PFI (Анализ процесса формообразования и расчет параметров режимов резания), страница 2

С уменьшением угла резания, увеличением толщины среза и при больших скоростях резания уменьшаются деформация срезаемого слоя и усадка стружки. Смазочно-охлаждающая жидкости (СОЖ), снижающие величину коэффициента трения, уменьшают коэффициент усадки стружки, причем эффект от влияния жидкости тем сильнее, чем меньше толщина срезаемого слоя и скорость резания.

В заданном случае усадка будет иметь среднее значение, так как обработка происходит на больших скоростях с очень малыми толщинами срезаемого слоя.

Снизить усадку можно применением СОЖ.

1.6 Условия образования нароста.

При резании металлов контактный слой стружки притормаживает передней поверхностью, и образуется заторможенный слой. В определенных условиях силы трения и адгезии становятся больше силы внутреннего сцепления контактного слоя с основной массой стружки, произойдет остановка контактного слоя, и следующий слой стружки будет двигаться по нему. Из-за химического сродства происходит еще большее торможение, в результате чего образуется нарост.

Нарост обладает особыми свойствами. Он имеет неоднородную структуру, существенно отличающуюся от структуры обрабатываемого материала и материала режущего инструмента. Тонкие слои нароста состоят из сильно деформированных, раздробленных зерен металла с плохо выраженной текстурой. Нарост может иметь разную форму и размеры. На рисунке 1.5 изображена геометрия нароста:

Рисунок 1.6. Геометрия нароста.

Положительные стороны нароста:

1. обеспечивается процесс резания из-за увеличения угла γ;

2. нарост защищает переднюю и заднюю поверхности от износа.

Отрицательные стороны:

1. колебания геометрии и силы резания из-за нестабильной вершины, что не благоприятно влияет на шероховатость;

2. вершина срывается и попадает на обработанную поверхность, снижает ее точность и качество.

Таким образом, нарост является положительным фактором при черновой обработке и отрицательной при чистовой.

Для ликвидации нароста следует снижать шероховатость поверхности инструмента, применять соответствующие условиям обработки смазочно-охлаждающие жидкости и подбирать оптимальные режимы резания.

В данном процессе шлифования нарост не образуется.

1.7 Составляющие силы резания.

Силы резания при шлифовании являются результатом взаимодействия рабочей поверхности шлифовального инструмента с обрабатываемой деталью. В результате такого взаимодействия режущие элементы шлифующих зерен снимают мельчайшие стружки и поэтому силы, развиваемые отдельными зернами, являются незначительными по своей величине. Однако вследствие массового микрорезания большим количеством одновременно работающих зерен суммарные силы резания могут достигать значительных величин.

При шлифовании различают силы резания: шлифовальным кругом (суммарную) (рис. 1.8) и одним шлифующим зубом (рис. 1.7).

Схема микрорезания при поступательном перемещении царапающего элемента, имеющего округленную вершину радиуса ρ, на который действует внешняя сила Р:

Рисунок 1.7. Система сил при микрорезании.

Разлагая силу Р на составляющие P_z и P_y, устанавливаем, что сила P_z срезает стружку, а сила P_y прижимает царапающий элемент к обрабатываемой поверхности. На переднюю поверхность царапающего элемента действуют элементарные нормальные силы (N₁, N₂, …,N_n) и элементарные реактивные силы трения (T₁, T₂,…,T_n).

Рисунок 1.8. Сила резания Р при шлифовании.

Суммарная сила резания Р шлифовальным кругом считается составленной из сил: нормальной или радиальной P_y, тангенциальной P_z и подачи P_x (рис. 1.8).

Результаты, полученные при исследовании динамики шлифования, используются для расчетов, связанных с определением точности обработки, мощности станков, необходимой жесткости технологической системы СПИД, для аналитического определения интенсивности теплообразования в зоне шлифования и температурного поля в шлифуемой детали и других технологических решений.

Исследования позволили установить закономерность изменения силы резания в процессе шлифования. Такая закономерность, для силы Р при работе крега с затуплением, может характеризоваться кривой АБВГ (рис. 1.9).

Рисунок 1.9. Изменение величины силы резания в процессе шлифования.

1 – с затуплением круга; 2 – с самозатачиванием круга.

Как видно из рисунка силы резания заметно меньше у шлифовальных кругов с самозатачиванием.

При врезании с постоянной или ускоренной подачей происходит достаточно интенсивное возрастание силы и мощи резания (участок АБ). Интенсивность увеличения силы резания на этом этапе зависит в основном от режима шлифования и жесткости технологической системы СПИД. Такой рост сил по мере продолжительности шлифования первоначально объяснили только изменением состояния рабочей поверхности круга, в основном износом шлифующих зерен и увеличением сил трения связки круга вследствие выкрашивания невыгодно ориентированных и слабо удерживаемых на поверхности зерен. Более поздние исследования показали, что этот этап характеризуется неустановившимся режимом съема металла, когда фактическая глубина резания непрерывно возрастает по мере увеличения натяга в системе СПИД. При установившемся съеме металла, когда подача на глубину практически постоянна, величина силы резания стабилизируется (участок БВ), а влияние других факторов незначительно.

При наличии на детали исходных неточностей формы обусловленных предыдущими операциями, величина сил резания периодически убывает или возрастает в соответствии с изменением фактической глубины резания. При затуплении шлифующих зерен и засаливания рабочей поверхности круга силы резания резко возрастают (участок ВГ).

1.8 Температура резания.

При обработке металлов резанием в технологической системе выделяется большое количество теплоты. Основными источниками теплоты являются:

• работа деформации срезаемого слоя металла и работа сил трения на контактных поверхностях режущего инструмента, переходящие в теплоту резания;

• подведенная энергия (электрическая, плазменная, индукционная и т.д.), переходящая в теплоту разогрева срезаемого слоя заготовки (при резании труднообрабатываемых материалов с подогревом);

• работа сил трения контактирующих тел станка (подшипников, зубчатых передач, направляющих и т.д.), переходящая в теплоту трения.

Температура оказывает решающее влияние на стойкость инструмента и на точность обработки.

В общем случае под температурой резания понимают среднюю температуру на поверхности контакта инструмента со стружкой и поверхностью резания.

Существуют следующие методы измерения температуря резания:

1. метод по цветам побежалости;

2. метод термокрасок;

3. метод подведенной термопары;

4. метод полуискусственной термопары;

5. метод двух резцов;

6. метод бегущих или скользящих термопар;

7. метод естественной термопары.

Температуру шлифуемой детали измеряют при помощи термопар по структурным изменениям в поверхностном слое шлифуемой детали и дистанционных датчиков. Наиболее широко применяется измерение температуры при помощи искусственных и полуискусственных термопар (рис. 1.10).

Рисунок 1.10. Термопары:

а – искусственная; б – полуискусственная; 1 и 2 – проводники; 3 – электроизоляция (слюда); 4 – прибор для регистрации термо-Э.Д.С.

При шлифовании вся механическая мощность микрорезания преобразуется в тепловую, так как лишь незначительная часть мощности переходит в скрытую энергию изменений кристаллической решетки обрабатываемого материала. Наибольшее количество теплоты (до 80%) переходит в обрабатываемую деталь и наименьшая теряется в результате излучения.

С увеличением нагрузки на зерно в зоне его работы выделяется большее количество теплоты в единицу времени и это обеспечивает рост температуры. Нагрузка на зерно появляется при увеличении окружной скорости детали и подач. Отдельные параметры (скорость резания и др.) оказывают сложное влияние на тепловые явления при шлифовании. Например, при увеличении скорости резания толщина срезаемого слоя снижается, но растет число тепловых импульсов при одновременном сокращении времени их действия и изменении условий трения шлифующих зерен по обрабатываемому материалу. В результате взаимодействия всех этих факторов, с увеличением скорости резания, температура шлифуемой детали повышается.

Температура при шлифовании снижается как при уменьшении мощности источников теплообразования, так и при повышении интенсивности теплоотвода. Для этой цели имеются основные пути: 1) технологические – выбор оптимальной схемы шлифования, характеристик шлифовального круга, режимов обработки, рациональных СОЖ и др.; 2) конструктивные – применение эффективных конструкций кругов для конкретных условий обработки, совершенствование установок для очистки и охлаждения СОЖ и др.

Для отвода тепла из зоны шлифования в основном применяются СОЖ.

1.9 Характер изнашивания и стойкость инструмента.

Износ рабочей поверхности круга при шлифовании является сложным физико-химическим и механическим процессом, протекание которого зависит от всех условий обработки: характеристики круга, свойств обрабатываемого материала, режима резания и др.

В зависимости от свойств шлифовальных кругов и условий обработки круги могут работать с самозатачиванием и с затуплением.

Затупление круга наступает в результате обламывания невыгодно расположенных шлифующих зерен, последовательного их расщепления и образования площадок износа, когда зерна теряют свои режущие свойства.

Самозатачивание круга заключается в том, что по мере затупления шлифующих зерен возросшее сопротивление резания вырывает зерна из связки, которая выкрашивается; в работу вступают новые зерна, в результате чего рабочая поверхность круга непрерывно обновляется.

В начальный период работы круга на вершинах зерен образуются площадки износа, которые непрерывно возрастают и обеспечивают влияние условий, действующих на зерна, чему соответствует усилие разрушения зерна и связки.

Рисунок 1.11. Основные виды износа шлифовального круга.

В зависимости от условий шлифования различают следующие основные виды износа (рис. 1.11):

1. истирание режущих элементов шлифующих зерен с образованием на них площадок с большей или меньшей шероховатостью (рис. 1.11, а);

2. микроразрушение зерен с отделением от них небольших частиц (рис. 1.11, б);

3. разрушение зерен с отделением от них небольших частиц, соизмеримых с размером зерна (рис. 1.11, в);

4. полное вырывание зерен из связки (рис. 1.11, г);

5. разрушение в результате протекания химических реакций в зоне контакта зерна с обрабатываемым материалом при высоких температурах, развивающихся в зоне шлифования (рис. 1.11, д);

6. забивание промежутков между зернами стружкой и продуктами износа (рис. 1.11, е).

Момент удаления зерна с рабочей поверхности круга определяется степенью износа зерна, динамикой процесса и прочностными свойствами связки. В ряде случаев в износа шлифующих зерен превалирующим является хрупкий износ, что связано с природой зерна.

При высоких температурах шлифования, снижающих твердость материала шлифующих зерен, процесс износа зерен является интенсивным. Процесс адгезионного износа характеризуется кратерами, образующимися на поверхности зерна, свидетельствующих об отрыве или срезе его отдельных частиц.

Интенсивность износа шлифующих зерен резко возрастает при наличии химического сродства между зерном и обрабатываемым материалом. Для железоуглеродистых сплавов предпосылками к диффузионному износу являются высокие температуры в зоне шлифования, легкость растворения углерода в железе, перепад концентрации углерода между шлифующим зерном и обрабатываемым металлом и контакт их ювенильных поверхностей. Износ кругов существенно влияет на точность и качество поверхностного слоя шлифуемых деталей.

1.10 Качество обработанной поверхности.

Для надежной работы большое значение имеет шероховатость обработанной поверхности, характеризуемая величиной ее микронеровностей, и качество поверхностного слоя, характеризуемого его состоянием.

Формирование микрогеометрии поверхности и качества поверхностного слоя является сложным физическим процессом с активным химическим взаимодействием всех материалов, находящихся в зоне обработки. В этом случае многое является результатом копирования траекторий массового перемещения шлифующих зерен круга относительно обрабатываемой детали.