton Press Inc. 2010. Vol. 30. N 7. P. 705-707.
2. Ардашев Д. В. Динамическая характеристика шлифовального круга // Технология машиностроения. М.: Технология машиностроения, 2010. № 5. С. 18-20.
3. Ardashev D. V. Standardization of grinding wheels // Russian Engineering Research, Allerton Press Inc. 2011. Vol. 31. № 9. P. 910-912.
4. Ардашев Д. В. Комплексное описание эксплуатационных возможностей шлифовальных кругов // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Машиностроение. 2012. № 33. С. 113-116.
5. Ардашев Д. В. Химическое сродство абразивного и обрабатываемого материалов / / Металлообработка. 2011. № 6. С. 29-32.
6. Корчак С. Н. Производительность процесса шлифования стальных деталей М.: Машиностроение, 1974. 280 с.
