| ДонНТУ| Портал магистров ДонНТУ|

  В электронную библиотеку 

Предлагается модель рабочей поверхности АИ с учетом внутренней структуры. Приведены результаты теоретических расчетов основных геометрических параметров режущих кромок абразивных зерен: радиуса закругления вершин и угла при вершине.

Процесс шлифования АИ с физической точки зрения весьма сложный, так как во взаимодействии с обрабатываемой поверхностью заготовки участвуют большое количество режущих элементов и возникает комплекс разнообразных явлений: резание, пластическое деформирование, трение, адгезионное взаимодействие, объемное разрушение и т. д. В основу системного подхода к разработке комплексной математической модели рабочей поверхности АИ положено создание трех взаимосвязанных подсистем, включающих модель абразивного пространства, модель поверхностного слоя и модель контактного взаимодействия. Модель абразивного пространства непосредственно связана с технологией изготовления инструмента. Модель поверхностного слоя (ПС) рассматривает состояние абразивного материала в пределах одного зернового слоя. В модель контактного взаимодействия входят параметры системы, полученные в результате сближения вершин зерен с обрабатываемой поверхностью.
По сравнению с другими инструментами форма и геометрия  режущей части которых определена и известна, геометрия и форма вершин зерен АИ неопределенна. Формирование поверхностного слоя АИ в значительной степени определяется технологией изготовления , поскольку именно на этом этапе формируются структура АИ и его физико-механические свойства. В работе [1] показано, что параметры внутренней структуры АИ определяют параметры поверхностного слоя, а последние - параметры РП АИ. Представим внутреннюю структуру АИ в виде пространственной решетки, состоящей из объемного количества зерен C1, связки С2 и пор С3. Расчеты на ЭВМ показывают, что структурный угол φ изменяется только от пористости АИ и его можно выразить формулой φ=arcsin(0,584C3+0,72) , а среднее расстояние между центрами зерен: Lж=d0((С2+С1)/С1)1/3. Введем относительную геометрическую характеристику АИ KZl=Lk/d0, характеризующую технологию изготовления инструмента KZl=((1-С3)/С1))1/3 . Расчеты на ЭВМ показали, что величина KZl изменяется от 1 до 1,47, увеличиваясь с уменьшением количества зерен и пор.

Комплексной характеристикой внутренней структуры АИ является относительная опорная площадь элемента. Большой вклад в теоретические основы расчета относительной опорной площади поверхностей внесли работы [ 2,3 ], в которых приводятся формулы для определения относительной опорной площади в зависимости от относительной глубины контактного взаимодействия ε. Разработанные методики использовались в [ 4 ] при исследовании параметров рабочей поверхности абразивных брусков. Для матрицы абразивного инструмента относительная опорная площадь структурного элемента будет равна [ 5 ]

, (1)
SГ(ε) - площадь сечения зерна (или зерна со связкой) на заданном уровне, а Θ=arccos(cosφ/cosφ/2).

Анализ полученной формулы показывает, что величина tS(ε) является универсальным параметром, характеризующим структуру любых АИ: кругов, брусков,  на керамических, вулканитовых и шкурок на клеевых связках. Вместе с тем структурные параметры  рабочей поверхности АИ связаны не только с относительной опорной площадью поверхности инструмента, но и с геометрическими параметрами профиля, т.е. относительным опорным профилем в нормальном сечении tP, а также с распределением элементов по объему - относительным опорным объемом tV .

Кривые распределения абразивного материала по глубине ПС

Рисунок 1.- Кривые распределения абразивного материала по глубине ПС: а, г - АИ на керамической связке; б, д - АИ на основе шкурки; в, е - АИ на вулканитовой связке I - РП; I+II - ПС; III - матрица АИ

На рис. 1 приведены результаты моделирования рабочей поверхности различных АИ. Из приведенных данных видно, что параметры относительной опорной площади нового АИ изменяются по мере увеличения глубины поверхностного слоя. При этом следует отметить важную роль связки  и пор в формировании РП АИ. Для инструментов на керамических и бакелитовых связках характерно равномерное распределение связки по объему, для вулканитовых - полное заполнение межзернового пространства связкой и отсутствие пор, а для шкурок - выступание зерен над уровнем связки. В процессе работы абразивные зерна и связка изнашиваются, поэтому параметр tS увеличивается , а для инструментов на вулканитовых связках в рабочем слое появляется поровое пространство.
Аналогичные результаты получены при исследовании параметров tP и tV. Теоретические исследования и расчеты на ЭВМ показали, что до глубины исследования ε=0,1 кривые tP, tS, tV могут быть аппроксимированы степенными зависимостями вида γ=bεv, с параметрами bS, bV, νV. . Параметры bP, νPмогут быть выражены через параметры bS, νS только после процедуры статистического осреднения.
Пусть ПС АИ образован разноориентированными на РП структурными элементами, т.е. положение проекций диагоналей грани структурного элемента отличается от выбранного направления осей координат в номинальной плоскости АИ на угол αZ. Предположим, что условия формирования РП в процессе изготовления способствуют различной ориентации структурного элемента, при этом положение одной из его граней может приближаться к  положению номинальной плоскости, а угол этими плоскостями равен αc. В этом случае общие уравнения для определения относительного опорного профиля и относительной опорной площади зерен, расположенных на РП АИ, при постоянном αc будут иметь вид:

(2)

Данные уравнения определяют характеристики РП таких инструментов, как шкурка и абразивные инструменты на вулканитовых связках.
Учитывая, что после изготовления АИ керамическая и бакелитовая связка равномерным слоем покрывает зерна, получим следующую систему, которая связывает параметры b и для зерен с параметрами b’ и ν‘ для зерен со связкой:

(3)

Исследования показали, что относительный опорный профиль РП зависит от направления секущей плоскости. Расчеты показали, что параметр νP изменяется от 0,301 до 1,497, а параметр bP от 0,731 до 4,321, поэтому параметр tP нельзя рассматривать в качестве обобщенной характеристики АИ.
Исследования кривых относительной опорной площади для ПС  показали, что с уменьшением пористости и структуры tS увеличивается. Это можно объяснить более плотной упаковкой абразивных зерен в структуре АИ. Максимальное значение tS имеют АИ закрытой структуры и средней пористости. Анализ результатов расчета параметров b’P, ν‘P, b’S и ν‘S показал, что все параметры линейно зависят от объемных долей компонентов, при этом влияние содержания абразивных зерен С1 проявляется меньше, чем содержания пор С3 для всей номенклатуры АИ. Установлено, что параметр ν‘S практически не зависит от С1 и С3 в АИ и равен 0,955. С увеличением содержания зерен и пор в АИ параметры b’P и b’S уменьшаются с 60% до 15% , а параметр ν‘P увеличивается. При этом отклонение от среднего значения указанных параметров не превышает 5%. Таким образом, на относительные опорные характеристики РП  главным образом влияет параметр b.
Как показали исследования, интегральные характеристики РП АИ зависят от режимов шлифования. Установлено, что угол наклона опорной плоскости αС  связан с кинематикой процесса шлифования следующей зависимостью: αC0=α0+βnm, где αС0 - статическое значение угла; βnm=arct(Snm/(Vк+Vб))- кинематический угол, зависящий от продольной подачи sПР; VK и VД - соответственно скорость круга и детали ( знак “+” - встречное шлифование, знак “-” - попутное ).

Влияние относительной глубины внедрения зерна и угла αк на угол при вершине
(а)

Влияние относительной глубины внедрения зерна и угла αк на радиус закругления режущих кромок
(б)

Рисунок 2. - Влияние относительной глубины внедрения зерна и угла α кна угол при вершине (а) и радиус закругления режущих кромок (б) , где ε(π) =π/d0(bs=1,v0=1)

Влияние параметров vs и bs РП АИ на угол при вершине
(а)

Влияние параметров vs и bs РП АИ на радиус закругления режущих кромок
(б)

Рисунок 3. - Влияние параметров vS и bS РП АИ на угол при вершине(а) и радиус закругления режущих кромок(б) (относительная глубина внедрения ε=0,05, угол наклона опорной плоскости αc =00)

Расчеты на ЭВМ показали, что на параметры b'P, b'S, v'P и v'S большое влияние оказывает величина <αСк в диапазоне углов от 0° до 5°, что соответствует наиболее распространенным значениям продольной подачи при шлифовании ( sПР < 3-5 м/мин ). Обработка теоретических данных позволила получить степенные зависимости для параметров функциональных кривых в виде:

(4)

При  шлифовании очень важно знать геометрические параметры вершин зерен, т. к. именно они будут оказывать существенное влияние на условия контактного взаимодействия режущих кромок с обрабатываемой поверхностью. Такими параметрами принято считать радиус закругления вершин γ и передний угол на режущей кромке. На основе разработанной модели РП АИ получены следующие формулы:

(5)

(6)

На рис. 2 и 3 показано влияние условий контактного взаимодействия зерен с обрабатываемой поверхностью на параметры РП АИ.
Исследования показали, что большое влияние на параметры режущих вершин зерен оказывают кинематика параметры процесса шлифования. С увеличением Sпр, Vк ,и Vд, передний угол и радиус закругления вершины зерна уменьшаются. Это благоприятно сказывается на процесс образования стружки и производительности обработки. В то же время повышение глубины внедрения зерен в обрабатываемую поверхность с одной стороны активизирует  процесс образования стружки, так как передний угол при вершине снижается, а с другой - увеличивается радиус вершины , что повышает трение и  пластическое оттеснение материала.  Установлено, что параметры относительной опорной площади оказывают существенное влияние на  передний угол и радиус при вершине режущей кромки. С увеличением bS и уменьшением bS величины γ и ρ снижаются. Ранее проведенные исследования показали, что  параметры рабочей поверхности АИ зависят от технологии  его изготовления  и характеристик: твердости, пористости и структуры. В то же время технологические возможности  процесса изготовления АИ ограничены, поэтому в ряде случаев нельзя создать инструменты с требуемой рабочей поверхностью. Для увеличения диапазона регулирования параметров vS и bS необходимо применять правку его рабочей поверхности алмазными и абразивными инструментами, что значительно увеличивает технологические возможности и режущую способность АИ.
Таким образом, предложенная модель позволила определить интегральные характеристики РП АИ в статическом состоянии и в процессе обработки в зависимости от его характеристик и технологии изготовления. Впервые предложены расчетные зависимости по определению основных параметров режущих кромок абразивных зерен γ и ρ,которые определяют, в широком смысле, работоспособность  абразивных инструментов на керамических и вулканитовых связках  в  процессе шлифования.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

  1. Носов Н.В.,  Кравченко Б.А.,  Юхвид В.И., Китайкин В.Л. Абразивные СВС-материалы и инструменты. Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 1997. 367 с.
  2. Крагельский И.В., Добычин М.Н., Комбалов В.С. Основы расчета на трение и износ. М.: Машиностроение, 1977. 526 с.
  3. Демкин Н.Б. Контактирование шероховатых поверхностей. М.: Наука, 1970. 227 с.
  4. Попов С.А, Малевский Н.П., Терещенко Л.М. Алмазно-абразивная обработка металлов и твердых сплавов. М.: Машиностроение, 1977.  263 c.

http://www.samgtu.ru/research/sstu_works/herald_techsc/10/21.doc

  В электронную библиотеку 

| Главная страница ДонНТУ| Страница магистров ДонНТУ|