Вкачестве индивидуального задания выполнен перевод фрагментов статьи On the mechanics of the grinding process.pdf (230k) на русский язык. Перевод включает: автореферат статьи и обзор литературы.

Abstract

      Grinding of metals is a complex material removal operation involving cutting, ploughing, and rubbing depending on the extent of interaction between the abrasive grains and the workmaterial under the conditions of grinding. It is also a stochastic process in that a large number of abrasive grains of unknown geometry, whose geometry varies with time, participate in the process and remove material from the workpiece. Also, the number of grains passing through the grinding zone per unit time is extremely large. To address such a complex problem, it is necessary to analyze the mechanics of the grinding process using probability statistics, which is the subject of this investigation. Such an analysis is applicable to both form and finish grinding (FFG), such as surface grinding and stock removal grinding (SRG), such as cut-off operation. In this investigation, various parameters of the process including the number of abrasive grains in actual contact, the number of actual cutting grains per unit area for a given depth of wheel indentation, the minimum diameter of the contacting and cutting grains, and the volume of the chip removed per unit time were determined analytically and compared with the experimental results reported in the literature. Such an analysis enables the use of actual number of contacting and cutting grains in the grinding wheel for thermal and wheel wear analyses. It can also enable comparison of analytical work with the experimental results and contribute towards a better understanding of the grinding process. The analysis is applied to some typical cases of fine grinding and cut-off operations reported in the literature. It is found that out of a large number of grains on the surface of the wheel passing over the workpiece per second (~million or more per second), only a very small fraction of the grains merely rub or plough into the workmaterial (3.8% for FFG and 18% for SRG) and even a smaller fraction (0.14% for FFG and 1.8% for SRG) of that participate in actual cutting, thus validating Hahn’s rubbing grain hypothesis.

Brief review of literature on FFG and SRG

      The mechanics of the grinding process (both FFG and SRG) was investigated extensively by many researchers. Pioneering work on this topic commenced in the early 1950s at MIT by Prof. Milton Shaw and his associates. For example, Marshall and Shaw [3] investigated the variation of grinding forces in dry surface grinding under different grinding conditions. Backer et al. [4] investigated the so-called size effect in metal cutting. They determined the number of contacting grains per unit area for the first time using a carbon-black (soot) replica technique on a glass slide. They offered an explanation for the increase in the specific energy with decreasing chip thickness on the basis of size effect (decrease in the number of defects with decrease in the volume considered). It is now widely accepted that there are other explanations for this difference, including the fact that most abrasive grains present on average a large negative rake angle and there is considerable rubbing between the abrasive grains and the workpiece due to attritious wear of the abrasive grains. Outwater and Shaw [5] investigated the surface temperatures generated in fine grinding and reported temperatures as high as 1163 °C (2125 °F) based on both experimental and analytical work. Reichenbach et al. [6] investigated the role of chip thickness in grinding, while Mayer and Shaw [7] investigated the temperature in grinding experimentally. This work initiated a flurry of research activities in grinding since then. Subsequently, Baker and Merchant [8] investigated the basic mechanics of grinding. Most researchers considered the grinding process akin to milling process but on a microscale. They considered the cutting and thrust forces to be solely due to cutting and neglected the frictional rubbing forces on the clearance face of the grains. To account for the apparent anomalies between conventional machining and grinding, Hahn [9–11] introduced the rubbing grain hypothesis wherein rubbing forces on the clearance face of the abrasive grain play a major role compared to the forces due to cutting. Part of the justification for this is based on the ratio of tangential to normal forces in grinding. In grinding, this is typically in the range of 0.3–0.5, which is characteristic of a sliding friction process. Subsequently, Komanduri [12] reported an experimental investigation to simulate grinding using high negative rake angles in conventional cutting and showed the similarities between grinding and machining with high negative rake tools. In fact, the large negative rake angles presented by the abrasive grains in grinding can produce this ratio. So, it is not actually necessary to replace cutting altogether with rubbing. However, such an analysis is far simpler to analyze than the combination of cutting and rubbing as the number of cutting grains are only a small fraction of the contacting or rubbing grains. In this investigation, Hahn’s [9–11] approach is used in the analysis of the grinding process. It will be shown that based on statistical analysis of the abrasive grains on the grinding wheel surface in both FFG and SRG, not all grains participate in the cutting action; instead a majority of the grains merely rub due to insufficient depth of cut imposed on these individual grains and even smaller number of grains participate in the actual cutting process. Other major contributors on the mechanics of fine grinding include Malkin [13], Rowe and Wetton [14], Opitz et al. [15], Snoeys et al. [16], Nakayama [17], Rowe et al. [18], Lavine [19], Guo and Malkin [20], Ju et al. [21], to name some. In 1972, an International Grinding Conference [22] was held at Carnegie-Mellon University in Pittsburgh where leaders across the world in this field participated. The proceedings of this conference is a good source of reference material in grinding, for both FFG and SRG. There are similar proceedings, such as the Annals of CIRP, which is also a good source of reference material on the mechanics of grinding. In the SRG area, especially in the cut-off operation, much of the research work was conducted in the late 1960s at Carnegie-Mellon University (CMU) under the direction of Prof. Shaw and supported by the Grinding Wheel Institute and the Abrasive Grain Association. Shaw et al. [23] investigated the mechanics of the abrasive cut-off operation in considerable detail. As part of that group, Eshghy [24,25] investigated the thermal aspects of abrasive cut-off operation. Shaw [26] also reported a method of rating cut-off wheels based not on conventional parameters, such as the grain size, grade (hardness), and structure number but on the basis of effective number of cutting points per unit area on the wheel, the void space between successive grains, the chip flexibility parameter, and the down-feed rate corresponding to a grinding ratio of unity. These studies at CMU have enabled the determination of the optimum cut-off grinding conditions, improvement of the efficiency of the operation, increase in the life of the cutoff wheel, and improvement of the surface integrity of the workpiece used. The review presented above is of necessity brief covering only the historical highlights of the process due to space constraints. For a more complete coverage of the literature, references cited in the textbooks by Shaw [1] and Malkin [13] as well as several review articles in the literature may be consulted. Since, material removal in the grinding process involves cutting, plowing, and sliding, it is necessary to determine the contributions of actual cutting versus the other processes on a statistical basis. For that, it is necessary to determine the number of abrasive grains in actual contact per unit area on the wheel, the number of actual cutting grains per unit area, minimum diameter of the contacting and cutting grains, and the average chip volume under different grinding conditions. Since the grinding process is stochastic in nature, in this investigation, the grinding operation is analyzed using the probability statistics. Parts 2 and 3 of this three-part series on the mechanics of grinding deals with the thermal aspects of fine grinding and thermal aspects of SRG, namely, the cut-off operation, respectively. Relevant references on these topics will be covered in those papers. obtaining the number of cutting points under dynamic conditions.

Автореферат

      Шлифование металлов - это комплексное материальное воздействие, которое включает: удаление припуска резанием, пластические деформации (царапание) и трение; зависит от времени взаимодействия абразивных зерен с обрабатываемым материалом, при заданных условиях шлифования. Это также стохастический процесс, в котором большое число абразивных зерен, неопределенной геометрии, что изменяется со временем, участвуют в процессе резания, удаляя материал с рабочей поверхности. Число зерен, проходящих через зону обработки, за единицу времени, чрезвычайно велико. При рассмотрении этой комплексной задачи, необходимо проанализировать механику процесса шлифования, используя методы математической статистики, которые и являются темой этих исследований. Такой анализ пригоден как для процессов финишной обработки (FFG), например чистового шлифования, так и для силового шлифования (SRG), пример отрезные операции. В этом исследовании, различные параметры процесса, включающие: количество контактирующих абразивных зерен, количество активных режущих зерен на единицу площади, минимальный диаметр контакта и диаметр режущих зерен, объем удаленной стружки за единицу времени, были определены аналитически и сравнены с экспериментальными результатами, которые приведены в литературе. Такой анализ делает возможным использование количества контактирующих и режущих абразивных зерен шлифовального круга для теплового анализа поверхности круга. Это может также позволить сравнить аналитические расчеты с экспериментальными результатами и содействовать в направлении улучшения понимания процесса шлифования. При анализе применяются некоторые типичные схемы шлифования и отрезных операций о которых сообщается в литературе. Найдено, что из большого числа зерен, проходящих за секунду через зону обработки (приблизительно миллион, или даже больше), только очень малая часть соприкасается или деформирует обрабатываемую поверхность (3.8% для FFG и 18% для SRG) и еще меньше (0.14% для FFG и 1.8% для SRG) непосредственно участвует в резании, таким образом гипотеза Hahn о трении зерна подтверждается.

Краткий обзор литературы по FFG и SRG

      Механика процесса шлифования (как FFG, так и SRG) широко рассматривалась многими исследователями. Открытая работа по этой теме началась в начале 1950 годов в MIT профессором Milton Shaw и его коллегами. Например, Marshall и Shaw [3] рассматривали изменение сил резания при шлифовании поверхности без СОЖ в различных условиях шлифования. Другими исследователями [4] рассматривался так называемый эффект размера при резании металла. Они определяли число контактирующих зерен на единицу поверхности, впервые используя технологию оттиска на стеклянной поверхности. Они предложили объяснение возрастания специфической энергии с уменьшением толщины стружки, на основании эффекта размера (уменьшение числа дефектов с уменьшением рассматриваемого объема). Сейчас известно, что есть и другие объяснения этого явления, в том числе и тот факт, что больше всего абразивных зерен представлено, в среднем, большим отрицательным угол в профиле, поэтому трение между абразивными зернами и рабочей поверхностью существенно, за счет износа абразивных зерен. Outwater и Shaw [5] исследовали поверхностные температуры, при тонком шлифовании, и сообщили о возникших высоких температурах 1163 °C (2125 °F) основываясь как на экспериментальных, так и на аналитических исследованиях. Reichenbach и другие [6] исследовал роль толщины стружки в шлифовании, в то время как Mayer и Shaw [7] исследовал температуру при шлифовании экспериментально. Эта работа стала причиной заинтересованности в исследованиях шлифования с тех пор. Впоследствии, Baker и Merchant [8] исследовали основную механику шлифования. Большинство исследователей считали, что процесс шлифования является родственным фрезерованию, но только осуществляется на микроуровне. Они рассматривали резание и силы воздействия при шлифовании, исключительно как процесс резания, пренебрегая фрикционными силами, возникающими по верхней площадке зерна. Чтобы объяснить явные различия между обычной механической обработкой и шлифованием, Hahn [9-11] ввел гипотезу трения зерна, в которой действие сил трение, на режущей поверхности абразивного зерна, играют главную роль, сравнимую с ролью сил резания. Доказательством этого может служить наличие коэффициента определяющего отношение тангенциальной силы к нормальной. При шлифовании, он обычно находится в диапазоне 0.3-0.5, что характерно для процесса трения скольжения. В результате проведенных, Komanduri [12] экспериментальных исследований, в которых для имитации процесса шлифования использовался брусок с крупным профилем зубьев, было выявлено сходства между процессами шлифования и механической обработки, для брусков с крупным профилем. Фактически, крупный профиль зубьев, представленный абразивными зернами при шлифовании, может обеспечить этот коэффициент. Так что, нет необходимости использовать в модель процесса резания сил трения. Тем не менее, такой подход более прост для анализа, чем комбинация сил резания и трения, потому что число режущих зерен составляет только малую часть контактирующих и трущихся зерен. В этом исследовании, подход Hahn's [9-11] использовался при анализе процесса шлифования. Было определено, основанным на статистическом анализе абразивных зерен, на поверхности круга, методом, для схем FFG и SRG, что не всегда зерна участвуют в резании; вместо этого большинство зерен только трутся, из за недостаточной глубины внедрения, единично взятого зерна и еще меньшая их часть фактически участвует в резании. Другие основные исследователи механики тонкого шлифования включающие Malkin [13], Rowe и Wetton [14], Opitz и другие [15], Snoeys и другие [16], Nakayama [17], Rowe и другие [18], Lavine [19], Guo и Malkin [20], Ju и другие [21], вот еще несколько. В 1972, Международная Конференция [22] по Шлифованию была проведена в Университете Carnegie-Mellon в Pittsburgh, где участвовали лидеры со всего мир в этой области. Материалы этой конференции - это хороший источник справочного материала по шлифованию, как для FFG, так и SRG. Подобные материалы, как например Annals of CIRP, которые является также хорошим источником справочного материала по механике процесса шлифования. В области SRG, особенно в отрезных операциях, многие из исследовательских работ были проведены в конце, в 1960 в Университете Carnegie-Mellon под руководством профессора Shaw на базе Grinding Wheel Institute и Abrasive Grain Association. Shaw и другие [23] исследовал механику абразивных отрезных операций очень подробно. Как часть той группы, Eshghy [24,25] исследовал тепловые аспекты абразивных отрезных операций. Shaw [26] также разработал классификацию отрезных колес, основанную не на стандартных параметрах, таких как, например, размер зерна, твердость, и номер структуры, а на основании эффективного числа точек резания на единицу поверхности колеса, пустого пространства между соседними зернами, параметров гибкости стружки, и нижнего придела нормы соответствия к единице шлифования. Изучение этого в CMU позволили определить оптимальные условия для отрезных операций шлифования, улучшающих эффективность процесса, увеличивающих срок службы отрезных колес, и улучшающих качество рабочей поверхности. Обзор, представленный выше, есть только малая доля той истории развития проблемы из за ограничений по объему. Для более полного охвата литературы, в учебниках Shaw [1] и Malkin [13] процитированы ссылки нескольких обзорных статей литературы, которыми можно пользоваться как справочной литературой. Так как, материальное удаление в процессе шлифования включает резание, царапание, и трение, необходимо определить весовую долю фактического резания в других процессах на основе статистических методов. Для этого, необходимо определить число абразивных зерен в фактическом контакте на единицу поверхности колеса, число фактических острых зерен на единицу площади, минимальный диаметр площади контакта режущих зерен, и средний объем стружки при различных условиях шлифования. Так как процесс размалывания стохастический по природе, в этом исследовании, опыты проанализированы с использованием методов математической статистики. 2 и 3 часть этой трехтомной серии по механике процесса шлифования связанные с тепловыми явлениями чистового шлифования и SRG, а именно, отрезных операций. Уместные ссылки по этим темам будут там.