ХАРКІВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

Шахбазов Яків Олександрович

УДК 621.921:621.923

наукові і технологічні основи формування

різального рельєфу шліфувальних кругів

з метою підвищення ефективності обробки

Спеціальність 05.03.01 – процеси механічної обробки,

верстати та інструменти

Автореферат дисертації на здобуття наукового

ступеня доктора технічних наук

Харків – 2007

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано на кафедрі “Технологія матеріалів і поліграфічного машинобудування” Української академії друкарства Міністерства освіти і науки України, м. Львів.

Науковий консультант – доктор технічних наук, професор

Федорович Володимир Олексійович,

Національний технічний університет “

Харківський політехнічний інститут”, професор кафедри “Інтегровані технології машинобудування” ім. М.Ф. Семка

Офіційні опоненти – доктор технічних наук, професор

Калафатова Людмила Павлівна,

Донецький національний технічний університет, професор кафедри “Металорізальні верстати та інструменти”;

доктор технічних наук, професор

Кальченко Віталій Іванович,

Чернігівський державний технологічний

університет, завідувач кафедри“

Металорізальні верстати і системи”;

доктор технічних наук, старший

науковий співробітник

Лавріненко Валерій Іванович,

Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля

Національної академії наук України, м. Київ,

завідувач відділу

Провідна установа – Інститут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України, м. Харків.

Захист відбудеться “ 24 ” травня 2007 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.050.12 у Національному технічному університеті “Харківський політехнічний інститут” за адресою: 61002, м. Харків, вул. Фрунзе, 21.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного технічно-го університету “Харківський політехнічний інститут”.

Автореферат розісланий “ 14 ” квітня 2007 р.

Учений секретар спеціалізованої вченої ради Пермяков О.А.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Аналіз номенклатури абразивних кругів показав, що найбільш широко застосовуваними при шліфуванні є круги з електрокорунду на керамічній зв'язці, що займають загалом більше 90% усього обсягу. На переважній більшості металообробних підприємств здійснюється технічна підготовка такого інструменту. Від умов технічної підготовки залежать витрати часу й абразивного інструменту, стан його робочої поверхні, основною характеристикою якої є відносна опорна поверхня, що визначає якість обробленої поверхні, продуктивність і собівартість обробки. Тільки за раху-нок зміни режимів формування рельєфу абразивних кругів при їхній технічній підготовці шорсткість обробленої поверхні змінюється більш ніж у десять разів. Як правило, витрати при формуванні рельєфу абразивного круга значно перевищують витрати безпосередньо в процесі шліфування. Тому ефективність процесу шліфування багато в чому буде визначатися технічними можливостями раціонального й спрямованого формування опорної поверхні рельєфу робочої поверхні абразивного круга на задану операцію.

Розроблення цієї проблеми доцільне у двох аспектах. З наукового погляду необхідні дослідження механізму крихкого руйнування поверхневого шару абразивного круга й пошук технологічних умов формування заданого рельєфу та відносної опорної поверхні рельєфу круга. Практичне застосування такого підходу дасть можливість шляхом зміни умов формування рельєфу абразивних кругів суміщати при обробці в одному технологічному процесі весь діапазон режимів оброблення від чорнового до чистового шліфування. Ця проблема особливо актуальна в сучасних умовах малих і середніх підприємств, де обмежена наявність широкої номенклатури верстатів та інструментів для продуктивного і якісного шліфування.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Робота виконувалася згідно з планом НДР наукової ради з проблеми "Синтез надтвердих матеріалів і їхнє застосування в промисловості" Національної Академії наук України, науково-дослідної лабораторії алмазного інструменту кафедри технології матеріалів і поліграфічного машинобудування Української академії друкарства і пов’язана з науково-технічними темами “Розробка конструкції і технології виготовлення інструментів з НТМ для оброблення підошви взуття” (UA 01900001893), “Розробка техпроцесу виготовлення алмазного інструменту для механічного оброблення азбестових фрикційних виробів” (UA 01002453P), “Розробка конструкції брусків з НТМ для обробки торців шліфувальних кругів” (01910000906), “Розробка конструкції алмазного інструменту для обробки азбестових фрикційних виробів” (UA 01000283P), “Розробка технології виготовлення дослідної партії кранів ДУ –50” (0195V020133), “Теоретичні основи створення високошвидкісних шліфувальних інструментів і технологічного забезпечення їх конструктивного виконання” (01203014007289). Участь здобувача у виконанні вищенаведених тем - відповідальний виконавець або науковий керівник.

Метою роботи є розробка наукових і технологічних основ формування різального рельєфу абразивних і алмазних шліфувальних кругів та їх опорної поверхні для підвищення продуктивності інструменту та зниження витрат, пов’язаних із забезпеченням якості обробленої поверхні.

Для реалізації поставленої мети було визначено основні завдання:– 

розробка теоретичних основ процесу взаємного контактування абразивного круга на керамічній зв’язці й алмазного інструменту при формуванні різального рельєфу та опорної поверхні абразивного круга методом точіння з урахуванням динамічних явищ;– 

дослідження аналітичним методом і на базі 3D – моделювання процесу руйнування робочої поверхні абразивних кругів при формуванні їх рельєфу, визначення межі перехідних процесів субмікроруйнування, мікро- та макроруйнування абразивних зерен для встановлення технологічних параметрів раціонального формування опорної поверхні рельєфу;– 

теоретичні дослідження та на базі 3D – моделювання процесу дії робочої поверхні абразивного круга на оброблювану поверхню для встановлення основних параметрів процесу формування опорної поверхні рельєфу абразивних кругів;– 

дослідження динамічних особливостей експлуатації абразивних кругів для розробки шляхів підвищення ефективності формування їх опорної поверхні при шліфуванні на високих швидкостях;– 

розробка методу і технології формування рельєфу та опорної поверхні одношарових алмазних кругів на етапі їх виготовлення;– 

проведення експериментальних досліджень і промислових випробувань для перевірки запропонованих теоретичних рекомендацій і визначення умов впровадження їх у виробництво.

Об’єктом досліджень виступають процес шліфування заготовок зі сталі та абразивні інструменти.

Предметом дослідження є процес формування різального рельєфу та опорної поверхні абразивних і алмазних шліфувальних кругів.

Методи досліджень. Методологічною базою роботи є комплексний науковий підхід до визначення й прогнозування впливу технологічних параметрів і фізичних явищ при формуванні рельєфу абразивного круга на ступінь руйнування та опорну поверхню його робочого поверхневого шару. Робота виконана на основі фундаментальних положень теорії різання, запропонованих нових методологічних підходів при дослідженнях явищ контактування пружних матеріалів. Теоретичні дослідження базуються на основних положеннях теорії шліфування, контактно–хвильової теорії удару та руйнування крихких матеріалів, теорії міцності, пружності і пластичності з широким застосуванням комп’ютерної техніки та систем Excel, MatCad, AutoCAD, Visio, Cosmos, Third Wave AdvantEdge. В експериментальних дослідженнях використовувались методи лазерного сканування, 3D–моделювання, профілографування, ситового аналізу, тензометрії, оптимізації режиму формування рельєфу. Достовірність теоретичних положень роботи підтверджується результатами експериментальних досліджень та промисловим впровадженням.

Наукова новизна роботи полягає в наступному: – 

запропоновано нову модель формування робочої поверхні абразивних кругів, що базується на урахуванні розкритих фізико-механічних особливостей руйнування абразивних зерен при їх ударній взаємодії з кристалом алмаза – індентором, яка дозволяє прогнозувати й регулювати задану мікрогеометрію обробленої поверхні деталей шляхом спрямованого формування опорної поверхні рельєфу шліфувальних кругів; – 

на основі аналітичних розрахунків і 3D–моделювання напружено-деформованого стану системи з урахуванням основної динамічної характеристики – контактної міцності матеріалу зерна теоретично обґрунтовано можливості регулювання характеристик робочої поверхні круга та його питомої опорної поверхні за рахунок спрямованої ударно-силової дії на систему „зерно – зв’язка”, зміщення полюса руйнування на різні рівні абразивного зерна; 

встановлено, що критерієм мікроруйнування абразивних зерен при переході від субмікроруйнування до мікроруйнування є еквівалентні напруження на периферії поверхні контакту „кристал алмаза – абразивне зерно”, порогові значення яких пов'язані з границею міцності матеріалу абразивного зерна на розтяг; критерієм макроруйнування є максимальні нормальні напруження в полюсі руйнування, порогові значення яких пов'язані з контактною міцністю матеріалу зерна; на основі цих критеріїв визначено шляхи керування питомою опорною поверхнею абразивних кругів; – 

встановлено, що при формуванні різального рельєфу абразивного круга та його питомої опорної поверхні шляхом мікроруйнування зерен оброблювана поверхня при швидкісному шліфуванні менше деформується, ніж при макроруйнуванні зерен, що позитивно впливає на якість обробки; виявлено необхідність і реалізовано можливість гасіння тангенціальних напружень, які виникають під впливом сил інерції круга, що сприяє зменшенню вібрацій у технологічній системі, підвищенню стійкості круга й стабільності процесу шліфування;– 

визначено умови раціонального формування різального рельєфу та питомої опорної поверхні абразивних кругів з урахуванням їх структури, твердості й зернистості, геометричних параметрів кристала алмаза, його поперечної й поздовжньої подачі, швидкості абразивного круга, що дозволило на базі запропонованої моделі розробити технологічні умови підвищення ефективності експлуатації кругів і ресурсозберігаючого процесу шліфування.

Практична цінність роботи. Одержана в роботі сукупність загальних закономірностей формування різального рельєфу та опорної поверхні шліфувальних кругів у поєднанні з якісними показниками обробленої поверхні є науковою базою створення способів і технологічних умов для ефективного шліфування на підприємствах, де обробляють металеві і полімерні матеріали.

На підставі експериментальних досліджень і промислових випробувань доведено доцільність використання теоретичних положень для якісної і кількісної оцінки процесу формування рельєфу робочої поверхні абразивних кругів і їх питомої опорної поверхні методом точіння однокристальним алмазним інструментом. Практична реалізація отриманих результатів дасть змогу обґрунтовано керувати механізмом формування різального рельєфу та питомою опорною поверхнею шліфувальних кругів залежно від вимог до процесу шліфування. Встановлення взаємозв'язку фізичних критеріїв і кінематичних параметрів процесу формування рельєфу робочої поверхні абразивних кругів дозволяє рекомендувати технологічні режими створення їх питомої опорної поверхні з урахуванням характеристик абразивного круга й алмазного інструменту і вимог технологічної операції.

Розроблено способи підвищення надійності експлуатації абразивних кругів на керамічній зв'язці для швидкісного шліфування та формування опорної поверхні крупнозернистих алмазних інструментів і технологію їх виготовлення.

Отримано 4 авторські свідоцтва на розроблені конструкції і способи виготовлення інструментів. Випробування у виробничих умовах показали, що продуктивність процесу шліфування і профілювання абразивних кругів зросла в 1,5–1,6 раза, зменшилися витрати абразивних кругів у 1,5 – 1,8 раза, значно скоротився брак зі сколювання тонкостінних абразивних кругів у процесі їх профілювання, продуктивність праці при обробці полімерних матеріалів збільшилася в 1,2–1,5 раза. Розроблені рекомендації впроваджено при формуванні рельєфу абразивних кругів і обробці полімерних матеріалів.

Використання одержаних результатів здійснюється у двох напрямках:– 

через впровадження розроблених за даними теоретичних та експериментальних досліджень методик при проектуванні технологічних параметрів процесу шліфування деталей на машинобудівних підприємствах;– 

шляхом застосування розроблених положень при відновленні деталей устаткування в інших галузях промисловості.

Розроблено і впроваджено у виробництво практичні рекомендації з використання наукових розробок у ВАТ “Мікроприлад” (м. Львів) і „Львівський завод фрезерних верстаті” (м. Львів), на заводі азбестових-технічних виробів (м. Біла Церква), підприємстві „Індустрія” (м. Львів), взуттєвій фабриці (м. Виноградів Закарпатської обл.). Загальний економічний ефект від впровадження склав більше 200 тис. грн.

Результати досліджень використовуються у навчальному процесі студентів спеціальності 8.090202 – “технологія машинобудування” Української академії друкарства.

Особистий внесок здобувача. Усі основні положення дисертації, винесені на захист, одержано здобувачем особисто. Серед них – теоретичні й експериментальні дослідження, розробка алгоритмів і розрахунок режимів. Постановка задач і аналіз результатів досліджень виконані разом з науковим консультантом. Розробка технічної документації та проведення промислових випробувань здійснені спільно із співробітниками лабораторії алмазного інструменту при кафедрі „Технологія матеріалів і поліграфічного машинобудування” Української академії друкарства. Головні наукові і практичні результати роботи одержано здобувачем самостійно.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертаційній роботи оприлюднювалися на конференціях і семінарах, зокрема, на Республіканській науково-технічній конференції “Сверхтвердые материалы и инструменты в ресурсосберегающих технологиях” (Київ, 1989), на 2, , , , –му Міжнародних симпозіумах українських інженерів-механіків (Львів, 1997–2005 рр.), на щорічних науково-технічних конференціях Української академії друкарства (Львів, 1989–2006 рр.).

У повному обсязі дисертаційна робота доповідалась на наукових семінарах лабораторії та відділу правки Інституту надтвердих матеріалів
ім. В.М. Бакуля Національної академії наук України (Київ, 1997, рр.), на спеціальному засіданні XIV міжнародного науково-технічного семінару „Високі технології: тенденції розвитку” (Алушта, 2006 р.), розширеному науковому семінарі профілюючих кафедр факультету поліграфічного устаткування Української академії друкарства (Львів, 2006 р.), наукових семінарах кафедри „Інтегровані технології машинобудування” ім. М.Ф. Семка, Національного технічного університету "Харківський політехнічний інститут" (2005, 2006 рр.).

Публікації. За результатами досліджень опубліковано 47 робіт, у тому числі 1 монографія, 27 статей у фахових виданнях ВАК України, 4 авторських свідоцтва на винаходи.

Структура і обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з вступу,
семи розділів, висновків і додатків. Повний обсяг дисертації – 341 сторінка, з яких 42 ілюстрації на 26-и сторінках, 32 ілюстрацій за текстом, 14 таблиць на десяти сторінках, 7 таблиць за текстом, додатків на 13 сторінках, список використаних літературних джерел з 206 найменувань на 19 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМIСТ РОБОТИ

Вступ. Проаналізовано напрямки підвищення ефективності процесу шліфування в сучасному машинобудуванні. Відзначено можливість підвищення ефективності експлуатації абразивних та алмазних шліфувальних кругів за рахунок керування їх рельєфом і питомою опорною поверхнею. Обґрунтовано актуальність теми, сформульовано мету і завдання досліджень, визначено новизну i практичне значення результатів досліджень.

Розділ І. Проведено аналіз стану проблеми підвищення ефективності процесу шліфування з використанням абразивних та алмазних кругів на основі керування їх різальними властивостями та питомою опорною поверхнею в умовах підвищення швидкості обробки.

У процесі шліфування під дією сил різання i високих температур, а також контактної взаємодії абразивний круг спрацьовується, втрачає геометричну форму i різальні властивості. Такі явища призводять до погіршення якості оброблюваної поверхні, збільшення шорсткості та хвилястості, появи припалювання, зниження інтенсивності зрізання припуску. У роботах В.В. Авакяна, А.К. Байкалова, Р.О. Березняка, Г.І. Вiманна, А.І. Грабченка, В.Л. Доброскока, К. Єкогава, А. Єкоо, Л.П. Калафатової, В.І. Кальченка, В.В. Коломiйця, А.В. Корольова, В.І. Лавріненка, Б.І. Полупана, А.Н. Резнiкова, Н.Р. Смiта, В.О. Федоровича, М.Л. Філімонова, В.О. Шальнова, К. Ямада, наукових дослідників IНМ НАН України i ВНДIалмазу (Росія) розроблено фундаментальні положення теорії і практики забезпечення якості шліфування та показано значення процесу формування рельєфу абразивних кругів при шліфуванні.

А.Н. Резнiковим уперше здійснено спробу теоретично обґрунтувати вплив технологічних параметрів процесу формування рельєфу на ступінь руйнування поверхневого шару абразивних кругів з метою призначення технологічних режимів процесу залежно від вимог до процесу шліфування. Йошикавою Х. виконано ймовірнісні розрахунки для з'ясування впливу поперечної подачі алмазного інструменту при формуванні рельєфу на ступінь руйнування робочої поверхні абразивного круга і на процес шліфування. Л.М. Фiлiмонов рекомендує із-за значного руйнування поверхневого шару абразивного круга при високих швидкостях шліфування обмежувати швидкість формування рельєфу до 50 м/с, а також показує вплив режимів процесу формування рельєфу на результати шліфування, причиною яких є зміни на робочій поверхні абразивного круга.

У більшості операцій шліфування при різанні бере участь лише верхня частина рельєфу круга, яка для найбільш розповсюджених абразивних кругів зернистості (16, 25, 40) складає всього 0,1 ... 0,05 частини висоти їх рельєфу. Формування рельєфу абразивних кругів і руйнування їх поверхневого шару при цьому також відбуваються на зовнішній частині рельєфу. Ці обставини суттєво впливають на розподіл абразивних зерен на поверхні круга, основною характеристикою якого є питома відносна опорна поверхня його робочого шару. Оскільки вихідні параметри процесу шліфування визначаються в основному розподілом зерен на робочій поверхні абразивного круга, то слід очікувати впливу величини його питомої відносної опорної поверхні на якісні параметри оброблюваної поверхні. На питому опорну поверхню робочого шару абразивних кругів значно впливають технологічні параметри процесу формування рельєфу. Це пов’язано з характером руйнування робочої поверхні абразивного круга в процесі формування його рельєфу алмазним інструментом. При визначенні питомої опорної поверхні слід враховувати і дію технологічних параметрів процесу формування різального рельєфу абразивних кругів на утворення декількох різальних кромок на зернах і суттєвого зменшення радіуса заокруглення, що досягається виключно мікроруйнуванням зерен.

Таким чином, створення можливостей керування характером руйнування робочого поверхневого шару абразивних кругів при формуванні їх робочого рельєфу дозволить вплинути на питому відносну опорну поверхню кругів та якісні параметри оброблюваної поверхні при шліфуванні.

На основі аналізу визначено мету й завдання досліджень.

Розділ ІІ. Присвячено теоретичним дослідженням взаємодії абразивних кругів на керамічній зв’язці та алмазного інструменту при формуванні їх рельєфу для встановлення можливостей регулювання питомою відносною опорною поверхнею кругів.

Формування рельєфу і питомої опорної поверхні абразивних кругів алмазним інструментом відбувається в ударній контактній системі "кристал алмаза – абразивне зерно – зв'язка абразивного круга". Залежно від характеру руйнування цієї системи визначаються стан опорної поверхні та розвиненості робочої поверхні абразивного круга і придатність його до виконання операції шліфування. Руйнування абразивних зерен розглядається при їх безпосередньому контакті з кристалом алмаза, а руйнування зв'язки пов'язується з проходженням ударної хвилі крізь абразивне зерно. У цьому випадку з'являється можливість керування характером руйнування робочої поверхні абразивного круга та формування його рельєфу і питомої опорної поверхні шляхом концентрації контактного навантаження в межах абразивного зерна або передачею її до зв'язки абразивного круга. Розв’язання цієї проблеми залежить від співвідношень між основними параметрами удару, зокрема періодом тріщиноутворення та проходження ударної хвилі крізь абразивне зерно. Тому пошук шляхів керування рельєфом і питомою опорною поверхнею абразивних кругів алмазним інструментом вирішується на підставі використання основних закономірностей ударних процесів, теоретичною базою яких є динаміка твердого тіла й матеріальної точки, теорія пружності в статичній і динамічній модифікаціях. Виходячи з цього, процес формування рельєфу розглядається як ударна взаємодія зерна абразивного круга та кристала алмаза правлячого інструмента. Процес подано як стадії пружного деформування в системі "зерно–зв'язка", трiщиноутворення, характерного для крихких матеріалів, утворення ядра i самого руйнування. Прийняті наступні припущення: матеріали абразивного зерна та кристала алмаза однорідні й ізотропні, деформування здійснюється у межах пружності, поверхня контакту – мала порівнянно з поверхнями контактуючих тіл. У результаті отримано базові рівняння, за якими встановлено, що у межах пружної поведінки абразивного зерна розміри поверхні контакту збільшуються із зростанням навантаження. Одночасно з деформуванням абразивного зерна на стадії зростання навантаження здійснюється зміщення зв'язки абразивного круга, що утримує зерно.

Ударну систему „кристал алмаза – абразивне зерно – зв’язка абразивного круга”, як у випадку співударяння двох пружних тіл при наявності в зоні контакту деформівного елемента (абразивного зерна), представлено механічною системою з одним ступенем свободи. У результаті встановлено, що дія збуджуючої сили при певних швидкостях формування рельєфу викликає незначні зміщення зв'язки абразивного круга, тобто остання не встигає повністю реагувати на миттєві зміни збуджуючої сили, чим і пояснюються руйнування більш міцної ланки системи – зерна абразивного круга. Фізична сутність цього явища встановлена законами контактно-хвильової теорії.

Контактне руйнування крихкого матеріалу абразивного зерна пояснюється внутрішніми розривами. Причиною таких розривів є існування зони В (рис. 1) напружень розтягу в глибині матеріалу. Найбільші напруження знаходяться на осі прикладання зусилля, де напруження, спрямовані перпендикулярно до цієї осі, визначаються залежністю

, (1)

де – коефіцієнт Пуасона матеріалу зерна абразивного круга; z – глибина полюса руйнування абразивного зерна; a – радіус поверхні контакту між кристалом алмаза та абразивним зерном.

У цьому випадку, як показав аналіз механізму руйнування зерна абразивного круга, форма i розміри зони руйнування не збігатимуться з геометричними параметрами кристала алмаза. Глибини зони руйнування перевищують рівень проникнення кристала алмаза, що пов’язано з утворенням зони напружень розтягу у середині матеріалу (рис.1). З рівняння (1) встановлено, що глибина полюса по, в якій напруження розтягу максимальні, складає Z=1,58а. На підставі цього встановлено, що максимальні напруження можна зв'язати з контактними напруженнями так: (рис. 2). Контактна міцність матеріалу абразивного зерна визначається як , де р – границя міцності матеріалу зерна на розтяг.

Рис.1. Епюра напружень розтягу в абразивному зерні | Рис. 2. Вплив співвідношення z/a на значення напружень розтягу в абразивному зерні |

Положення полюса руйнування пов’язане з розмірами поверхні контакту, що, у свою чергу, визначається глибиною взаємодії, яка є геометричною характеристикою контакту, та поперечною подачею алмазного інструмента і розміром кристала алмаза. На цій основі визначено можливість дії на положення полюса і ступінь руйнування абразивного зерна за рахунок даних параметрів процесу формування рельєфу.

У процесі ударного контактування з кристалом алмаза абразивне зерно перебуває в складному напруженому стані, а в зоні контакту, крім нормальних зусиль Р, діють i тангенціальні Т. Тангенціальні зусилля разом з нормальними збільшують напруження на поверхні контакту. Зокрема, для колової поверхні контакту компоненти напружень під дією нормальних зусиль визначаємо рівняннями:

,

. (2)

Компоненти напружень при дії дотичних зусиль знаходимо за рівняннями:

;, (3)

де k = Т/Р; у – координата радіусу поверхні контакту по осі 0Y.

Сумарні напруження розтягу досягають максимуму при у = -1, де нормальні напруження з рівнянь (2) і (3) становлять:

;. (4)

Чисельні значення напружень при µ= 0,15 можна отримати за такими рівняннями:

;. (5)

Залежності (5) дозволили визначити глибину (рис. 3) взаємодії h кристалу алмаза з радіусом r2 і абразивного зерна з радіусом r1, що відповідає початку крихкого руйнування абразивного зерна. Вони прийняті за границю відбування перехідних процесів субмікроруйнування та мікроруйнування абразивних зерен.

Методом 3D–моделювання напружено-деформованого стану системи „кристал алмаза–абразивне зерно–зв’язка” в програмному пакеті "Cosmos" проведено аналіз стану системи залежно від лінійного переміщення кристала алмаза, чим імітується поперечна подача при формуванні рельєфу. Така модель (рис. 4) дозволяє визначити умови руйнування абразивного зерна або зв’язки круга. За критерії мікроруйнування зерна прийнято напруження, які досягають границі міцності матеріалу на розтяг, а за критерій макроруйнування – напруження, що відповідають контактній міцності матеріалу зерна.

Відхилення глибини контакту кристала алмаза й абразивного зерна для наведених умов руйнування за теоретичними закономірностями і
3D–моделюванням знаходяться в межах 12...17%. Ці дослідження дозволяють визначити наближений розмір зруйнованої частини від абразивного зерна. Наприклад, для умов перехідних процесів (рис. 3) при формуванні різального рельєфу абразивного круга зернистістю 16 кристалом алмаза з радіусом 0,1 мм збільшення глибини взаємодії h у межах 0,0003 ... 0,0007 мм спричиняє утворення полюса руйнування в зерні на відстані 0,0067 ... 0,0101 мм від поверхні контакту.

Рис. 3. Залежність визначення початку крихкого руйнування

абразивного зерна: 1 – r2=0,1 мм; 2 – r2=0,2 мм; 3 – r2=0,4 мм.

Для кривої 1: 1 см –зона субмікроруйнування; 1 мк – зона мікроруйнування

Рис. 4. Модель напружено-деформованого стану системи

„кристал алмаза–абразивне зерно–зв’язка”

Такі умови формування різального рельєфу, звичайно, приводять до збереження абразивних зерен на робочій поверхні круга та утворення декількох різальних кромок на їх поверхні і, відповідно, до збільшення відносної опорної поверхні і зменшення питомої величини. За цих умов можна отримати мінімальну шорсткість обробленої поверхні в процесі шліфування.

Розділі ІІІ. Наведено теоретичні дослідження визначення технологічних умов руйнування поверхневого шару абразивного круга алмазним інструментом і формування його різального рельєфу та опорної поверхні.

У процесі формування рельєфу абразивного круга сила, яка виникає при співударянні абразивного зерна і кристала алмаза, створює напруження в зерні та елементі зв’язки круга, що викликає руйнування або абразивного зерна, або зв’язки, котра визначає стан опорної поверхні круга. Абразивні зерна і зв'язка розглядаються як дві групи матеріалів різної міцності. Для дослідження умов крихкого руйнування самих зерен на поверхні абразивного круга припускається, що вони є жорсткими тілами, а момент початку деформації зв’язки визначається часом проходження ударної хвилі крізь абразивне зерно за період удару. Ступінь крихкого руйнування самих абразивних зерен встановлюється їх мікро- або макроруйнуванням. Крихке мікроруйнування абразивних зерен спричиняється коловими конічними тріщинами на площі контакту між кристалом алмаза і зерна при досягненні величин контурних напружень, які відповідають еквівалентному напруженню, що визначається за теорією максимальних нормальних напружень та при, наприклад, РТ/РН = 0,5 відповідає глибині взаємодії кристала алмаза й абразивного зерна

, (6)

де К – коефіцієнт жорсткості системи „кристал алмаза – абразивне зерно”.

Гранично можлива глибина взаємодії в режимі неповного крихкого руйнування абразивного зерна знаходиться за виразом

, (7)

де Рк –зусилля, які викликають макроруйнування абразивного зерна.

Виходячи з вищевикладеного, прийнято, що коли дійсна глибина формування рельєфу h буде меншою за критичну hk, яка визначається із залежності (7), то переважно матиме місце мікроруйнування зерен на поверхні круга в процесі формування його рельєфу. Це приведе також до збереження абразивних зерен на робочій поверхні круга та утворення нових різальних кромок на них. Але значення відносної опорної поверхні буде меншим порівняно з умовами, наведеними на рис. 3. Якщо ж h>hк, процент об'ємного руйнування абразивних зерен зросте. У цьому випадку абразивні зерна при контакті з кристалом алмаза будуть повністю зруйновані, що призведе до зменшення їх кількості на робочій поверхні круга та величини опорної поверхні рельєфу і зміни її питомого значення. Це викликатиме підвищення шорсткості оброблюваної поверхні при шліфуванні.

На рис. 5 наведено закономірності впливу розміру кристала алмаза й абразивного зерна на мінімальну глибину їх взаємодії, при якій відбувається повне руйнування зерна, отримані за рівнянням (7). Зі збільшенням розміру кристала алмаза при одному і тому ж розмірі абразивного зерна глибина взаємодії h, при якій відбувається повне руйнування зерна, зменшується. Збільшення ж розміру абразивного зерна призводить до зростання глибини взаємодії. Важливість отриманих закономірностей для процесу шліфування полягає в тому, що встановлюється діапазон можливого керування ступенем крихкого руйнування абразивного зерна при формуванні різального рельєфу абразивного круга та його опорної поверхні на задану операцію шліфування. Наведемо такі дані для зернистості 16 і 40. Порівняння результатів (рис. 3 і 5) дозволяють встановити діапазони глибин взаємодії для мікроруйнування абразивних зерен кристалом алмаза різних розмірів. Для зернистості 16 при радіусі кристала алмаза r2 = 0,1 мм цей діапазон складає h = 0,0005 – 0,028 мм; при r2 = 0,2 мм, h = 0,0004 – 0,022 мм; при r2 = 0,4 мм, h = 0,00038 – 0,018 мм. Для зернистості 40: при r2 = 0,1 мм, h = 0,0007 – 0,048 мм; при r2 = 0,2 мм, h = 0,00052 – 0,032 мм; при r2 = 0,4 мм, h = 0,00047 – 0,024 мм.

Рис. 5. Залежність визначення початку повного руйнування

абразивного зерна: 1 – r2=0,1 мм; 2 – r2=0,2 мм; 3 – r2=0,4 мм.

Для кривої 1: 1 мак – зона макроруйнування; 1 мік – зона мікроруйнування

Для умов перехідних процесів (рис. 5) при формуванні різального рельєфу абразивного круга зернистістю 16 кристалом алмаза радіусом 0,1 мм збільшення глибини взаємодії h у межах 0,01 ... 0,03 мм призводить до утворення полюса руйнування в зерні на відстані 0,0370 ... 0,0586 мм від поверхні контакту. Чим більша глибина полюса руйнування, тим значніші руйнування абразивних зерен, що призводить до зменшення величини відносної опорної поверхні, підвищення шорсткості оброблюваної поверхні при шліфуванні. Мінімальну величину відносної опорної поверхні буде досягнуто при макроруйнуванні зерен на робочій поверхні абразивного круга.

Технологічні можливості керування руйнуванням абразивних зерен і величиною відносної опорної поверхні круга будуть забезпечені, якщо зв’язка круга зберігає стійкість. Стійкість зв’язки абразивного круга розглядається у порівнянні з періодом руйнування зерна та передачею навантаження крізь абразивне зерно зв’язці. Тому ці явища пояснюються з позицій положень контактно-хвильової теорії з урахуванням місцевих деформацій і хвильових процесів при співударі.

При взаємодії алмаза й абразивного зерна деяка частина сили буде витрачена на деформацію абразивного зерна і викличе його руйнування. При цьому частина сили удару передається крізь зерно зв’язці абразивного круга і в часі визначається рівнянням

, (8)

де tу – тривалість ударного контактування кристала алмаза й абразивного зерна; – коефіцієнт часу, ; ac – акустична жорсткість матеріалу абразивного зерна; – густина матеріалу абразивного зерна; ас– швидкість хвилі звуку в матеріалі зерна; F – площа поперечного перерізу абразивного зерна.

Сила (8), що виникає на площі контакту „абразивне зерно – зв’язка”, створює напруження в зв’язці абразивного круга. Якщо ці напруження будуть перевищувати допустимі, то ударна сила, передана через абразивне зерно, зруйнує зв’язку абразивного круга. Найбільші напруження стиску в зв’язці визначаються із залежності

, (9)

де Vп та Vс – відповідно, об'єми пор і зв’язки абразивного круга.

Розрахунки за рівнянням (9) показали, що для широкого інтервалу технологічних умов формування рельєфу абразивних кругів напруження стиску, які виникають в елементах зв’язки, забезпечують їх стійкість, внаслідок чого руйнування поверхневого шару абразивного круга відбувається в основному по абразивних зернах.

Проведене 3D моделювання напружено-деформованого стану системи „кристал алмаза – абразивне зерно – зв’язка абразивного круга” підтверджує, що при малих швидкостях абразивного круга руйнування його поверхневого шару відбувається головним чином по зв’язці. Із збільшенням швидкості абразивного круга максимальні напруження утворюються в абразивному зерні на деякій відстані від контактної поверхні, що свідчить про утворення полюса руйнування в зерні. Модель (рис. 6) наведено для умови: радіус кристала алмаза 0,25 мм; зернистість круга – 40; глибина контакту – 0,025 мм. За 3D моделлю максимальні напруження, які виникають при цьому, перевищують контактну міцність матеріалу абразивного зерна і тому є достатніми для реалізації макроруйнування (повного руйнування) абразивного зерна, що на 15 ... 19 % відрізняється від теоретичних розрахунків.

Рис. 6. 3D модель зони утворення напружень у зерні при

формуванні різального рельєфу з швидкістю абразивного круга 35 м/с

Аналіз результатів, одержаних аналітичним шляхом та 3D–моделюванням, підтвердив достовірність отриманих теоретичним шляхом закономірностей руйнування поверхневого шару кругів з можливістю регулювання параметрами різального рельєфу та їх опорної поверхні.

Таким чином, залежно від технологічних параметрів процесу формування різального рельєфу абразивних кругів алмазними інструментами можна керувати характером руйнування зерен та відносною опорною поверхнею і її питомою величиною для обробки на різних операціях шліфування.

Розділ IV. Наведено результати експериментальних досліджень процесу формування рельєфу та опорної поверхні абразивних кругів.

Процес досліджувався на прикладі формування рельєфу абразивних кругів алмазним олівцем. Вимірювання складових сил при цьому показали, що із збільшенням радіуса при вершині кристала алмаза, глибини та швидкості сили зростають. Це відповідає теоретичним закономірностям. Результатом дії сил визначаються ступінь руйнування поверхневого шару абразивного круга i параметри його рельєфу. Основним показником цього прийнята відносна опорна поверхня рельєфу абразивного круга.

Зростання глибини взаємодії між кристалом алмаза і абразивним кругом, а також швидкості їх взаємодії призводить до більш розвиненого рельєфу робочої поверхні круга, що пов'язано із збільшенням ступеня руйнування його поверхневого шару. Це підтверджується дослідженнями закономірностей руйнування робочої поверхні абразивних зерен (рис. 7) при різних глибинах взаємодії h.

Рис. 7. Зруйновані поверхні кристалів електрокорунду нормального

Для дослідження впливу ступеня руйнування абразивних зерен на формування відносної опорної поверхні абразивного круга в роботі застосовано лазерне сканування його робочої поверхні і комп’ютерну обробку параметрів топографії різального рельєфу. Це дозволило досліджувати зміни 3D параметрів рельєфу, у комп’ютерному режимі оцінювати вплив технологічних режимів процесу формування на його відносну опорну поверхню. На рис. 8 наведено результати сканування та комп’ютерної обробки топографії спрацьованого круга (А) і формованого при h = 0,005 мм (Б) та h = 0,03 мм (В), де

чітко прослідковуються зміни параметрів різального рельєфу і відносної опорної поверхні порівняно із спрацьованим кругом. В отриманих даних важливим є те, що за рахунок технологічних режимів формування рельєфу можна створити опорну поверхню робочої поверхні абразивного круга ідентичну спрацьованому кругу (рис. 8А), у тому числі за рахунок збільшення кількості різальних кромок у режимі мікроруйнування зерен (рис. 8Б). Така відносна опорна поверхня дозволяє отримати мінімальну шорсткість оброблюваної поверхні при шліфуванні. Крива відносної опорної поверхні (рис. 8В) показує, що формування рельєфу абразивного круга з h = 0,03 мм приводить до більшої його розвиненості та пов’язане з макроруйнуванням зерен і зменшенням їх кількості на робочій поверхні круга. Така опорна поверхня забезпечуватиме високу різальну спроможність абразивного круга, але при цьому одержання шорсткості оброблюваної поверхні при шліфуванні ускладнюється й вимагатиме більшого часу на обробку. Ці результати отримано за сприяння спеціалістів з Магдебурзького університету.

Рис. 8. 3D модель топографії рельєфу робочої поверхні абразивного круга

Закономірності зміни рельєфу та опорної поверхні абразивних кругів залежно від умов його формування відповідно впливають на шорсткість оброблюваної поверхні при шліфуванні (рис. 9).

За однакової кількості виходжування менша шорсткість оброблюваної поверхні досягається при формуванні рельєфу абразивного круга малими поперечними подачами алмазного інструменту, що забезпечує мікроруйнування його зерен та більшу відносну опорну поверхню круга.

Рис. 9. Утворення шорсткості обробленої поверхні

при шліфуванні без виходжування

Аналіз абразивного шламу показав, що процес формування рельєфу протікає в основному шляхом крихкого мікроруйнування зерен, що викликає утворення нових різальних елементів на робочій поверхні абразивного круга.

Проведеними експериментальними дослідженнями підтверджено можливості формування спрямованого рельєфу та опорної поверхні абразивного круга залежно від вимог процесу шліфування. Встановлені закономірності формування рельєфу та опорної поверхні абразивних кругів рекомендуються також для створення передумов поєднання чорнового i чистового шліфування в одну технологічну операцію.

Розділ V. Проведено комплексний теоретичний аналіз результатів дії технологічних умов формування рельєфу й опорної поверхні абразивного круга на якісні параметри шліфованої поверхні.

Під дією сили різання в зоні контакту „абразивний круг – оброблювана заготовка” відбуваються пружні та пластичні деформації, що призводить до зміни шорсткості оброблюваної поверхні, яка визначається з геометричної схеми її утворення.

Для виявлення позитивних ефектів від примусового керування ступенем руйнування на опорній поверхні абразивного круга проведено теоретичні дослідження закономірностей проходження пружних та пластичних деформацій у зоні контакту „абразивний круг – оброблювана заготовка”, які мають вплив на утворення шорсткості оброблюваної поверхні в процесі шліфування.

На основі прийнятих припущень – кривина абразивного круга і заготовки не змінюється уздовж лінії контакту; контактуючі тіла розташовані на жорстких опорах; зближення абразивного круга і заготовки відбувається поступовим переміщенням – встановлено закономірності утворення пружних деформацій на поверхні оброблюваної заготовки у процесі шліфування

, (10)

де Py/В – навантаження по довжині лінійного контакту абразивного круга з оброблюваною заготовкою; Rд – радіус оброблюваної заготовки; та – відповідно, модуль пружності та коефіцієнт Пуасона матеріалу оброблюваної заготовки; – ширини контактної напівплощини.

Різальна кромка зерна абразивного круга при зрізанні металу утворює зріз з навалами, причиною яких є пластичне відтиснення металу по боках зрізу. Ступінь пластичних деформацій і величина навалів залежать від властивостей оброблюваного матеріалу, геометрії різальних кромок абразивних зерен та глибини їх різання

, (11)

де – радіус заокруглення різальної кромки абразивного зерна; – границя міцності на зсув оброблюваного матеріалу; – границя текучості оброблюваного матеріалу; Sп – поздовжня подача при шліфуванні; Vд – швидкість заготовки; Vк – швидкість круга; lз – відстань між абразивними зернами; d – діаметр заготовки.

Встановлено, що режим мікроруйнування абразивних зерен при формуванні різального рельєфу та питомої відносної опорної поверхні круга, який забезпечує зменшення радіуса при вершині абразивного зерна, визначає менший ступінь деформації оброблюваної поверхні, у тому числі висоту навалів при шліфуванні, і позитивно впливає на утворення її шорсткості (рис. 10 і 11, Сталь 45).

Оскільки формування рельєфу абразивного круга в режимі крихкого руйнування його поверхневого шару сприяє зменшенню радіуса при вершині абразивного зерна на опорній поверхні, тому знижуються радіальні складові сили різання та товщини пластично деформованого шару під обробленою поверхнею, що визначається за залежністю

(12)

де Р та РS – радіальна складова сили різання на абразивному зерні та сила, яка відповідає початку проходження пластичної деформації, к – кут при вершині кристалу алмаза.

Рис. 10. Вплив радіуса при вершині абразивного зерна (сз) на пружну

деформацію (дд) оброблюваної поверхні при: t = 0,01 мм; SП = 10 мм/об;

VД =30 м/хв.; 1 – VК =30 м/с; 2 – VК =80 м/с

Рис. 11. Вплив радіуса при вершині абразивного зерна (сз) на пластичну

деформацію (дн) оброблюваної поверхні при: t = 0,01 мм; SП = 10 мм/об;

VД = 30 м/хв.; 1 – VК = 80 м/с; 2 – VК = 30 м/с

Для розрахунку радіальної складової сили різання на абразивному зерні запропоновано залежність

, (13)

де аz – товщина мікрорізання абразивним зерном.

Наведена методика розрахунку товщини наклепаного шару оброблюваної поверхні дозволяє спрогнозувати її розмір (рис. 12) та визначити технологічні режими шліфування деталей різного призначення.

Рис.12. Вплив глибини шліфування та радіуса при вершини

абразивного зерна на товщину пластично-деформованого шару

сталі 18Х2Н4ВА: 1– З = 0,075 мм; 2 – З =0,125 мм

При моделюванні напружено-деформованого стану системи „абразивний круг–оброблювана заготовка” за сприяння професора Я. Кундрака використано сучасний пакет прикладних програм для методу скінченних елементів типу „Third Wave AdvantEdge”, що дозволило в умовах, максимально наближених до реальних, оцінювати вплив глибини шліфування та