(1)
ИССЛЕДОВАНИЕ КИНЕТИКИ ПРОЦЕССА НАЛИПАНИЯ ЧАСТИЦ МАТЕРИАЛА ЗАГОТОВКИ НА АБРАЗИВНЫЕ ЗЕРНА
Л.В. Худобин, д.т.н., проф., А.Н. Унянин, к.т.н., доц.
Ульяновский государственный технический университет
EXPLORATION OF A KINETICS OF PROCESS OF STICKING OF PARTICLES OF
A MATERIAL OF BAR ON ABRASIVE GRAINS
L.V. Khudobin, Prof., Dr., A.N. Unyanin, Dr.
The Ulyanovsk
state technicfl university
Analytically it is established that the basic reason of
particle sticking of a bar material on abrasive grains during grinding is the
setting. It is exhibited correlation of intensity of sticking with pressure in
contact zones and local temperature.
Налипание частиц материала заготовки на абразивные зерна (а.з) шлифовального круга является следствием механических, физических и химических процессов в зоне шлифования. Единая точка зрения на природу этих взаимодействий и тип образовавшихся связей между контактирующими при шлифовании объектами пока не выработана.
Рассмотрим процессы, происходящие при налипании частиц материала заготовки на а.з, на основе современных представлений о соединении материалов в аналогичных условиях, что позволит выделить доминирующие факторы.
Образование соединения материалов условно разделяют на три стадии: сближение соединяемых материалов (образование физического контакта), активация контактных поверхностей (образование активных центров) и объемное взаимодействие [1]. В пределах активных центров устанавливаются валентные связи между поверхностными атомами контактирующих объектов. Каждая стадия образования соединения протекает за определенное время, причем схватывание возникает при выполнении условия [2, 3]:
tв ≥ tс ,
где tс – длительность процесса схватывания атомов контактирующих поверхностей, с; tв – длительность взаимодействия объектов, определяемая продолжительностью существования условий, достаточных для образования соединения, с.
В первом приближении tв можно принять равной времени контакта а.з с заготовкой. Длительность схватывания tс определяется длительностью активации tа всех атомов контактной поверхности, так как системы, достигшие потенциального энергетического барьера, "мгновенно" образуют межсистемные химические связи, т.е. можно считать, что tа = tс [2].
При соединении разнородных материалов типа металл – полупроводник (к последним относятся наиболее широко используемые при механической обработке электрокорундовые и карбидокремниевые абразивные материалы) длительность периода активации равна [1]:
(1)
где n – частота собственных колебаний атомов полупроводника, 1/с; W – энергия активации самодиффузии в полупроводнике, Дж; k – постоянная Больцмана, Дж/К; Т – температура поверхности полупроводника (локальная температура), К; a – коэффициент, Н-1∙м2; t – касательные напряжения в контакте, Па.
Чтобы воспользоваться зависимостью (1), необходимо знать касательные напряжения на участках контакта а.з с заготовкой и стружкой. Исходя из того, что процессы резания лезвийным инструментом и а.з принципиально не отличаются, по аналогии с исследованиями [4] можно принять, что максимальные касательные напряжения t на площадке контакта а.з со стружкой равны напряжениям сдвига материала заготовки τs , определяемым как:
ts = diш /1,5
где: diш – напряжения при скорости и температуре деформации шлифованием, Па [5]. Максимальные значения касательных напряжений на площадке трения а.з о заготовку:где: mo – коэффициент трения а.з о заготовку; dз – максимальные значения нормальных напряжений, действующих на площадке трения а.з о заготовку, Па [5]:
где: b – угол сдвига, град.
При температуре деформации около 600 0С, характерной для шлифования, для заготовок из сталей diш = (1200...3000) МПа, а максимальные касательные напряжения на поверхности контакта а.з со стружкой τ = (800...2000) МПа.
При угле сдвига b = 22o [5] максимальные касательные напряжения на площадке трения а.з о заготовку τ = (303...700) МПа.
При взаимодействии засаленного а.з с заготовкой имеет место
контакт однородных материалов (металлов), время схватывания поверхностей которых
равно [2]:
(2)
где b – модуль вектора Бюргерса, м; L – путь, проходимый
дислокацией до барьера, м; 
– скорость пластической деформации, 1/с; S – площадь активного центра,
м2.
С момента возникновения активных центров может наступить третья стадия, в течение которой соединение материалов образуется в результате развития объемного взаимодействия. Длительность этой стадии можно рассчитать по формуле [1]:
(3)
где: r – расстояние, на котором развивается процесс объемного взаимодействия в плоскости контакта, м; b – коэффициент; Do – множитель в уравнении диффузии, м2/с; c – радиус исходного очага взаимодействия, который возникает вокруг ядра дислокации и определяется его неустойчивостью, мм [1]; U – энергия активации релаксации напряжений, Дж.
Длительность периода активации tа , рассчитанная по зависимости (1) исходя из полученных выше касательных напряжений, для локальных температур Т = (1473...1673) К, значений W = 3,73 ЭВ и n = 1,2·1013с-1 [1], на много порядков меньше времени контакта а.з с заготовкой.
По данным [6] b = 2,5 · 10 -10; м; площадь активного
центра S составляет (2,2 · 10 -17...7,8 · 10 -14); м2;
параметр L может принимать значения (1 · 10 -6...3·10 -9) м.
Интенсивность скорости деформации , характерной для шлифования,
находится в пределах (106...107) с-1 [5]. Расчеты показали,
что tс находится в пределах (10-5...10-12) с.
Таким образом, длительность периода активации tа контактирующих при шлифовании объектов, рассчитанная по зависимостям (1) и (2), меньше времени контакта а.з с заготовкой tв.
Длительность стадии объемного взаимодействия tр для большинства рассмотренных условий не превышает tв, т.е. tр < tв. Это соотношение не выполняется лишь при высокой плотности активных центров в абразивном материале, локальных температурах шлифования, равных или превышающих температуру плавления материала заготовки, и при больших длинах контакта а.з с заготовкой.
Очевидно, диффузионные процессы не играют решающей роли в образовании соединения материала заготовки с а.з при шлифовании, и оно образуется, главным образом, за счет схватывания. Факторами, оказывающими доминирующее влияние на образование подобных соединений, являются давление и температура в зоне контакта и время контакта [1 – 3].
Для активации поверхностей достаточно давления, вызывающего пластическую деформацию материала заготовки. Установлено, что на поверхностях контакта а.з со стружкой и заготовкой существуют участки, на которых давление превышает предел текучести материала обрабатываемой заготовки при любых условиях и режимах шлифования.
Определяющим фактором в процессе образования соединения металла заготовки с а.з является температура. В монографии [3] показано, что при соединении металлов с керамическими материалами, в том числе из окиси алюминия, существует "пороговое" значение температуры, равное (0,80...0,85) от температуры плавления металла, ниже которого соединение не образуется. Выше было установлено, что взаимодействие металла заготовки с а.з при шлифовании заканчивается образованием подобного соединения. Следовательно, на пороговое значение температуры можно ориентироваться при оценке вероятности засаливания шлифовальных кругов из электрокорунда, что позволит прогнозировать их режущую способность и выбирать условия обработки, при которых вероятность засаливания будет минимальной.
Таким образом, аналитическим путем установлено, что основной причиной налипания частиц материала (металла) заготовки на а.з. в процессе шлифования является схватывание. Показана взаимосвязь интенсивности налипания с давлением в контактных зонах и локальной температурой.
ЛИТЕРАТУРА:
1. Красулин Ю.Л., Назаров Г.В. Микросварка давлением. М.:
Металлургия, 1976. 160 с.
2. Каракозов Э.С. Сварка металлов давлением. М.:
Машиностроение, 1986. 280 с.
3. Мусин Р.А., Конюшков Г.В. Соединение
металлов с керамическими материалами. М.: Машиностроение. 1991. 224 с.
4.
Развитие науки о резании металлов / Под ред. Н.Н. Зорева. М.: Машиностроение,
1967. 415 с.
5. Корчак С.Н. Производительность процесса шлифования стальных
деталей. М.: Машиностроение, 1974. 290 с.
6. Красулин Ю.Л. Взаимодействие
металлов с полупроводником в твердой фазе. М.: Наука, 1971. 120 с.
источник:
http://users.kpi.kharkov.ua/cutting/articles
e-mail: vam@nitpt.pti.simbirsk.su
<< вернуться...