Механика процесса шлифования. Стохастическая природа процесса
Zhen Bing Hou, Ranga Komanduri (Перевод Мовшук С.В.)
Международный Журнал Машинных Инструментальных средств и Производства 43 (2003) 1579-1593. (Школа механического и авиакосмического проектирования университета штата Оклахома)
1 Введение
Шлифование, в общем случае - очень сложный процесс
удаления материала, который включает в себя резание в виде царапания и трение между абразивными зернами
и обрабатываемым материалом. [1,2]. Шоу [1] классифицировал процесс шлифования на две категории, а именно:
доводочное или финишное шлифование и силовое шлифование. Главная цель финишного или тонкого шлифования –
получить требуемую конечную форму и точность, тогда как при силовом шлифовании главная цель – обеспечение
высокой производительности. Шлифовальные круги периодически правятся (очищаются),что обусловлено необходимостью поддержания остроты кромок, удаления налипания металла на зерна или засаливания шлифовального круга (когда металлические стружки занимают пространство между зернами) и чтобы поддерживать цилиндричность шлифовального круга.
Финишное шлифование и врезные операции попадают под одну категорию шлифования, хотя есть несколько различий между ними. При врезных операциях, скорость шлифовального круга - обычно в 2-5 раз выше, чем при обычном финишном шлифовании. В плоском шлифовании, заготовка при данной глубине резания двигается взад и вперед, в то время как при врезном шлифовании шлифовальный круг непрерывно врезается в заготовку при данном значении подачи. Микротолщина среза, а также длина контакта (или длина стружки), обычно на порядок больше величины при врезном шлифовании, чем при финишном. Следовательно, производительность обработки значительно более высокая при врезном шлифовании.
Также, врезное шлифование обычно проводиться без охлаждения (или на воздухе), так как вода ухудшает свойства связки и уменьшает стойкость врезного шлифовального круга, а при финишном шлифовании охладитель обязательно применяется, чтобы рассеивать образовавшееся тепло и чтобы защитить заготовку от «прижогов».
В обоих процессах шлифования, происходит
засаливание микрорельефа круга и износ абразивных зерен. Тем не менее, при врезном шлифовании
дополнительный износ происходит ввиду выпадения целых абразивных зерен из шлифовального круга
в результате термического размягчения связки и механической эрозии связки пластичной стружкой, механического удаления материала круга из-за давления развиваемого в порах круга стружкой из-за недостаточного их объема. В моделировании этих процессов, эти и другие вопросы на которые влияет исполнение шлифовального круга, должны быть тщательно учтены.
2 Краткий обзор литературы по финишному
и силовому шлифованию
Механика процесса шлифования исследована широко многими учеными.
Первым работу в этой теме предложил проф. Шоу Милтон со своими коллегами, начатой в раннем 1950-м году.
Например, Маршал и Шоу [3] исследовал изменение сил шлифования в сухом поверхностном слое, при различных условиях шлифования. Они определили количество контактов отдельных зерен в единицу времени. Они предложили объяснение увеличению удельной энергии при уменьшении толщины среза на основе размера и формы среза. Это теперь широко известно, что есть другие объяснения этой причине, включая то, что абразивные зерна имеют в общем случае большой отрицательный угол кромки и имеет место значительное трение между абразивными зернами и заготовкой из-за чрезмерного износа абразивных зерен. Аутватер и Шоу [5] исследовали поверхностные температуры, генерирующиеся при тонком шлифовании и зарегистрировали такие высокие температуры, как 1163° C (2125° F), основанные как на экспериментальных так и аналитических исследованиях. Рейхенбах [6] исследовал роль микротолщины среза при шлифовании, пока Майер и Шоу [7] исследовали температуру при шлифовании экспериментально.
С тех пор эта работа дала начало научному исследованию
процесса шлифования. Впоследствии, Бейкер и Мерхант [8] исследовали основную механику шлифования.
Большинство исследователей считали, что шлифование родственно
процессу лезвийной обработки, но только в микромасштабе. Они считали что сила резания возникает исключительно
за счет процесса
резания, и пренебрегали силами трения на передней поверхности зерен. Для того,
чтобы учесть явную аномалию между обычной обработкой и шлифованием Ханн [9-11] ввел
гипотезу о трении зерна, в которой силы трения на передней поверхности абразивного
зерна играет основную роль по сравнению с силами резания. Подтверждение этому основывается
на коэффициенте тангенциального и нормального усилия при шлифовании. При шлифовании, он находится
обычно в диапазоне 0,3-0,5, который характерен для скользящего фрикционного процесса. Впоследствии,
Командури [12] проводил экспериментальное исследование, имитирующее шлифование с использованием кромок с большими отрицательными углами, чтобы показать сходство между шлифованием и обработкой обычным инструментом с большими отрицательными углами. Фактически, большие отрицательные углы кромок, образованные абразивными зернами при шлифовании, могут достичь такого коэффициента. Тем не менее, такой анализ довольно простой, чтобы проанализировать связь сил трения и резания от количества острых зерен.
В исследовании этого явления использовался
метод Ханса [9-11]. Будет показано, что основываясь на статистическом анализе абразивных
зерен на рабочей поверхности шлифовального круга как при финишном так и при врезном шлифовании,
не все зерна участвуют в процессе резания; вместо этого большинство зерен просто трутся из-за недостаточной глубины выступания и еще меньшее количество зерен участвует в фактическом процессе резания.
Другие основные участники исследований процесса шлифования: Малкин, Ров и Веттон, Опиц, Снойс, Накаяма, Лавин и многие другие. В 1972, в Питсбурге в Университете Carnegie-Mellon, была проведена Международная Конференция по шлифованию, где принимали участие лидеры со всего мира в этой области. Протоколы этой конференции являются хорошим исходным материалом в шлифовании, как силового так и финишного.
В области силового шлифования, особенно на врезной операции, большинство научно-исследовательской работы было проведено в 1960-м году в Университете Carnegie-Mellon под руководством проф. Шоу при поддержке Институтом шлифовальных кругов и Ассоциации абразивного зерна.
Шоу исследовал механику абразивной
врезной операции очень подробно. Часть исследовательской группы исследовала термические
аспекты абразивной врезной операции. Шоу также вывел метод оценки врезных шлифовальных кругов
не основываясь на стандартных параметрах, как например, на размере зерна, его марке (твердости) и зернистости, на
на основе количества активных зерен на шлифовальном круге в единицу времени, нерабочем пространстве
между последующими зернами, параметре микроупругости и показателе врезной подачи, сведенныем в соответствующий поправочный коэффициент. Это изучается в CMU, с помощью чего определяется оптимальный диапазон условий шлифования, улучшение эффективности операции, увеличения стойкости врезного шлифовального круга и улучшение поверхностной целостности заготовки.
Удаление материала в процессе шлифования включает
вырезание, царапание и скольжение, необходимо определить вклад фактического резания в зависимости от
других процессов на статистической основе. Для этого, необходимо определить фактическое количество
абразивных зерен в единице области контакта на шлифовальном круге, фактическое количество срезов
в единице области зерен, минимальный диаметр контактного и острого зерна и средний микрообъем
при различных условиях шлифования. Поскольку процесс процесс шлифования исследуется как стохастический по
природе, операция шлифования проанализирована с использованием вероятностной статистики.
Рассмотрим определение количества режущих зерен,
которые учавствуют в процессе шлифования и играют важную роль как в механике так и в термических
аспектах шлифования. Не все абразивные зерна на поверхности шлифовального круга участвуют в процессе
шлифования. Некоторые могут резать, другие могут только тереться и большое число не может участвовать
в процессе вообще. Это зависит от шлифовальных особенностей круга (тип абразива и размер зерна,
назначение, твердость и структура круга), а также используемые режимы шлифования (скорость круга,
скорость подачи, глубина резания, силы, охлаждающая жидкость и т.п.) и жесткость и точность станка.
Бейкер [4] впервые оценивая количество явных
рабочих зерен, прокатывая шлифовальный круг под своим собственным весом на стеклянной пластине, покрытой сажей.
Бреккер и Шоу разработали динамический метод для
определения количества эффективных зерен на поверхности круга. Применялась тонкая заготовка,
установленная в специальном пьезоэлектрическом динамометре очень высокой чувствительности,
чтобы измерять мгновенные силы. Заготовка настолько тонка, что только одно зерно может быть в контакте в контакте в данный момент времени.
Перечень ссылок
1. M.C. Shaw, Principles of Abrasive Processes, Oxford University Press, Oxford, UK, 1996.
2. M.C. Shaw, Fundamentals of the grinding process, in: M.C. Shaw (Ed.), Proceedings of the International Grinding Conference, Carnegie Press, Pittsburgh, PA, 1972, pp. 220-258.