Камерная обработка поверхности деталей незакрепленным шлифовальным материалов

При обработке наружной поверхности деталей незакрепленным абразивом при статическом уплотнении абразивной среды в специальной камере [1–2] в съеме металла с поверхности обрабатываемой детали принимает участие достаточно большое количество абразивных частиц.

Материалы и методы

Плотность контактирования рабочей среды с поверхностью детали при ее обработке статически уплотненными абразивными частицами достаточно высока. Способ финишной абразивной обработки статически уплотненными абразивными суспензиями осуществлялся в соответствии с рис. 1, а–б.

На рис. 1, а показано, как цилиндрические изделия 1 закрепляются на оси 2 и помещаются в абразивную суспензию 3 , находящуюся в специальном контейнере 4 , в котором смонтирована цилиндрическая оболочка 5 , изготовленная из специальной резины. Рабочая суспензия сжимается при подаче на периметр оболочки сжатого воздуха. Обработка происходит при вращении оси с деталями со скоростью V _д. На рис. 1, б видно, что при обработке плоская деталь перемещается со скоростью V _д.

При обработке деталей образуются микроскопические стружки, по характеристикам которых затруднительно оценить производительность процесса обработки деталей [Там же].

Р и с. 1. Обработка деталей статически уплотненным абразивом: а) обработка цилиндрических деталей; б) обработка плоских деталей

F i g. 1. Processing with static sealing abrasive: a) processing of cylindrical parts;

• б) processing of flat parts

  

Р и с. 2. Удаление материала абразивным зерном: M ‒ микровыступы вершины абразивного зерна; N ‒ субмикровыступы, находящиеся на микровыступах вершин абразивных зерен; h ‒ глубина внедрения абразивного зерна в поверхность обрабатываемой детали; V – скорость перемещения абразивного зерна; γ _х ‒ передний угол абразивного зерна; δ _х ‒ угол резания F i g. 2. Removing the material with abrasive grains: M ‒ top abrasive grain microprotrusions;

N ‒ submicroprotrusions located on the tops of abrasive grains microtips; h ‒ depth of abrasive grains penetration in surface of workpieces; V ‒ movement velocity of abrasive grains; γ _х ‒ front corner of the abrasive grain; δ _х ‒ angle of cutting

При обработке деталей статически уплотненной абразивной суспензией с глубиной резания до 1 мкм в процессе удаления материала участвуют микровыступы абразивных частиц.

Результаты исследования

На рис. 2 приведена реализация процесса удаления материала с поверхности обрабатываемой детали различными режущими элементами абразивного зерна.

Характер контактного взаимодействия уплотненного слоя с обрабатываемой поверхностью детали во многом определяется формой абразивных зерен, которая является весьма разнообразной, и их режущих элементов. Изучение мно-численных теневых отпечатков показало, что все они вписываются в эллипс [2–4]. Учитывая это, а также результаты исследований топографии зерен на сканирующем микроскопе [Там же], их форму в первом приближении можно смоделировать эллипсоидом вращения, на поверхности которого в виде прерывистых кольцевых выступов находятся микронеровности с расположенными на них субмикронеровностями (рис. 3).

Р и с. 3. Модель абразивного зерна: a и c – полуоси эллипсоида вращения; h _м ‒ высота выступа микрорельефа; h _см ‒ высота выступа субмикрорельефа; t _м ‒ средний шаг выступов микрорельефа; t _см ‒ средний шаг выступов cубмикрорельефа

F i g. 3. Abrasive grain model: a and c ‒ semiaxes of the rotation ellipsoid; hм ‒ height of submicrorelief protrusion; hcm ‒ height of submicrorelief protrusion; t ‒ average pitch of microrelief protrusion; t ‒ average pitch м                                                       см of submicrorelief protrusions

Известно, что эллипсоид образу- ется вращением эллипса вокруг оси x

Р и с. 4. Модель абразивного зерна; a и c – полуоси эллипсоида вращения F i g. 4. Model of an abrasive grain; a and c ‒ semiaxes of the rotation ellipsoid

a эдSм = 2п J VZ + (Z1)2 • dx +

a

+ 2 п | 2V Z ² + ( Z • Z *)² • dx .

0                               (3)

Используя уравнение эллипса (1) при ( a ≥ c ), произведем дифференцирование по x его общих частей, в результате чего определим Z·Z¹ :

Z·Z¹ = c ₂ ⋅ x .            (4)

a

Из уравнения эллипса определим Z ² следующим образом:

2 c 2

Z ² = c - ₂ ⋅ x .

a ²

Подставив Z ² и Z·Z¹ в формулу (3), получим выражение следующего вида:

Запишем уравнение эллипса:

X ² Z ²

—⁺— = 1;

ac

У = 0.

После преобразования получим:

22 X

Z = c l ¹ — г I ;

I a )

у ² = 0.

Сложив Z ² и y², найдем исходное уравнение эллипсоида:

222 X ²   y ²   Z ²

~Т + — + — = 1, acc где a и с – полуоси эллипсоида вращения.

Площадь эллипсоида вращения определяется известной зависимостью:

^{4 n} ca П ⁽ а² - c ²)• x² ,

S =----I a--^

a * V

= Дяс । ^(a2 - e 2 ^ x2 ^ dx,(5)

a где ε – эксцентриситет эллипсоида вращения.

Таким образом, e =------ a

Количество микро- и субмикровыступов на поверхности абразивного зерна можно определить по созданным впервые аналитическим зависимостям.

Для микровыступов абразивных зерен с учетом их поворота в процессе обработки запишем:

nM

N_M = ∑ π ⋅ c_i ⋅ K _Π , (6)

i = 1

где i ‒ количество окружностей в сечении эллипсоида, моделирующего форму абразивного зерна, на которых располагаются выступы микропрофиля с определенным шагом t _м;

K _п ‒ коэффициент, учитывающий прерывистость микронеровностей (в соответствии с законом равной вероятности K _п = 0,5); n _м ‒ количество следов контакта выступов микропрофиля со средним шагом t _м и длиной l_i в пределах эллипса отпечатка незакрепленной абразивной частицей, обрабатывающей деталь.

Суммарное количество субмикронеровностей, расположенных на микровыступах поверхности абразивного зерна определяется по следующей аналитической зависимости (рис. 5):

_{N = 2∙} h CT - f ₊ π ⋅ ρ M ⋅ α ^/ _, ^см       b CM ⋅ cos γ    180 ⋅ b CM

где hст ‒ статическая глубина внедрения субмикронеровностей; f – параметр выступа микрорельефа абра- а/ зивной частицы (f = рM • (1 - cos —)) ;

b _см – ширина единичной субмикронеровности; γ – передний угол единичной микронеровности; ρ_м – радиус округления выступа микропрофиля абразивного зерна; α^/ ‒ центральный угол выступа микрорельефа.

Р и с. 5. Взаимодействие абразивного зерна с поверхностью обрабатываемой детали: l _м ‒ параметр выступов микрорельефа абразивной частицы; β^/ и β^// ‒ углы выступов микрорельефа, имеющих форму усеченной правильной пирамиды с радиусом округления ρ_м и суммарной длиной, изменяющейся от 0 до 2 c

F i g. 5. The abrasive grain interaction with surface of workpiece: l _м ‒ parameter of microrelief protrusion of the abrasive particle; β^/ and β^// ‒ microrelief protrusion corners shaped of a truncated regular pyramid with a radius of rounding ρ_м and total length which varies from 0 to 2 c

Одним из наиболее важных показателей процесса финишной обработки является его производительность [1–5]. Съем может быть представлен определенной математической моделью.

В связи со сложностью проведения анализа процесса резания поверхности обрабатываемой детали всей совокупностью абразивных зерен для определения производительности обработки, рассмотрим механизм удаления материала единичной абразивной частицей.

Заметим, что удаление материала с поверхности обрабатываемой детали микро- и субмикровыступами абразивных частиц шлифованием и другими методами финишной обработки связанным абразивом не принималось во внимание.

В фундаментальных исследованиях микропрофиля частиц незакрепленной абразивной суспензии определены численные значения ширины и высоты микро- и субмикропрофиля абразивных частиц [1–10]. Новыми исследованиями установлено, что радиус округления вершин микрорельефа абразивных частиц находится в диапазоне 0,1–0,5 мкм, а радиус округления вершин субмикровыступов изменяется в пределах 0,08–0,10 мкм. Кроме этого, в них показано, что параметры микро- и субмикрорельефа практически не связаны с размерами абразивных зерен.

Исследованиями установлено, что в начальный момент обработки поверхности детали (t = 0,5–1,0 мин) при общем времени обработки t = 6–8 мин удаление материала происходит преимущественно с помощью субмикронеровностей, расположенных на микровыступах абразивных зерен. По мере заполнения впадин субмикропрофиля субмикростружкой съем материала практически прекращается, и дальнейшее удаление материала с поверхности обрабатываемой детали осуществляется микропрофилем абразивных зерен. Многочисленные исследования показали, что съем материала с поверхности детали субмикронеровностями составляет 1–3 %, что пренебрежимо мало по сравнению со съемом материала, приходящимся на микропрофиль абразивных зерен (97–99 %). Таким образом, в дальнейшем с полным основанием можно считать, что удаление материала с поверхности детали осуществляется преимущественно микропрофилем абразивных частиц. Суммарный объем деформированного материала единичным микровыступом абразивного зерна определяется следующим образом:

V = K C • V & =2 n r ■ 0,5 ■

• К b + ² P m ) ■ ⁽ hj - P m ) + ⁿ P MM ],

где n ₀ – частота вращения обрабатываемой детали, мин^–1; r ₀ – радиус обрабатываемой детали, м∙10^–3; K _с ‒ коэффициент стружкообразования; K _с = 1 – ε_н (ε₂ – коэффициент навалов деформированного материала); ρ_м – радиус округления выступа единичного зерна, м∙10^–6; ρ – плотность обрабатываемого материала, кг/м³; b_j и h_j – ширина и глубина царапины, оставляемой единичным выступом микропрофиля абразивного зерна на поверхности обрабатываемой детали соответственно, м∙10^–6 (рис. 6).

Р и с. 6. Сечение царапины от резания микровыступом единичного абразивного зерна

F i g. 6. Cross-section of scratches from cutting with the microprotrusion of a single abrasive grain

В ходе предварительных расчетов было установлено, что погрешность суммарного объема по зависимостям (8) и (9) не превышает 5 % по сравнению с предварительно проведенными экспериментальными исследованиями, где масса полученной микростружки определялась на специальных микроаналитических весах с точностью до 0,0001 г.

Данный факт свидетельствует о достаточной точности предложенной методики расчета объема царапины от единичного микровыступа абразивного зерна с учетом коэффициента стружкообразования.

Запишем формулу для нахождения площади царапины:

^S ц = ^0,5 • [( bj + ² P m ) ■ ( h j - P m ) ⁺ П ■ p M ^];

b ₀ = 2∙ρ_м + 2∙( h_j ‒ ρ_м)∙sinγ = 2∙ h_j ∙sinγ, (9)

где γ ‒ передний угол выступа микрорельефа (γ = -500).

По известным параметрам процесса микрорезания различными элемен- тами абразивных зерен можно дать оценку съема металла множеством незакрепленных абразивных частиц.

При финишной обработке наружных поверхностей цилиндрических деталей статически уплотненной абразивной суспензией съем материала определяется по приведенной математической зависимости, в которой плотность удаляемого материала с учетом коэффициента стружкообразования умножается на объем царапины, длину окружности по диаметру обрабатываемой детали, частоту ее вращения и время обработки t . При этом в математическую зависимость также входит ряд коэффициентов, учитывающих определенные условия обработки.

Суммарное количество абразивных зерен N _Σ по поверхности контакта с обрабатывамой деталью определяется следующим образом:

N _∑ = 2 π r ₀ B _Д(³ n ₁ ρ _h )² , (10)

где r ₀ – радиус детали; В _д – длина (ширина) обрабатываемой детали;

n ₁ – количество зерен в единице массы уплотненного абразивного слоя; ρ _h – плотность абразива.

При внедрении абразивных зерен в обрабатываемую поверхность и их относительном движении возникают силы резания, определяющие характер относительного положения абразивных зерен. Если данные силы превысят силу нормального давления абразивного зерна на обрабатываемую поверхность, то оно повернется к этой поверхности другой гранью или вершиной.

Поворот абразивных частиц способствует увеличению съема металла при обработке, которое учитывается коэффициентом поворота K _п.

В результате исследований было установлено, что при обработке детали происходит увеличение режущей способности абразивных частиц за счет мельчайших сколов микрорельефа на 30 %; это учитывается коэффициентом Ky. В зависимости от условий обра-боyтки, состава абразивной суспензии и материала обрабатываемой поверхности детали значения коэффициента K , учитывающего влияние жидкой ж составляющей абразивной суспензии, изменяются в диапазоне 1,2–1,5, а значения коэффициента поворота Kп – в пределах 1,2–1,3. Кроме этого, в зависимости от шероховатости обрабатываемой поверхности, коэффициент KRa изменяется в диапазоне 1,15–1,50.

В этом случае расчетная зависимость для определения величины съема металла при обработке наружных поверхностей деталей в уплотненной абразивной среде примет следующий вид :

Q Е = Р • (1 - Е н ) • ^{2 п п} о • r o •

• • 0,5 • [( bj + 2 р ) • ( hj - р м ) + + пр М ] • N ; • K п - K y • K Ra • K ж .

Удельный съем материала ( q , мг/см²) определяется по формуле:

Q Е q = —

S где S – площадь обрабатываемой поверхности детали.

Также запишем формулу минутной производительности Q _мин, мг/мин:

Q мин

Q t

Обсуждение и заключения

После 2–3 мин обработки детали исходный микрорельеф за счет износа абразивных частиц переходит в более сглаженный рабочий, который в итоге определяет величину съема материала с поверхности детали, заданную шероховатость поверхности, точностные параметры процесса обработки и физико-механические свойства обрабатываемой поверхности детали.

Поступила 21.01.2016; принята к публикации 24.01.2017; опубликована онлайн 31.03.2017

Об авторе:

Автор прочитал и одобрил окончательный вариант рукописи.

S ubmitted 21.12.2016; revised 24.01.2017; published online 31.03.2017

The author have read and approved the final manuscript.