Условие стружкообразования при шлифовании Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

№ 10 2006

ТЕХНОЛОГИЯ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ

МАШИНЫ

621Л 95.2+691.9.072 УСЛОВИЕ СТРУЖКООБРАЗОВАНИЯ ПРИ ШЛИФОВАНИИ

Канд. техн. наук доц. И.П. НИКИФОРОВ

Пр едя о.жен а форл i) \i а, хара кт ер и зую и (а я н а чал о cmружкоо бр аз о ван и я при шлифовании. Определены наиболее значимые параметры, оказывающие влияние на мини-мал ъ ну 7 о т о л щ и ну среза ем о й cmруэюк 11.

The formula describing the beginning of chip forming at grinding is offered. The most significant parameters influencing minimum width of the cut off shavings are determined.

Вопрос о минимально возможной толщине az срезаемого слоя, который может быть снят единичным зерном, постоянно находится в зоне внимания исследователей, занимающихся проблемами абразивной обработки. Наиболее часто речь идёт о соотношении

, которое характеризует начало стружкообразования. При превышении этой величиной некоторого критического значения начинается снятие стружки.

Схема взаимодействия единичного зерна, имеющего радиус р закругления кромки, с обрабатываемой поверхностью изображена на рис. 1. Из рисунка ясно, что величина переднего угла у переменна и зависит от координаты а рассматриваемой точки на передней поверхности зерна. Имеет место равенство:

/

- = (l + siny/). (1)

р

При некотором значении а > а, стружка будет сниматься. Если это условие не выполняется, то будет происходить деформация без отделения металла. Следовательно, необходимо определить такое значение переднего угла у, которое является критическим при данных параметрах зерна и условиях обработки.

Составим идеализированную схему сил, действующих на передней поверхности инструмента (рис. 2). Передняя поверхность инструмента действует на срезаемый слой с нормальной силой N, По закону трения Амонтона нормальная сила создает силу трения F = \1 iN (где JIj — коэффициент трения скольжения между стружкой и инструментом (ij = tg^). Складывая силы Аги F, получим силу стружкообразования 7?, наклоненную

к поверхности резания под углом со. Разложим силу стружкообразования на две: силу PN , перпендикулярную к условной плоскости сдвига, характеризующуюся углом сдвига [3], и силу Рт, действующую в плоскости сдвига. Сила PN сжимает сдвигаемый слой, а сила Рх (сила сдвига), сдвигает его.

Для образования стружки необходимо, чтобы сила сдвига Рх была бы, во всяком случае, положительной. Для этого должно выполняться условие

№ (О

2006

Рис. 1. Схема взаимодействия с обрабатываемой поверхностью абразивного зерна, имеющего закругление кромки

R Ру

Рис. 2. Схема сил, действующих на передней поверхности инструмента

Р,+о)<|, (2)

где р, — угол сдвига (рис. 2).

Поскольку ш = у — угол трения между стружкой и инструментом, рис. 2) и cosy

tgPj ~- [1] (г| — коэффициент усадки стружки), то неравенство (2) примет вид

ц — si п у

2006

№ 10

cosy

Г]-sin Y

<tg

Учитывая, что tg

f

\

Tí

— -a 2

\

= ctga, после преобразования получим

J

tg(S-Y)

<

r|-sin у

cosy

(3)

(4)

На неравенство (4) накладывается следующее условие: (£,-y)g

Tí Tí

V"?

Оно вы-

полняется фактически для всего диапазона возможных значений передних углов и углов трения, наблюдаемых при шлифовании.

Выражение (4) преобразуется к следующему виду:

Л

— cosY + T|sinY > 1 h

и приводится к квадратному уравнению

г]2 + sin2Y-2|i2r)sinY + (ц2 -гр)> О,

корень которого, лежащий в диапазоне -1 < sin y ^ 1, находим по формуле

i ( -> I-

1 иг L о иг

sin y >

1 + Ц-

V

Г) \ Т)"

(5)

(6)

(7)

/

На рис. 3 показано значение минимального переднего угла у, при котором возможно образование стружки, в зависимости от коэффициента трения щ между стружкой и обрабатываемой поверхностью и коэффициента Г| усадки стружки. Из графиков видно, что условие начала стружкообразования в значительной степени зависит от коэффициента трения и в меньшей степени от коэффициента усадки стружки. Влияние последнего наиболее ощутимо при высоких коэффициентах трения, т.е., например, когда обработка проводится при низких скоростях резания.

С учетом (7) выражение, характеризующее начало стружкообразования, примет вид

(8)

Формулу (8) можно усовершенствовать, если учесть коэффициент трения [12 — между частицами материала в направлении максимальных касательных напряжений (коэффициент внутреннего трения). Проф. Кравченко Б.А. [2] в своих исследованиях показал, что угол внутреннего трения равен по величине углу текстуры \|/ (рис. 2). Если проекцию вектора Я выполнить не на плоскость сдвига, а на плоскость текстуры, то выражение (4) примет вид

tg(£ + \|/-y)

<

Г]-sin y cosy

(9)

№ 10

2006

Рис. 3. Зависимость минимального переднего угла от коэффициента внешнего трения и коэффициента усадки

стружки

Поскольку Гр^ + иЛ^

, то обобщенный коэффициент трения будет опре-

деляться следующим образом:

ц = (10)

1-^2

Из выражения (10) следует, что внешнее и внутреннее трение в равной степени влияет на условие начала стружкообразования. Их значения могут колебаться в широком диапазоне. Так например, коэффициент внешнего трения в условиях высокоскоростного микрорезания изменяется от 0,03-^0,15, при контакте алмазного зерна с твёрдой сталью и чугуном, до 0,4^-0,8 - при контакте электрокорунда со сплавами на основе титана, кобальта и т.п. По данным большинства исследователей увеличение скорости резания при шлифовании приводит к уменьшению коэффициента трения. Увеличение скорости микрорезания, Стали 45 электрокорундовым зерном с передним углом у = -85 с 20 до 80 м/с привело к уменьшению значения ¡я1 с 0,44 до 0,19. При скольжении алмазным наконечником по Стали 45 повышение скорости с 10 до 25 м/с уменьшило коэффициент трения с 0,15 до 0,07 [3].

Значение угла текстуры можно определить по формуле [1]:

с1ё\1/ = ^Д + л/Д2 + 4), (11)

где Д = с^|31 +- у) — относительный сдвиг при превращении срезаемого слоя в стружку.

По данным различных исследователей значение коэффициента усадки стружки ц при шлифовании колеблется в пределах от 1,1 до 1,8 [3]. Меньшие значения усадки соответствуют большей скорости резания. В формуле (8) коэффициент ^ фигурирует только во второй степени, поэтому рационально ввести обозначение т Кроме того, необходимо учесть, что если минимальный передний угол, соответствующий возможности стружкообразования, окажется больше переднего угла у, обусловленного геометрией абразивного зерна, то снятие стружки происходить не будет. При этом зерно будет только деформировать металл. Учитывая сказанное выше, можно записать следующую систему уравнений, определяющих условие стружкообразования:

№ 10

2006

—1L > 1 + ЭИ! у„

Утн,<У

(12)

гДе ялу«*, =

1 + Г

Т т

--. 1 + Г---

л

л

; г =

( \

; л — коэффициент усадки струж-

ки; (I, — коэффициент внешнего трения между стружкой и инструментом; \хг — коэффициент внутреннего трения между частицами снимаемого материала.

На рис.4 показана зависимость соотношения ау от коэффициента внешнего трения (ЬЦ при различных значениях коэффициента т] усадки стружки (без учета внутреннего трения).

Рис. 4. Зависимость соотношения у^ от коэффициента внешнего трения при различных значениях

коэффициента усадки стружки

Значения величины ау , определенные с учётом коэффициентов как внешнего, так

/Р

и внутреннего трения, вполне удовлетворительно согласуются с результатами экспериментальных исследований. Данные опытов [3] для различных условий обработки (обрабатываемый материал - Сталь 45, ШС =48^52; материал инструмента - электрокорунд 24А) и значения, рассчитанные по формулам (11) и (12), приведены в таблице.

Итак, получены выражения (12), характеризующие начало стружкообразования. Значение минимально возможной толщины стружки, которая может быть снята единичным зерном, зависит, главным образом, от: а) радиуса закругления режущей кромки б) трения скольжения — между стружкой и инструментом; б) внутреннего трения — между частицами материала в направлении максимальных касательных напряжений; в) усадки стружки (влияние усиливается по мере уменьшения скорости резания).

№ 10

2006

Таблица

Экспериментальные [3| и расчетные данные по величине

Скорость резания, м/с Y >0 Л Расчеты Соотношение

Эксперимент Расчеты

20 -47 16 0,4 1,6 10 0,18 0,36 0,36

40 -50 15 0,3 1,6 9 0,17 0,24 0,26

80 -57 13 0,2 1,5 8 0,14 0,16 0,15

120 -60 12 0,15 1,5 7 0,13 0,07 0,10

160 -66 10 0,1 1,4 6 0,10 0,03 0,05

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Б о б р о в В. Ф. Основы теории резания металлов. — М.: Машиностроение, 1975. — 344 с.

2. Кравченко Б. А. Стружка — источник информации о предыстории процесса резания // Вестник СамГТУ. — Сер. «Технические науки». — 2000. — №10. — С. 118—121.

3. Филимонов Л. Н. Высокоскоростное шлифование. —Л.: Машиностроение, Ленингр. отл-ние, 1979. — 248 с.