ВЛИЯНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ОРИЕНТАЦИИ АБРАЗИВНОГО ЗЕРНА НА ЕГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ С ОБРАБАТЫВАЕМОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

DOI 10.25987^Ти.2020.16.1.018 УДК 621.9.015

ВЛИЯНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ОРИЕНТАЦИИ АБРАЗИВНОГО ЗЕРНА НА ЕГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ С ОБРАБАТЫВАЕМОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ

А.М. Козлов, А.А. Козлов Липецкий государственный технический университет, г. Липецк, Россия

Аннотация: шлифование - наиболее распространенный вид окончательной обработки ответственных поверхностей деталей. Абразивные зерна на рабочей поверхности инструмента имеют различную пространственную ориентацию относительно обрабатываемой поверхности, вследствие чего часть из них срезает материал, другая часть - только деформирует, а остальные не участвуют в работе, попадая в ранее прорезанные другими зернами канавки. Характер взаимодействия абразивных зерен с обрабатываемой поверхностью в значительной степени влияет на формирование продольной и поперечной шероховатости. До настоящего времени исследователи, определяя вид абразивных зерен, участвующих в работе, основывались, в основном, на экспериментальных исследованиях. Теоретические исследования позволяли определить только общее количество зерен, принимающих участие в работе. В статье предлагается рассматривать вид взаимодействия зерна с обрабатываемой поверхностью (режущее или деформирующее) с учетом его пространственной ориентации. Представлены математические зависимости, определяющие положение зерна в рабочем пространстве инструмента. С учетом предложенного подхода представлена методика определения режущих и деформирующих абразивных зерен на рабочей поверхности инструмента на основе компьютерного моделирования. Представлены результаты моделирования в сравнении с данными других исследователей

Ключевые слова: моделирование, режущие, деформирующие абразивные зерна

Введение

Метод окончательной обработки поверхности шлифованием - наиболее распространенная операция для ответственных поверхностей деталей. Шлифование может проводиться инструментом различной конструкции и с различной кинематикой обработки [1, 2]. Режущим элементом при шлифовании является абразивное зерно, которое, вследствие ряда особенностей изготовления абразивного инструмента, имеет произвольную форму и расположение на рабочей поверхности. В результате параметры шероховатости шлифованной поверхности имеют стохастический характер и при ее моделировании возникают значительные трудности.

Постановка задачи

Как правило, исследователи, при рассмотрении процессов формирования микрогеометрии обработанной поверхности, используют взаимодействие не всей совокупности, а единичного абразивного зерна со срезаемым слоем [3... 5].

При этом следует учитывать, что абразивные зерна на рабочей поверхности инструмента, имеют различную пространственную ориентацию относительно поверхности обрабатываемой. В результате их взаимодействие со

© Козлов А.М., Козлов А.А., 2020

срезаемым слоем будет различным - одна часть зерен будет срезать материал, другая -только деформировать, а остальные - вообще не будут контактировать с обрабатываемой поверхностью, попадая в канавки, ранее прорезанные другими зернами [6]. Следует отметить, что вопросу разделения рабочих элементов инструмента на режущие и деформирующие стали уделять внимание и при исследовании процессов лезвийной обработки [7].

Форма абразивного зерна имеет произвольный контур, поэтому различные исследователи используют различные фигуры для его аппроксимации. В данной работе принята аппроксимация абразивного зерна эллипсоидом вращения. Исследователи [6, 8], рассматривая пространственное расположение абразивных зерен, представленных эллипсоидом вращения, делают вывод, что их расположение перпендикулярно обрабатываемой поверхности маловероятно.

Методы исследования

Вследствие того, что абразивное зерно в инструменте не имеет определенного пространственного положения, то углы наклона зерна Хн (в направлении вектора скорости резания) и Хп (перпендикулярно вектору скорости резания) - рис. 1 - принимают случайные значения. Если теоретически можно предпо-

ложить, что эти углы могут иметь значения от нуля до ±90о, то экспериментальными исследованиями установлено, что диапазон изменения находится в пределах ± 45о [8].

Для описания взаимодействия абразивного зерна с обрабатываемой поверхностью необходимо определить его положение на поверхности абразивного инструмента.

Рис. 1. Принципиальная схема представления пространственной ориентации абразивного зерна: 1 - зерно, 2 - навалы, 3 - поперечная шероховатость, 4 - продольная шероховатость

При использовании уравнения эллипса профиль абразивного зерна без учета его наклона в радиальных координатах относительно центра шлифовального круга можно представить в следующем виде:

Я(р) =

а2 • Ь2

2 2 + а • tg р.

где а, Ь - полуоси эллипсоида вращения,

р и Я - угол радиус-вектора и радиус-вектор положения зерна в радиальных координатах.

Учитывая угол хф наклона главной оси эллипсоида, получим

Я(<) =

/шз(р + Хи ).

Х08 <

а2 • Ь2 1Ь2 + а2 • tg2(р + Хи)/ Положение единичного зерна в плоскости вектора главного движения

V

у (0 = 5 • Я • С0в( - • о + Я (р) + А к, Я

где 5 - коэффициент:

при шлифовании периферией круга s = 1; при шлифовании торцом s = 0; Я - радиус абразивного круга; V - линейная скорость инструмента, t - момент времени, для которого определяется положение зерна, Ак - составляющая, учитывающая расположение абразивных зерен в рабочем слое шлифовального круга. При контактном взаимодействии абразивного зерна с обрабатываемым материалом, когда часть его срезается, на поверхности образуется канавка с поперечным сечением Sреж.

При построении профиля поперечной шероховатости учитывались экспериментальные данные исследователей [9 - 12], согласно которым часть обрабатываемого материала переходит в так называемые «навалы» (рис. 2), образующиеся с обеих сторон канавки и имеющие площадь Sдеф.

Рис. 2. Схема взаимодействия абразивного зерна с обрабатываемой поверхностью

145

Таким образом, площадь фронтальной проекции абразивного зерна разделяется на две - зону с режущим характером работы и зону с деформирующим. Усадкой стружки условно пренебрегаем. Навалы формируются в виде полусфер с радиусом

г = I Е

сфер 2 V ж

Если большую часть поперечного сечения абразивного зерна занимает срезаемое сечение Sреж, зерно считается режущим, если преобладает площадь навалов Sдеф - деформирующим. Параметры навалов можно характеризовать коэффициентом вн, который показывает отношение площади навалов металла к площади, прорезанной единичным зерном канавки в ее поперечном сечении.

В работе [13] предложено определять коэффициент навалов в зависимости от скорости резания и физико-механических свойств обрабатываемого материала

£н £но СН УК,

где ено - коэффициент, характеризующий физико-механические свойства обрабатываемого материала без учета скоростного фактора (низкие температуры),

сн - коэффициент сн = 0,0025, Ук - скорость резания.

_ К'г'гпях-НУх

,

где НУтах - максимально достижимая твердость НУтах = 1220 (по Викерсу),

НУм - твердость обрабатываемого материала.

Результаты моделирования влияния пространственной ориентации абразивного зерна на коэффициент навалов представлен на рис. 3.

Как следует из рисунка, коэффициент навалов пропорционален величине усадки стружки - чем более пластичен материал, тем большая его часть перейдет в навалы.

Для определения количества режущих и деформирующих зерен на рабочей поверхности абразивного инструмента были получены следующие зависимости, используемые для компьютерного моделирования.

N = —

реж 2

2

X 1[кз]>0)

кз=1

1,

N

X 1((Эр [кз ]+Зд [кз ])> 0)

кз=1

2

X 1([кз]>0 при Эр =0) кз=1

деф 2

X 1

((Эр [кз]+Эд [кз])>0)

кз=1

Результаты

Результаты моделирования представлены в таблице в сравнении с данными, полученными другими исследователями [14.16].

Следует заметить, что теоретические подходы, использованные другими исследователями при определении количества рабочих зерен, дают только их общее количество без разделения на режущие и деформирующие.

Вывод

В предложенной модели процесса резания единичным абразивным зерном предлагается учитывать образование навалов вдоль канавки от предыдущей обработки и в зависимости от положения зерна в пространстве рабочего слоя инструмента определять характер его взаимодействия с обрабатываемой поверхностью -режущее или деформирующее. Это позволяет более точно моделировать параметры шероховатости шлифованной поверхности при чистовой обработке ответственных деталей.

Рис. 3. Влияние пространственной ориентации абразивного зерна на коэффициент навалов

Результаты моделирования

Зернистость Количество рабочих зерен, 1/мм

Источник

[i] [i3] [i4] авторы

режущие деформирующие

i6 i,70 i,449 i,223 0,88i i,23

25 i,35 0,836 0,863 0,420 i,00

40 0,36 0,464 0,429 0,225 0,33i

Литература

1. Kozlov A.M., Kozlov A.A. Shaping the surface topology of cylindrical components by means of an abrasive tool // Russian Engineering Research. 2009. Т. 29. № 7. Рр. 743-746.

2. Kozlov A.M., Kozlov A.A., Vasilenko Y.V. Modeling a Cylindrical Surface Machined by a Non-Circular Face Tool // Procedia Engineering 150 ( 2016 ). Рр. 1081 - 1088. doi: 10.1016/j.proeng.2016.07.218

3. Шипулин Л.В. Совершенствование методики проектирования операций плоского шлифования периферией круга на основе комплексного моделирования процесса // Современные проблемы науки и образования. 2013. № 2. URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=9014 (дата обращения: 04.02.2019)

4. Яшков В.А. Моделирование взаимодействия режущих абразивных зерен с поверхностью детали // Современные наукоемкие технологии. 2018. № 12-2. С. 403-407. URL: http://top-technologies.ru/ru/article/view?id=37356. (дата обращения: 26.11.2019)

5. Козлов А.М., Ефремов В.В. Формирование микрорельефа при обработке абразивным инструментом // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2004. № 1. С. 59-64.

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

7. Амбросимов С.К. Методы деформирующе-режущего протягивания и инструменты с упругими деформирующими элементами // Вестник Липецкого государственного технического университета. 2019. № 1 (35). С. 56-61.

8. Лавриненко В.И. Пространственное расположение зерен СТМ в абразивосодержащем слое круга // Сверхтвердые материалы. 1997. № 5. С. 72-78.

9. Богданов А.Ю., Богданов В.В. Обобщенный вероятностный подход к кинематике процесса шлифования // Fundamental and applied technological problems of machine building - Technology-2000. Transactions collection of International Scientific-technical Conference in Oryol, September 28-30, 2000 / Under general editorship of Prof., Doc. Tech. Sc. V.A. Golenkov. Oryol: OryolSTU, 2000. Р. 115117.

10. Корчак С.Н. Производительность процесса шлифования стальных деталей. М.: Машиностроение, 1974. 280 с.

11. Микрорельеф поверхности при отделочно-упрочняющей центробежной обработке деталей / А.Н. Мартынов, В.З. Зверовщиков, Ю.И. Просвирнин, С.А. Нестеров // Точность технологических и транспортных систем (ТТ и ТС - 98): сб. материалов междунар. науч.-техн. конф. Пенза, 1998. С. 58-61.

12. Оробинский В.М. Абразивные методы обработки и их оптимизация. М.: Машиностроение, 2000. 314 с.

13. Носов Н.В. Расчет надежности и качества технологических процессов. Самара: Самарск. политехн. инт, 1992. 127 с.

14. Филимонов Л.Н. Высокоскоростное шлифование. Л.: Машиностроение, 1979. 248 с.

15. Бищутин С.Г. Прогнозирование состояния поверхностного слоя шлифованных деталей // Справочник. Инженерный журнал. 2002. № 8. С. 59-61.

16. Редько С.Г., Королев А.В. Формирование профиля шлифованной поверхности// Известия Вузов. Машиностроение. 1970. № 7. С. 159-163.

Поступила 02.i2.20i9; принята к публикации i2.02.2020

Информация об авторах

Козлов Александр Михайлович - д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой технологии машиностроения, Липецкий государственный технический университет (398055, г. Липецк, ул. Московская, 30), e-mail: kam-48@yandex.ru, тел. 8-905-044-90-10, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-7650-0616

Козлов Андрей Александрович - канд. техн. наук, доцент кафедры технологии машиностроения, Липецкий государственный технический университет (398055, г. Липецк, ул. Московская, 30), e-mail: soy4astnik@mail.ru, тел.+7-904-218-85-44, ORCID: https://orcid. org/0000-0003-1841-7106

INFLUENCE OF SPATIAL ORIENTATION OF ABRASIVE GRAIN ON ITS INTERACTION WITH THE TREATED SURFACE

A.M. Kozlov, A.A. Kozlov

Lipetsk State Technical University, Lipetsk, Russia

i47

Abstract: grinding is the most common type of final treatment of critical part surfaces. Abrasive grains on the working surface of the tool have a different spatial orientation relative to the treated surface, whereby some of them cut the material, the others - only deforms, and the rest do not participate in the work, getting into the grooves previously cut by other grains. The nature of the interaction of abrasive grains with the treated surface largely affects the formation of longitudinal and transverse roughness. Until now, researchers, determining the type of abrasive grains involved in the work, based mainly on experimental studies. Theoretical studies allowed one to determine only the total number of grains involved in the work. The article proposes to consider the type of interaction of grain with the treated surface (cutting or deforming), taking into account its spatial orientation. Mathematical dependences determining the position of the grain in the working space of the tool are presented. Taking into account the proposed approach, the method of determining the cutting and deforming abrasive grains on the working surface of the tool on the basis of computer modeling is presented. The results of modeling in comparison with the data of other studies are presented

Key words: modeling, cutting, deforming abrasive grains

References

1. Kozlov A.M., Kozlov A.A. "Shaping the surface topology of cy-cylindrical components by means of an abrasive tool", Russian Engineering Research, 2009, vol. 29, no. 7, pp. 743-746.

2. Kozlov A.M., Kozlov A.A., Vasilenko Y.V. "Modeling a cylindrical surface machined by a non-circular face Tool", Procedia Engineering, 2016, vol. 150, pp. 1081-1088

3. Shipulin L.V. "Perfection of a technique of designing of operations of flat grinding of a circle periphery on the basis of complex modeling of process", Modern Problems of Science and Education (Sovremenne problemy nauki i obrazovaniya), 2013, no. 2, available at: http://science-education.ru/ru/article/view?id=9014 (accessed on 04.02.2019)

4. Yashkov V.A. "Modeling of interaction of cutting abrasive grains with the surface of the part", Modern Science-Intensive Technologies (Sovremennye naukoyemkie tekhnologii), 2018, no. 12-2, pp. 403-407, available at: http://top-technologies.ru/ru/article/view?id=37356 (accessed on 26.11.2019)

5. Kozlov A.M., Efremov V.V. "Formation of microrelief at processing by the abrasive tool", Proc. of Higher Educational Institutions. Mechanical Engineering (Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Mashinostroenie), 2004, no. 1, pp. 59-64.

6. Maslov E.N. "Theory of grinding materials" ("Teoriya shlifovaniya materialov"), Moscow, Mashinostroenie, 1974, 320 p.

7. Ambrosimov S.K. "Methods of deforming-cutting stretching and tools with elastic de-forming elements", Vestnik of Lipetsk State Technical University (Vestnik Lipetskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta), 2019, no. 1 (35), pp. 56-61

8. Lavrinenko V.I. "Spatial arrangement of STM grains in the abrasive-containing layer of the circle", Superhard Materials (Sverkhtverdye materialy), 1997, no. 5, pp. 72-78

9. Bogdanov A.Yu. "Generalized probabilistic approach to the kinematics of the grinding process", Fundamental and Applied Technological Problems of Machine Building - Technology-2000. Transactions collection of International Scientific-technical Conference in Oryol, September 28-30, 2000, OryolSTU, pp. 115-117

10. Korchak S.N. "Productivity of the grinding process of steel parts" ("Proizvoditel'nost' protsessa shlifovaniya stal'nykh de-taley"), Moscow, Mashinostroenie, 1974, 280 p.

11. Martynov A.N., Zverovshchikov V.Z., Prosvirnin Yu.I., Nesterov S.A. "Mikrorelief of a surface at finishing-strengthening centrifugal processing of details", Accuracy of Technological and Transport Systems (TT and TS-98). A collection of abstracts of the Intern. science.-technical.Conf (Tochnost' tekhnologicheskikh i transportnykh sistem (TT i TS - 98): sb. materialov mezhdunar. nauch.-tekhn. konf.), Penza, 1998, pp. 58-61

12. Orobinsky V.M. "Abrasive processing methods and their optimization" ("Abrazivnye metody obrabotki i ikh optimizatsi-ya"), Moscow, Mashinostroenie, 2000, 314 p.

13. Nosov N.V. "Calculation of reliability and quality of technological processes" ("Raschet nadezhnosti i kachestva tekh-nologicheskikh protsessov"), Samara, SPI, 1992, 127 p.

14. Filimonov L.N. "High-speed grinding" ("Vysokoskorostnoe shlifovanie"), Leningrad, Mashinostroenie, 1979, 248 p.

15. Biotin S. G. "Prediction of the state of superficial layer of polished parts", Directory. Engineering journal (Spravochnik. In-zhenernyy zhurnal), 2002, no. 8, pp. 59-61

16. Redko S.G., Korolev A.V. "Formation of the profile of the grinding surface", News of universities. Mechanical Engineering (Izvestia VUZov. Mashinostroenie), 1970, no. 7, pp. 159-163.

Submitted 02.12.2019; revised 12.02.2020

Information about the authors

Aleksandr M. Kozlov, Dr. Sc. (Technical), Professor, Lipetsk State Technical University (30 Moskovskaya str., Lipetsk 398055, Russia), e-mail: kam-48@yandex.ru, tel. +7-905-044-90-10

Andrey A. Kozlov, Cand. Sc. (Technical), Associate Professor, Lipetsk State Technical University (30 Moskovskaya str., Lipetsk 398055, Russia), e-mail: soy4astnik@mail.ru, tel. +7-904-218-85-44