УДК 621.923

Д.т.н. Тюрин А.Н.

Западно-Казахстанский аграрно-технический университет

имени Жангирхана , г. Уральск , Республика Казахстан

ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ИНСТРУМЕНТА И ЗАГОТОВКИ ПРИ АБРАЗИВНОЙ БРУСКОВОЙ ОБРАБОТКЕ.

В статье рассмотрены вопросы баланса энергии взаимодействия инструмента и заготовки, предложены зависимости, отражающие связь энергии резания абразивным инструментом с условиями обработки.

In article are considered questions of the balance to energy of the interaction of the instrument and stocking up, is offered to dependencies, reflecting relationship to energy of the cutting by abrasive instrument with condition of the processing.

В процессе суперфиниширования осуществляется массовое воздействие абразивных зерен на обрабатываемую поверхность, в результате которого с поверхности заготовки удаляется определенный слой металла[1,2]. Этот процесс сдерживается засаливанием рабочей поверхности инструмента, так как часть энергии, затрачиваемой на суперфиниширование, расходуется на трение стружки об обрабатываемую поверхность. С другой стороны, под действием усилий резания абразивные зерна инструмента выпадают из связки, в результате чего осуществляется его износ, а рабочая поверхность инструмента очищается от стружки и шлама. Часть энергии затрачивается на пластическую деформацию металла заготовки, но эта доля невелика, так как при работе инструмента в режиме самозатачивания размерный износ самих абразивных зерен практически отсутствует и их режущие кромки сохраняются острыми.

На рис. 1 показан баланс энергии взаимодействия инструмента и заготовки при суперфинишировании. Из рисунка 1 видно, что энергия, затрачиваемая на процесс суперфиниширования, расходуется на поверхности взаимодействия инструмента и заготовки. Одна часть этой энергии идет на осуществление массового микрорезания абразивными зернами поверхности заготовки. Другая часть энергии идет на осуществление трения срезанной в процессе микрорезания стружки и шлама с обрабатываемой поверхностью. В свою очередь, энергия массового микрорезания складывается из энергии образования срезов и энергии пластической деформации абразивных зерен поверхности заготовки. Условно можно считать, что полезной энергией резания является только энергия образования микросрезов, так как только эта часть затраченной энергии приводит к удалению припуска с обрабатываемой поверхности. Это было бы так, если бы единственной задачей процесса суперфиниширования являлось удаление дефектного слоя, возникающего на предварительных операция шлифования заготовки. Но так как не менее важной задачей является резкое снижение шероховатости поверхности заготовки, то энергию трения стружки и шлама о поверхность заготовки тоже можно отнести к полезной энергии. Из практики известно, что без обеспечения существенного засаливания рабочей поверхности инструмента при суперфинишировании невозможно получить низкий уровень шероховатости обработанной поверхности.

В этом состоит одно из противоречий процесса суперфиниширования – чем меньше засаливание абразивного инструмента, и следовательно, меньше трения между поверхностями заготовки и инструмента, тем интенсивнее идет съем припуска и выше шероховатость обработанной поверхности, и наоборот, чем выше засаливание инструмента, тем меньше съем, но ниже микронеровности поверхности заготовки. На практике это противоречие разрешается тем, что на первой стадии процесса обработки обеспечиваются условия для наиболее интенсивного удаления припуска, а на второй стадии – условия для обеспечения засаливания инструмента и снижения шероховатости обработанной поверхности.

Рис. 1. Баланс энергии взаимодействия инструмента и заготовки

при суперфинишировании

Процесс массового микрорезания при суперфинишировании проводит к изменению состояния поверхности заготовки и рабочей поверхности абразивного инструмента. Энергия массового образования микросрезов – это, по сути, энергия удаления припуска с поверхности заготовки:

.

где - энергия образования микросрезов, Дж.

Но так как под действием сил резания осуществляется деформация мостиков связки инструмента, то энергия массового образования микросрезов и энергия пластической деформации поверхности заготовки равна энергии деформации абразивных зерен в связке инструмента:

,

где - энергия, затрачиваемая на пластическую деформацию абразивными зернами поверхности заготовки, Дж.

Из представленных выше равенств следует, что энергия удаления припуска с поверхности заготовки и энергия деформации абразивных зерен в связке рабочей поверхности абразивного инструмента отличаются между собой только на величину энергии, затрачиваемой на пластическую деформацию обрабатываемого материала. Следовательно, они связаны между собой зависимостью:

,

(1)

где - коэффициент пропорциональности, учитывающий пластическое оттеснение металла по краям царапин от абразивных зерен.

Это важное соотношение, так как позволяет определить основные параметры процесса суперфиниширования с учетом фактических условий его осуществления.

При моделировании процесса суперфиниширования важно найти общую энергию срезов, которую затрачивают абразивные зерна за один ход инструмента, и связать ее с основными показателями процесса – съемом металла и шероховатостью получаемой поверхности. Решим эту задачу сначала в общем виде, а затем найдем частные решения.

Определим энергию деформации абразивных зерен в связке рабочей поверхности абразивного инструмента в процессе суперфиниширования. Критическая энергия деформации абразивного зерна , при котором связка разрушается, зависит от расстояния вершины зерна от уровня связки и определяется коэффициентом разновысотности абразивных зерен . Приравнивая эту энергию энергии резания абразивного зерна, найдем критическую глубину резания.

Расчет поясняется схемой, приведенной на рис. 2.

Рис. 2. Расчет баланса энергии резания и энергии критической

деформации зерна.

Вершина абразивного зерна 1 находится на расстоянии от уровня связки абразивного инструмента 2 и врезается в обрабатываемую поверхность 3 на глубину . Абсцисса вершины зерна относительно плоскости симметрии обрабатываемой поверхности заготовки 3 равна . Расстояние от уровня связки до обрабатываемой поверхности составляет .

Приравнивая правые части равенства, определяющего критическую силу удержания зерна связкой, и равенства, определяющего силу резания единичным зерном, найдем:

.

(2)

Для получения минимального значения критической глубины резания в равенстве (2) следует использовать наименьшее значение , равное 0,081. Из равенства (2) получим:

.

(3)

Как видно из выражения (3), данная расчетная зависимость далеко не так просто определяет критическую глубину резания, как ранее предлагаемые зависимости. Она показывает, что критическая глубина резания, при которой зерна выпадают из связки, очень сложно зависит и от свойств абразивного инструмента: зернистости , прочности связки , от структуры и твердости инструмента, определяемых коэффициентом , от расстояния зерна от уровня связки , а также от параметров срезов и условий обработки, в том числе от напряжения среза , от усадки стружки и от коэффициента трения зерна по обрабатываемой поверхности .

Найдем элементарное значение критической энергия деформации зерен, находящихся в слое на элементарной площадки рабочей поверхности инструмента. Так как число зерен, находящихся над связкой инструмента на поверхности инструмента, равно , а вероятность того, что эти зерна окажутся в элементарном слое инструмента , равна , элементарная энергия деформации этих зерен в связке инструмента будет равна:

,

(4)

где - высота абразивного бруска, мм;

- число выступающих над связкой зерен на единице рабочей поверхности абразивного инструмента, ;

- плотность вероятностей распределения абразивных зерен над связкой инструмента, 1/мм;

- расстояние вершины зерна до среднего уровня связки инструмента, мм;

- элементарная ширина полоски контакта рабочей поверхности инструмента с обрабатываемой поверхностью, мм.

Интегрируя равенство (4) по переменной , определим суммарную критическую энергию деформации всех абразивных зерен, находящихся на элементарной рабочей поверхности инструмента под углом к плоскости симметрии инструмента выше уровня , на котором связка разрушается:

,

(5)

где - максимальная кинематическая глубина внедрения зерна в обрабатываемую поверхность, определяемая кинематикой процесса, мм.

Подставим в равенство (5) значение , получим:

.

(6)

Полная критическая энергия деформации всех абразивных зерен, участвующих в резании и делающих неполные срезы, за один ход инструмента определяется интегрированием вдоль оси заготовки по переменной :

.

Пренебрегая в этом равенстве вторым слагаемым в виду его малости окончательно получим:

.

(7)

Остальные зерна, участвующие в резании, будут делать полные срезы. По аналогии с выражением (6) определим часть энергии резания, которые затратят все участвующие в резании абразивные зерна за один ход инструмента:

.

(8)

где - энергия полного среза, затраченная единичным зерном, внедряющимся в обрабатываемую поверхность на максимальную глубину ,.

Подобно равенству (7) приведем под интегральное выражение данного равенства к безразмерному виду:

,

(9)

где

.

Складывая выражения (7) и (9), найдем полную энергию срезов, сделанных абразивными зернами за один ход инструмента:

.

(10)

Выводы

Исследован механизм энергетического взаимодействия инструмента и обрабатываемой поверхности в процессе суперфиниширования. Предложены зависимости, отражающие сложную и противоречивую связь энергии резания абразивным инструментом с условиями обработки. Эта связь особенно остро проявляется в условиях, когда поры рабочей поверхности абразивного инструмента заполняются стружкой, срезаемой в процессе обработки. В этих условиях многие факторы с одной стороны приводят к увеличению энергии резания, с другой стороны, к ее уменьшению и результирующее значение энергии резания зависят от совокупного действия всех факторов.

Список литературы

1. Королев А.В. Исследование процессов образования поверхностей инструмента и детали при абразивной обработке. – Саратов:, Саратовский государственный технический университет, 1975. – С192.

2. Королев А.А. Современная технология формообразующего суперфиниширования поверхностей деталей вращения сложного профиля. – Саратов: Сарат. Гос. Техн. Ун-т. 2001-156 с.