THE STUDY OF THE PROCESS OF STICKING PARTICLES OF THE WORKPIECE MATERIAL ON THE ABRASIVE GRAIN DURING THE GRINDING OF WORKPIECES MADE OF PLASTIC MATERIALS

Full Text

ВВЕДЕНИЕ Режущая способность шлифовального круга снижается с увеличением наработки вследствие затупления и засаливания его рабочей поверхности. При шлифовании заготовок из пластичных и адгезионно-активных материалов потеря режущей способности связана, главным образом, с засаливанием, первопричиной которого в большинстве случаев является налипание частиц материала заготовки на абразивные зерна (АЗ). Установлено, что потеря кругом режущей способности вследствие засаливания интенсифицируется с увеличением пластичности материала обрабатываемой заготовки [1 - 4]. Для разработки рекомендаций, направленных на снижение интенсивности налипания, необходимо выявить связь интенсивности этого процесса с физико-механическими свойствами АЗ. Установлено аналитически и подтверждено экспериментально [5], что налипание интенсифицируется с увеличением локальной температуры в зонах, прилегающих к зерну, а последняя зависит от теплофизических характеристик материала АЗ [6, 7]. Налипы удерживаются на поверхности зерна за счет механических и адгезионных сил, причем наиболее прочно - во впадине субмикропрофиля АЗ [4]. После выхода АЗ из контакта с заготовкой в объемах налипа и АЗ появляются напряжения, являющиеся следствием их остывания. Нижеприведенные исследования выполнены с целью оценки этих напряжений и выявления условий, влияющие на прочность соединения налипа с АЗ. АНАЛИТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ Наиболее вероятно, что разрушение (срез) образовавшегося мостика схватывания материала заготовки с АЗ произойдет на уровне вершин субмикропрофиля АЗ, поскольку допускаемые напряжения на срез материала налипа (заготовки) уменьшаются с увеличением температуры, а последняя выше в поверхностных слоях заготовки и АЗ [4]. Исходя из принятой формы микровпадины на АЗ [4] и расчетов, свидетельствующих, что глубина hк внедрения материала заготовки во впадины на поверхности АЗ может быть меньше максимальной высоты микронеровностей hв, налип во впадине представили в виде усеченного конуса (рис. 1). Рис. 1. Схема к расчету напряжений в налипе, находящемся во впадине субмикропрофиля АЗ: 1 - АЗ, 2 - налип После разрушения мостика схватывания прекращает действовать внешнее давление, вызвавшее деформацию материала налипа, а остаточные деформации в объеме последнего порождают силы, действующие со стороны налипа на поверхность впадины субмикропрофиля зерна. На рис. 1 все силы условно приложены к одной точке, расположенной на поверхности контакта налипа и АЗ. Для расчета упругой деформации налипа (в направлении силы W), находящегося во впадине субмикропрофиля АЗ при локальной температуре, возникающей в процессе шлифования, получена зависимость: , (1) где d1 и d2 - диаметры усеченного конуса, в виде которого представлен налип во впадине, м; - наибольшие напряжения в материале налипа, до которых справедлив закон Гука, при температуре Тн (при которой произошло образование налипа на АЗ), Па; - модуль упругости материала налипа при температуре Тн, Па. Деформация налипа в процессе остывания последнего вместе с зерном до температуры Т изменится на величину, равную , (2) где Тн - локальная температура, при которой произошло адгезионное взаимодействие налипа с зерном, К; Т - температура, до которой остывают АЗ и налип, К; αн и αа.з. - коэффициенты линейного расширения материала соответственно налипа и АЗ в диапазоне температуры Т … Тн, К -1 . После остывания налипа до температуры Т напряжения на площадке контакта налипа с АЗ составят , (3) где ЕТ - модуль упругости материала налипа при температуре Т, Па; αв - угол при вершине микровпадины, град. (см. рис. 1). Если то после остывания на площадке контакта налипа с АЗ будут действовать сжимающие напряжения. Когда температурная деформация налипа в процессе остывания превысит начальную деформацию и сжатие налипа сменится растяжением, а на площадке контакта налипа с АЗ появятся напряжения σнт, способствующие отрыву налипа от этой поверхности. В этом случае вероятность отрыва налипа от поверхности АЗ будет выше. Параметр Δℓ1Т зависит от значений коэффициентов линейного расширения материалов налипа и АЗ и увеличивается с увеличением их разности. Из зависимостей (1) - (3) следует, что для получения растягивающих напряжений σнт следует использовать АЗ из материалов, коэффициенты линейного расширения которых значительно отличаются от соответствующих коэффициентов материала заготовки. Величина напряжений σнт зависит также от локальной температуры Тн, при которой произошло образование налипа. Локальные температуры в процессе царапания образца зернами рассчитывали, используя методику и программное обеспечение, приведенные в работах [4, 5]. Эта методика учитывает наличие источников тепловыделения в зоне деформирования и в зонах контакта стружки с АЗ (для АЗ, осуществляющих микрорезание) и АЗ с образцом (заготовкой), зависимости теплофизических свойств материалов объектов от температуры, относительное перемещение объектов (АЗ относительно образца и стружки относительно АЗ). Тепловые процессы моделировали на основе совместного решения дифференциальных уравнений теплопроводности с общими граничными условиями в зоне контакта объектов. Силы микрорезания и мощности источников тепловыделения рассчитывали по полученным аналитическим путем зависимостям [5, 8]. Численное моделирование локальных температур и последующие экспериментальные исследования выполняли для АЗ из нормального электрокорунда (материал № 1), циркониевых электрокорундов: материал № 2 изготовлен в Австрии (ZrO2 - 40%, Al2O3 - 60%), материал № 3 - в ОАО «УралНИИАШ» (ZrO2 - 39,6%, Al2O3 - 59,4%, С - 0,49%), материал № 4 также изготовлен в ОАО «УралНИИАШ» (ZrO2 - 42,6%, Al2O3 - 56,5%, С - 0,48%), а также из эльбора ЛКВ 50 (материал № 5). Эти материалы имеют различные теплофизические характеристики (коэффициент теплопроводности, удельную теплоемкость и плотность), а также коэффициент трения в зоне контакта с образцом. В качестве материала образцов использовали теплостойкую штамповую сталь 3Х3М3Ф, обладающую достаточно высокими пластическими свойствами и вязкостью. В процессе моделирования локальных температур варьировали максимальной глубиной внедрения АЗ в материал образца аz , принимая ее равной 3 и 6 мкм, и размером площадки затупления ℓ2 на АЗ - 20 и 100 мкм. В процессе шлифования площадка размером 20 мкм образуется на АЗ после правки круга; после нескольких десятков минут размер площадки достигает 100 мкм [8]. Максимальные значения локальных температур зафиксированы при царапании образца зернами из материала № 4, имеющего минимальное значение теплопроводности, минимальные - при царапании АЗ из эльбора (материал № 5), имеющего максимальный коэффициент теплопроводности [9, 10] и минимальный коэффициент трения по стали (табл. 1). Малые значения локальных температур получены также при царапании зернами из электрокорунда нормального, теплопроводность которого выше, чем циркониевых электрокорундов. Температура от зерен, осуществляющих микрорезание (аz = 6 мкм), в среднем на 70 - 80 % выше, чем от зерен, осуществляющих пластическое деформирование материала образца (аz = 3 мкм). Увеличение размера ℓ2 площадки затупления на зерне с 20 до 100 мкм привело к увеличению локальных температур в среднем на 75 %. По зависимостям (1) - (3) рассчитали деформацию налипа и напряжения, являющиеся следствием этой деформации, и действующие на соединение налипа из стали 3Х3М3Ф (αн = 12,2·10-6 К-1) с зернами из АЗ, имеющих различные коэффициенты линейного расширения αа.з (табл. 2). Максимальное значение коэффициента линейного расширения, наиболее близкое к коэффициенту материала налипа, имеет электрокорунд [9], поэтому выполняется условие , а на площадке контакта налипа с АЗ из электрокорунда будут действовать сжимающие напряжения (см. табл. 1). Величина этих напряжений значительно ниже, чем предел прочности материала налипа (для стали 3Х3М3Ф σв = 1500 МПа), поэтому вероятность разрушения налипа мала. Максимальную разницу с коэффициентом линейного расширения налипа имеет соответствующий коэффициент эльбора. На площадке контакта налипа с АЗ из эльбора возникают напряжения σнт, способствующие отрыву налипа от поверхности АЗ. Поэтому можно прогнозировать менее интенсивное налипание частиц материала заготовки на АЗ из эльбора в сравнении с зернами из других материалов. Коэффициенты линейного расширения циркониевых электрокорундов, как и значения напряжений для этих абразивных материалов, занимают промежуточное положение между испытанными материалами № 1 и № 5. Таким образом, интенсивность засаливания АЗ должна уменьшиться с увеличением разности коэффициентов линейного расширения материалов заготовки и АЗ. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ В процессе экспериментальных исследований на шпиндель станка устанавливали планшайбу с держателем (индентором), в котором закрепляли (запаивали) АЗ. Зерно затачивали на конус с углом = 120° алмазным кругом. Контролировали следующие параметры: площадь налипов металла образца на АЗ Fн , м2; коэффициент засаливания АЗ Кз, равный отношению площади налипа Fн к площади площадки износа на АЗ, м2; линейный износ АЗ hи, м. Площадь Fн, количество налипов и размеры площадки износа на АЗ определяли с помощью микроскопа РМЕ. Глубиной внедрения зерна в образец az варьировали в пределах 3 … 8 мкм. При az = 3 мкм АЗ осуществляет пластическое деформирование материала образца, при больших глубинах - микрорезание [11]. Максимальные значения Кз и hи получены при царапании образцов зернами из электрокорунда нормального (материал № 1), имеющего среди испытанных абразивных материалов минимальную твердость и теплоустойчивость (рис. 2, 3). Коэффициент засаливания и износ АЗ из циркониевых электрокорундов значительно меньше. Из циркониевых электрокорундов минимальные значения Кз и hи получены при микрорезании АЗ из материала № 2: в сравнении с электрокорундом нормальным Кз и hи оказались меньше на 60 и 110 % соответственно. АЗ из эльбора изнашиваются и засаливаются в меньшей степени, чем зерна из других исследованных материалов. Локальная температура на площадке контакта АЗ с образцом (заготовкой) снижается с увеличением коэффициента теплопроводности материала зерна и увеличивается с увеличением площадки затупления [5]. Эльбор имеет максимальное значение коэффициента теплопроводности среди испытанных материалов и в меньшей степени изнашивается. Это является другой причиной менее интенсивного налипания металла на АЗ из эльбора. Значения коэффициента засаливания коррелируются с напряжениями σнт в налипе. Материал АЗ № 1 (электрокорунд нормальный), для которого зафиксировано максимальное значение Кз, обеспечивает среди испытанных материалов и максимальные значения сжимающих напряжений. Материал № 5 (эльбор), на площадке контакта которого с налипом возникают напряжения σнт, способствующие отрыву налипа от этой поверхности, имеет минимальное значение Кз . Коэффициенты засаливания АЗ из циркониевых электрокорундов (материалы № 2 - 4), как и значения напряжений, занимают промежуточное положение между АЗ из эльбора и электрокорунда нормального. Между зафиксированными значениями Кз и hи существует корреляция: чем больше hи, тем больше Кз. Одной из причин увеличения Кз с увеличением износа по мере увеличения числа взаимодействий зерна с заготовкой является повышение локальных температур с увеличением площадки затупления на АЗ. В то же время с увеличением Кз интенсифицируется процесс адгезионного изнашивания зерен. Перспективным направлением повышения эффективности процесса шлифования, в том числе снижения температуры, является использование энергии ультразвуковых колебаний [12]. Установлено, что при наложении ультразвуковых колебаний температура заготовки снижается на 10 %, а локальные температуры в зоне контакта абразивного зерна с заготовкой и со стружкой - до 30 %. ВЫВОДЫ 1. Установлено, что с увеличением разности коэффициентов линейного расширения материалов заготовки и абразивного зерна увеличиваются напряжения, способствующие отрыву налипа от поверхности зерна, что позволяет прогнозировать меньшую интенсивность адгезионного взаимодействия зерна с заготовкой. 2. Экспериментальным путем установлено, что в меньшей степени изнашиваются и засаливаются зерна из эльбора, имеющего максимальное значение коэффициента теплопроводности и максимальную разность коэффициентов линейного расширения с материалом налипа. 3. Выполнено ранжирование абразивных зерен из различных материалов по критериям, характеризующим их износ и засаливание. Подтверждена выявленная аналитическим путем взаимосвязь интенсивности засаливания зерна с коэффициентами линейного расширения и теплофизическими характеристиками его материала. Таблица 1. Результаты численного моделирования локальных температур на площадке контакта АЗ с образцом и напряжений σнт в налипе Таблица 2. Коэффициенты линейного расширения абразивных материалов [9] Рис. 2. Зависимость коэффициента засаливания зерна Кз от числа взаимодействий nв АЗ с образцом: а - аz = 3 мкм; б - аz = 6 мкм; в - аz = 8 мкм; 1, 2, 3, 4, 5 - АЗ из материала № 1, 2, 3, 4, 5 соответственно Рис. 3. Зависимость износа зерна hu от числа взаимодействий nв АЗ с образцом: а - аz = 3 мкм; б - аz = 6 мкм; в - аz = 8 мкм; 1, 2, 3, 4, 5 - АЗ из материала № 1, 2, 3, 4, 5 соответственно

About the authors

Sergey Vladimirovich Pashuk

Samara State Technical University

Head of Production Department «Center for Production and Engineering» SamGTU

Alexandr Nikolaevich Unyanin

Ulyanovsk State Technical University

Email: a_un@mail.ru
Doctor of Technics, Professor of the Department «Engineering Technology»

Alexandr Vasil'evich Khazov

АО «Ulyanovsk Mechanical Plant»

Email: umz73@mail.ru
Chief Engineer

References

Supplementary files