CC BY
16
УДК 621. 892. 09
АНАЛИЗ ПРОЦЕССОВ РАЗРУШЕНИЯ МЕТАЛЛОВ ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ
С АБРАЗИВНЫМ ИНСТРУМЕНТОМ
© 2003 г. Е.П. Мельникова
Математическое моделирование финишных методов обработки требует их представления и анализа в качестве систем с целью выбора стратегии исследования и разработки, выявления состава и границ работоспособности вновь создаваемого объекта, а также установления связей внутри системы и между ними [1]. Оптимальное управление процессом обработки может быть реализовано только на основе математической модели, адекватно описывающей взаимодействие инструмента (с его микрорельефом) и обрабатываемой деталью. Для этого должен быть создан комплекс математических моделей, адекватно отображающих процессы съема материала и формирования поверхностного слоя, дающий на выходе показатели производительности, стойкости инструмента, шероховатости обрабатываемой поверхности. Создание комплексных динамических моделей процессов взаимодействия инструмента и детали является одной
из актуальных и наиболее сложных проблем в области абразивной обработки [2]. Ее решение связано с рядом трудностей, которые обусловлены:
- отсутствием общего подхода к моделированию процессов формирования поверхности детали в условиях совместного действия абразивного, химического и гидродинамического эффектов;
- влиянием большого числа технологических факторов на производительность и качество поверхности при абразивной обработке;
- непрерывным изменением взаимного расположения инструмента и заготовки, состояния рабочей поверхности инструмента, обрабатываемой поверхности и свойств СОТС;
- стохастической природой исследуемых процессов.
Ниже представлена структурная схема разработанного комплекса теоретических моделей съема металла и формирования параметров качества обработанной поверхности (рис. 1).
Рис. 1. Схема взаимосвязи теоретических моделей финишных методов обработки
Рассмотрение контактного взаимодействия алмазно-абразивного инструмента с обрабатываемой поверхностью и происходящих при этом взаимодействии съема металла и формирования поверхности как результата совокупного действия процессов микрорезания, упругой и пластической деформации предопределило схему модельного представления перечисленных явлений, представленную на рис. 2.
^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^
и Р(ю) Ср М И N К t
В
А
> >
С Е
К
Э
_О (1т)_
Рис. 2. Структурная схема процессов, происходящих при контактном взаимодействии алмазно-абразивного инструмента и обрабатываемой поверхности
Входными параметрами представленной модельной структуры являются: скорость и, нагрузка Р(ю); свойства СОТС Ср; характеристики обрабатываемых материалов М и абразивного инструмента И (концентрация К и зернистость абразива N3 намеренно выделены), и время обработки 1 Перечисленные параметры определяют процесс съема металла и его окислов с обрабатываемой поверхности, а также формирование шероховатости (блок А). Это происходит путем упругой деформации локальных объемов (В), пластической деформации (С), либо за счет микрорезания (Е). Причем, очевидно, изменение величин входных параметров должно приводить к перераспределению удельного веса микрорезания и деформационных процессов.
Присутствие СОТС, очевидно, также будет влиять на блоки В, С, Е. Кроме того, следствием микрорезания и деформационных процессов будет возникновение между обрабатываемой поверхностью и инструментом коллоидной системы (К), состоящей из смеси СОТС и продуктов диспергирования - системы СПД. Наличие ПАВ в зоне обработки должно снижать энергию активации обрабатываемой поверхности (Э).
Хонингование, доводка и вибрационная обработка (ВиО) являются процессами, включающими последовательные этапы: формирование контакта «инструмент -деталь»; взаимное перемещение контактирующих поверхностей по некоторым траекториям; образование продуктов диспергирования и износа, перемешивание их с СОТС и последующее удаление из зоны обработки.
Следовательно, теоретическое исследование финишных методов обработки может быть проведено с единых позиций, а именно:
1. Обработка незакрепленным абразивом и доводка протекают аналогично, но имеют разные геометрические размерные и кинематические параметры.
2. Обработка закрепленным абразивом рассматривается так же, как и доводка (зерна шаржированы в поверхность притира).
3. Система «инструмент-деталь» ввиду отсутствия
регламентируемой глубины резания саморегулируется, устанавливая равновесное значение глубины резания, зависящее от входных параметров.
4. Между частицами (гранулами) и обрабатываемой поверхностью помещается продукт диспергирования - микростружка, взвешенная в СОТС, что придает последней сложные реологические свойства.
Внедрение одних микронеровностей в другие в зоне контакта происходит в результате различия в физико-механических и микрогеометрических характеристиках контактирующих тел. Площадь фактического контакта определяется физико-механическими свойствами более мягкого и геометрией поверхности более твердого материала. Учитывая большую разницу в твердости абразивных зерен и обрабатываемого материала, можно считать, что площадь фактического касания частицы с поверхностью детали будет в основном определяться микрогеометрией абразивных частиц.
При внедрении абразивной частицы в поверхность обрабатываемой детали на нее действует сила сопротивления Р, которую можно разложить на нормальную Рм- = Р8ед (стремится вытолкнуть частицу из ма-
териала) и касательную PT = -fт
PN |—т (сила тре-
ния, направленная против скорости движения частицы). Обе составляющие обычно уравновешиваются внешними усилиями, либо приводят к поглощению кинетической энергии частицы. По мере увеличения силы взаимодействия контактные напряжения или деформации возрастают и могут достигнуть разрушающих величин, в этом случае происходит переход к микрорезанию. Согласно [3] переход к микрорезанию происходит при условии: Рт/£ср = с от, где 8ср -
площадь среза; от - предел текучести материала детали; с - коэффициент, оценивающий несущую способность контактной поверхности.
Каждому виду обработки соответствует определенное число контактов абразивных частиц с поверхностью детали в единицу времени. При этом число и характер таких контактов определяет производительность и качество обработанной поверхности. Изменяя входные параметры, можно в значительной мере влиять на результаты обработки.
Оптимизация и управление процессами финишных методов обработки требует разработки теоретических зависимостей, связывающих механические свойства материала детали и инструмента, форму, зернистость и концентрацию абразива, свойства СОТС с производительностью и качеством обработки.
Решение указанных задач на практике является весьма затруднительным. Можно предположить, что основными методами их решения на практике являются выбор одного, двух критериев в качестве показателей эффективности (целевой функции) или сведение многокритериальной задачи к однокритериальной.
Литература
3. Браун Э.Д., Евдокимов Ю.А., Чичинадзе А.В. Моделирование трения и изнашивания в машинах. М., 1982.
2. Новоселов Ю.К. Динамика формообразования поверхностей при абразивной обработке. Саратов, 1979.
3. Михин Н.М. Трение в условиях пластического контакта. М., 1968.
Донецкий национальный технический университет, г Горловка
14 апреля 2003 г.
v
