МЕТОДИКА РАСЧЕТА ШЕРОХОВАТОСТИ ПОВЕРХНОСТИ ПРИ ОБРАБОТКЕ АБРАЗИВНЫМ ИНСТРУМЕНТОМ ИЗ СВС МАТЕРИАЛОВ Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.45.01:004.945

МЕТОДИКА РАСЧЕТА ШЕРОХОВАТОСТИ ПОВЕРХНОСТИ ПРИ ОБРАБОТКЕ АБРАЗИВНЫМ ИНСТРУМЕНТОМ ИЗ СВС МАТЕРИАЛОВ

© Р.Г. Гришин, Н.В. Носов, И.М. Сальников, Я.М. Гордиенко, Р.В. Ладягин

Самарский государственный технический университет, г. Самара, Россия

Статья поступила в редакцию 20.06.2022

В статья предложена методика расчета шероховатости поверхности при обработке абразивными инструментами , в том числе и инструментами из СВС- материалов. Проведен анализ существующих подходов к расчету высоты микронеровностей обработанной поверхности при шлифовании, в которой учитывалась глубина срезаемого единичным зерном слоя и величина пластического выдавливания. Экспериментальные исследования шероховатости поверхности показали, что с увеличением зернистости АИ из СВС КР в 4 раза величина ^ повышается в 3 раза, а с увеличением твердости круга уменьшается. Сравнение шероховатости обработанной поверхности АИ из СВС КР с другими абразивными материалами (91А и 24А) показывает, что для зернистости от 6 до 16 она меньше на 10-15%, а для 25 до 40 больше. Предложены научно-обоснованные рекомендации по управлению параметрами шероховатости поверхности

Ключевые слова: шероховатость поверхности, параметры абразивного инструмента, режимы шлифования, глубина внедрения зерен, абразивные СВС- материалы, микротвердость абразивного круга.

БОТ: 10.37313/1990-5378-2022-24-3-9-13

ВВЕДЕНИЕ

Исследованием шероховатости поверхности при шлифовании занимались большое количество авторов [1 - 4]. Большую роль в образовании шероховатости при шлифовании абразивными инструментами оказывает пластическая деформация зерен [5-6] .

Влияние пластической деформации металла на высоту неровностей занимался Филимонов А.Н. [7], которым установлено, что в зависимости от марки обрабатываемого материала, радиуса округления вершин зёрен и толщина срезаемого слоя az наплывы увеличивают шероховатость поверхности на 20-80%. Автор определял шероховатость обработанной поверхности, через определение величины az для различных условий шлифования

Rz = Cz • az + hH , С1)

где Cz - коэффициент пропорциональности.

Эта зависимость более приемлема для инженерных расчетов. В тоже время, если принять, что рабочая поверхность круга обладает свой-

Гришин Роман Георгиевич, кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой «Технология машиностроения, станки и инструменты». E-mail: [email protected]

Носов Николай Васильевич, доктор технических наук, профессор, кафедры «Технология машиностроения, станки и инструменты». E-mail: [email protected] Сальников Игорь Михайлович, магистр. Гордиенко Ярослав Михайлович, аспирант. Ладягин Роман Владимирович, старший преподаватель кафедры «Технология машиностроения, станки и инструменты». E-mail: [email protected]

ствами эргодичности, то через определенное число наложений возникает равновесный эффективный профиль высотой а2, тогда С2 = 1

Таким образом, образование наплывов при шлифовании за счет работы деформирующих зёрен неизбежно. Для определения максимальной высоты наплывов сравним площадь стружечной канавки Рст и площадь наплывов Рн. Площадь стружечной канавки

рстр = ь2 • а2 ,

где Ь2 - ширина срезаемой стружки.

По данным [8-9] ширина Ь2 связана с глубиной врезания а2 параболической зависимостью

Ь2 = 2л/2Рз • а2 , тогда Рстр = 2аг •л/2р~а~.

В то же время, если стружка не срезалась при работе зерна, то эта площадь перераспределялась в наплывы, образовавшиеся по сторонам риски, тогда максимальную высоту наплыва

Ъншах • ^ . (2)

Расчеты по формуле (2) показывают, что Ьншах всегда больше а2. Так, например, при а 2 = 0.002 мм и р3 = 0.02 мм, Интах = 0.0067 мм, т.е. R2max = 0.002 + 0.0067 = 0.0087 мм или ^тах ~ 2.0 мкм. В реальных процессах, когда образуется стружка высота наплывов всегда несколько меньше Ьнтах, т.к. часть объема металла удаляется с поверхности заготовки.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Для получения количественных зависимостей влияния процесса шлифования на величину аг используем схему прерывистого микрорезания единичным зерном в условиях круглого наружного и плоского шлифования периферией или торцем круга.

При этом найдем величину аг через относительную критическую глубину внедрения зерен

3. Пользуясь формулой (3), находим величи-

Р07 • 1

^ 0.023 • Ук0 53 (1 - ^п у к) ,

(3)

1000•V 1000•48

ветствует п = ■

л • ¿о

л-75

= 200 об/мин.

Тогда подача на врезание будет равна

Рта • п 100•200

0.42 мм/мин.

ну аг при у к = -70е

0.020 • 0.42

0.023 • (40 • 60)053 [1 - б1П(—70е)] • 200

= 0.0016 мм.

где t - глубина резания при шлифовании с продольной подачей, при шлифовании с врезной подачей

1 = *;

п

где п - число оборотов заготовки об/мин; у к = (—60е )...(—80е ) - для условий чистового и получистового шлифования.

Сравнение расчетов по произведенным формулам показывает значительный разброс величины аг. Анализ схем стружкообразования и экспериментальные замеры аг позволили автору рекомендовать, в качестве наиболее близкого к фактической форме среза, расчеты по формуле (3).

Подставив найденное значение аг в формулу (1) можно определить величину Предложенные формулы по расчету не исключают применение эмпирических зависимостей, связывающие шероховатость поверхности с режимами и условиями обработки, а лишь дополняет их. Данными расчетами можно пользоваться при обосновании выбора оптимальных характеристик АИ при минимально необходимых режимных параметрах.

Рассмотрим порядок определения шероховатости при внутреннем врезном шлифовании заготовки 0 75 из Ст.40Х НЯС 55 абразивным кругом ПП 63х16х40 СВС КР 25 СМ1 6 К5 при скорости резания 40 м/с и 0уд=100 мм2/мин [10, 14 ] 1. Задаемся скоростью вращения заготовки

Ук

из условия = 50, т.е. У1=48 м/мин, что соот-

2 V! • 1000 48•1000

2. Для зернистости 25 СВС КР определяем радиус вершины зерна при £ = 98°.

£ ср 0.265

р = 0.13•-у-• = 0.13•—-— • - 0.02 мм.

4. Определим максимальную высоту наплывов Ь = 0,0021мм по формуле 2

нтах ' * ^

5. Подставим полученные значения в формулу (1)

Я =0.0016+0.0021=0.0037 мм или Я =0.92 мкм.

г а

Исследования показали, что большое влияние на среднее арифметическое отклонение профиля поверхности оказывает зернистость абразивного круга . С увеличением размера зерна величина Я повышается. Это связано с тем,

0 а '

что с увеличением диаметра зерна необходимо повысить относительную критическую глубину внедрения зерна.

Сравнение шероховатости поверхности после обработки АИ с разными марками абразивного материала показывает, что при шлифовании кругами из СВС материалов Яа снижается для кругов зернистостью меньше 16, т.к. зерна СВС имеют радиус закругления больше, чем у обычных абразивов 91А и 24А.

Таким образом, исследования показали, что шероховатость поверхности при шлифовании кругами из СВС КР увеличивается пропорционально повышению радиуса закругления вершины зерна, врезной подачи и обратно пропорционально скорости вращения круга и заготовки, а также твердости обрабатываемого материала [13].

Для подтверждения теоретических предпосылок формирования шероховатости обработанной поверхности были проведены исследования влияния характеристик АИ на величину Яа при внутреннем шлифовании сталей.

Исследования показали, что большое влияние на среднее арифметическое отклонение профиля поверхности оказывает зернистость абразивного круга. С увеличением размера зерна величина Я повышается. Это связано с тем,

0а

что увеличение радиуса закругления вершины зерна р требует также увеличить относительную критическую глубину внедрения зерна £ .

Теоретические исследования показали, что при заданных условиях и режимах шлифования величина Яа при обработке, например, ст.ШХ-15 АК из СВС КР с увеличением зернистости от 6 до 40 растёт от Яа=0,45 мкм до Яа=1,6 мкм.

Сравнивая расчеты по формуле (1) с экспериментальными данными видим, что расхождение значений не превосходит 20%. Уменьшение твердости стали с НЯС 64 до НЯС 59 повышает шероховатость на 14 - 26%. С увеличением твёрдости круга величина Яа снижается для всех характеристик АИ и не зависит от марки абразивного материала. Это связано с тем, что увели-

^ =

Кроме этого на величину Яа оказывают влияние и другие факторы, которые не учитываются при расчете по формуле (1). Экспериментальные исследования показали, что такими параметрами процесса являются: состав СОЖ, диаметр обрабатываемой поверхности, ширина круга, количество зачистных проходов, прерывистость процесса шлифования и др.[ 11-12].

Математическая обработка опытных данных позволила вывести эмпирическую формулу по расчету шероховатости поверхности, аналогично зависимости, предложенной Е.Н. Масловым [6]

чивается количество связки для более твердых кругов и уменьшается микротвердость абразивного круга Н ^ , с Н ^ =20 ГПа (твёрдость М3) до Н ^ =18ГПа (твердость СТ1), т.е. снижается режущ ая способность кругов, за счет уменьшения

величины а .

2

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Сравнение работоспособности АИ с разными марками абразивного материала показывает, что при обработке кругами из СВС корунда шероховатость поверхности снижается для кругов зернистостью меньше 16, т.к. СВС КР имеют радиус закругления зёрен от 6 до 16 зернистости больше, чем у обычных абразивов 91А и 24А. В тоже время для кругов зернистости больше 25 наблюдается некоторое увеличение параметра Яа. Данная тенденция сохраняется и при обработке кругами разной твердости. Следует отметить, что разброс средних значений шероховатости для разных марок абразивных кругов незначительный и составляет не более 25-30 %. Большое влияние на шероховатость обработанной поверхности оказывают режимы обработки, в частности поперечная подача Б2 и скорость вращения заготовки У1.

Исследованиями установлено, что с увеличением Б2 величина Яа повышается. Экспериментальные данные хорошо коррелируются с результатами расчета по формуле (1) (гху=0.82), особенно для кругов из СВС КР, т. к. в расчетную зависимость подставлялись геометрические параметры именно этих зерен. Анализ полученных зависимостей показал, что при чистовых режимах шлифования Б2=0,15...0,25 мм/мин кругами из СВС КР величина Яа меньше чем для кругов из 91А и 24А, а на получистовых Б2 > 0,3 мм/мин наблюдается обратная картина, что связано, на наш взгляд с более существенным увеличением

микротвердости АИ из СВС КР Н^ и увеличе- данном выражении определяется как —2, тогда нии глубины внедрения зерен в обрабатываемый материал. Повышение скорости вращения заготовки при врезном шлифовании приводит к уменьшению шероховатости поверхности, что подтверждают результаты многочисленных исследований [10]. Это связано с тем, что при данной схеме обработки с постоянной Б2 повышение скорости вращения заготовки У1 приводит к уменьшению фактической глубины срезаемого единичным зерном слоя и это в свою очередь снижает шероховатость поверхности.

Таким образом, исследования показали, что шероховатость поверхности при шлифовании кругами из СВС КР увеличивается пропорционально повышению радиуса закругления вершины зерна, врезной подачи и обратно пропорционально скорости вращения круга и заготовки, а также твердости обрабатываемого материала.

R _ Ca • V" • tZa • sr • K • K2 • K3 • K4

Ra VkXa • Hn ' ()

где Са - коэффициент, учитывающий физико-механические свойства обрабатываемого материала в частности его твердость по HRC, Xa, Ya, Za, Ua, и K1, K2, K3, K4 - соответственно показатели степени и коэффициенты пропорциональности.

Расчёты показывают, что величина С коле' a

блется от 30 до 60 и с увеличением твёрдости обрабатываемого материала уменьшается, т. е. Ca=30 будет соответствовать HRC 66, а Ca= 60 HRC 18, тогда C _ C - а • HRC, где C =70, а

' " a amax a " a max '

а a =0.6.

Рассмотрим пример расчета шероховатости поверхности при внутреннем врезном шлифовании поверхности заготовки. Исходные данные для расчета см. задачу приведенную выше. Так как у нас процесс врезного шлифования, то в формуле (4) показатель степени Ua и h равны 0, поэтому формула имеет вид

Ca • V,Ya • tZa • K, • K2 • K3 • K4

R --Xa\■■ 2 3 4 . (5)

V

d^

При этом K1=1,0; K2=1,0;K3=1,4 (т.к. зачист-ные проходы отсутствуют), K4=1,0. Величина t^ в

формула (5.23) преобразуется к виду:

R _

Ca • V,

Ya SZa

2 • K3

VXa • d? • nZa

(6)

Находим показатели степени по табл. 5.5, при Са=70-0,6-55=37 и подставляем в формулу (6). Получим:

_ 37 • 48075 • 0.4205 • 1.4 _

. _ Г, ПС__Л1 ___Л< 0.82

40095 • 70°л • 21805

мкм.

Следовательно, расчеты по формулам (4) и (6) показывают, что расхождение среднего арифметического отклонения профиля поверхности составило 12%, что говорит о хорошей сопоставимости расчетных зависимостей. Следует заметить, что значения Я укладывается в

пределы разброса, полученного при расчетах по формуле (6) - верхняя граница и формула (4) -нижняя граница. Взаимную корреляцию данных формул можно найти приняв

V =

ГС-¿3 • пз 1000

Если подставить значение У1 в формулу (6), то получим

Ra =

Са - С1 - ^ - Кз

где произведение Са-С1-К3=41,4, что практически совпадает с постоянным коэффициентом в формуле (4)

1

-« 43.4

0.023 ,

поэтому указанные формулы можно использовать для инженерных расчетов, а предложенная модель формирования шероховатости поверхности адекватна не только опытным данным, но и результатам исследований других авторов [1,5, 11,12].

ВЫВОДЫ

Таким образом, теоретико-экспериментальные исследования шероховатости поверхности позволили сделать следующие выводы:

1. Анализ существующих подходов к расчету высоты микронеровностей обработанной поверхности при шлифовании показывает, что наиболее приемлемым является модель, предложенная Л.Н. Филимоновым, в которой учитывается глубина срезаемого единичным зерном слоя и величина наплывов. В этом случае величина аг рассчитывается по форм. 1.

2. Экспериментальные исследования шероховатости поверхности показали, что с увеличением зернистости АИ из СВС КР в 4 раза величина Яа повышается в 3 раза, а с увеличением твердости круга уменьшается. При этом экспериментальные данные корреллируются с расчетами по форм. 1.

3. После обработки экспериментальных данных получена эмпирическая зависимость (форм. 4 ), которая подтверждает результаты расчета по формуле 1, однако количественно величина шероховатости на 10-20% ниже расчетных и опытных данных.

4. Сравнение шероховатости обработанной поверхности АИ из СВС КР с другими абразивными материалами (91А и 24А) показывает, что для зернистости от 6 до 16 она меньше на 10-15%, а для 25 до 40 больше. Это связано, с одной стороны, с тем, шлифпорошки СВС КР имеют более округлую форму, чем шлифзерна, а с другой более развитый микрорельеф поверхности зерна.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Абразивная и алмазная обработка материалов: Справочник [под ред. А.Н.Резникова]. - М.: Ма-шиностроение,1977. - 391 с.

2. Абразивные материалы и инструменты: Каталог

- справочник [под ред. В.А.Рыбакова]. - М: НИИ-Маш, 1976. - 375 с.

3. Корчак, С.Н. Производительность процесса шлифования стальных деталей / С.Н. Корчак. - М.: Машиностроение, 1974. - 280 с.

4. Лоскутов, В.В. Шлифование металлов / В.В. Лоскутов. - М.: Машиностроение, 1979. - 243 с.

5. Лурье, Г.Б. Шлифование металлов / Г.Б. Лурье. - М.: Машиностроение, 1969. - 172 с.

6. Маслов, Е.Н. Теория шлифования металлов / Е.Н. Маслов. - М.: Машиностроение, 1974. - 320 с.

7. Филимонов, Л.Н. Высокоскоростное шлифование / Л.Н. Филимонов. - Л.: Машиностроение, 1979. - 248 с.

8. Семко, М.В. Шлифование фасонных поверхностей деталей машин / М.В. Семко, А.И. Грабченко. - Самара: Самарск. книжное изд-во,1993. - 207 с.

9. Якимов, А.В. Абразивно-алмазная обработка фасонных поверхностей / А.В. Якимов. - М.: Машиностроение, 1984. - 312 с.

10. Носов, Н.В. Технологические основы проектирования абразивных инструментов / Н.В. Носов, Б.А. Кравченко. М.: Машиностроение-1. - 2003. - 257 с.

11. Ящерицын, П.И. Технологическая наследственность в машиностроении / П.И. Ящерицын, Э.В. Рыжов, В .И. Аверченко. - Минск: Наука и техника, 1977. - 256 с.

12. Королев, А.В. Теоретико-вероятностные основы абразивной обработки. Ч.1. Состояние рабочей поверхности инструмента / А.В. Королев, Ю.К. Новоселов. - Саратов: изд-во Сарат. ун - та, 1987.

- 160 с.

13. Носов, Н.В. Абразивные СВС - материалы и инструменты / Н.В. Носов, В.И. Юхвид, Б.А. Кравченко, В.Л. Китайкин. - Самара, 1996. - 320 с.

14. Носов Н.В. Исследование шероховатости поверхности конических роликовых подшипников / Н.В. Носов, Л.Н. Михайлова // Известия Самарского научного центра РАН. - 2018. Т. 20. - № 4(2). - С. 232-237.

REFERENCES

1. Abrazivnaya i almaznaya obrabotka materialov: Spravochnik [pod red. A.N.Reznikova]. - M.: Mashinostroenie,1977. - 391 s.

2. Abrazivnye materialy i instrumenty: Katalog -spravochnik [pod red. V.A.Rybakova]. - M: NIIMash, 1976. - 375 s.

3. Korchak, S.N. Proizvoditel'nost' processa shlifovaniya stal'nyh detalej / S.N. Korchak. - M.: Mashinostroenie, 1974. - 280 s.

4. Loskutov, V.V. SHlifovanie metallov / V.V. Loskutov. -M.: Mashinostroenie, 1979. - 243 s.

5. Lur'e, G.B. SHlifovanie metallov / G.B. Lur'e. - M.: Mashinostroenie, 1969. - 172 s.

6. Maslov, E.N. Teoriya shlifovaniya metallov / E.N. Maslov. - M.: Mashinostroenie, 1974. - 320 s.

7. Filimonov, L.N. Vysokoskorostnoe shlifovanie / L.N. Filimonov. - L.: Mashinostroenie, 1979. - 248 s.

8. Semko, M.V. SHlifovanie fasonnyh poverhnostej detalej mashin / M.V. Semko, A.I. Grabchenko. -

Samara: Samarsk. knizhnoe izd-vo,1993. - 207 s.

9. Yakimov, A.V. Abrazivno-almaznaya obrabotka fasonnyh poverhnostej / A.V. YAkimov. - M.: Mashinostroenie, 1984. - 312 s.

10. Nosov, N.V. Tekhnologicheskie osnovy proektirovaniya abrazivnyh instrumentov / N.V. Nosov, B.A. Kravchenko. M.: Mashinostroenie-1. 2003. - 257 s.

11. Yashchericyn, P.I. Tekhnologicheskaya nasledstvennost' v mashinostroenii / P.I. Yashchericyn, E.V. Ryzhov, V.I. Averchenko. - Minsk: Nauka i tekhnika, 1977. - 256 s.

12. Korolev, A.V. Teoretiko-veroyatnostnye osnovy abrazivnoj obrabotki. Ch.1. Sostoyanie rabochej poverhnosti instrumenta / A.V. Korolev, Yu.K. Novoselov. - Saratov: izd-vo Sarat. un - ta, 1987. - 160 s.

13. Nosov, N.V. Abrazivnye SVS - materialy i instrumenty / N.V. Nosov, V.I. YUhvid, B.A. Kravchenko, V.L. Kitajkin. - Samara, 1996. - 320 s.

14. Nosov, N.V. Issledovanie sherohovatosti poverhnosti konicheskih rolikovyh podshipnikov / N.V. Nosov, L.N. Mihajlova // Izvestiya Samarskogo nauchnogo centra RAN. - 2018. - T. 20. - № 4(2). - S. 232-237.

METHOD OF CALCULATING SURFACE ROUGHNESS DURING ABRASIVE TREATMENT

© 2022 R.G. Grishin, N.V. Nosov, I.M. Salnikov, Ya.M. Gordienko, R.V. Ladyagin

Samara State Technical University, Samara, Russia

The article proposes a method for calculating the surface roughness during processing with abrasive tools, including tools made of SHS materials. The analysis of existing approaches to the calculation of the height of the micro-roughness of the treated surface during grinding, which took into account the depth of the layer cut by a single grain and the amount of plastic extrusion. Experimental studies of surface roughness have shown that with an increase in the grain size of an abrasive tool made of SHS corundum by 4 times, the value of Ra increases by 3 times, and with an increase in the hardness of the circle decreases. A comparison of the roughness of the treated surface of an abrasive tool made of SHS corundum with other abrasive materials (91A and 24A) shows that for a grain size from 6 to 16 it is 10-15% less, and for 25 to 40 more. Scientifically-based recommendations on the control of surface roughness parameters are proposed

Keywords: surface roughness, abrasive tool parameters, grinding modes, grain penetration depth, abrasive SHS materials, microhardness of the abrasive wheel. DOI: 10.37313/1990-5378-2022-24-3-9-13

Roman Grishin, PhD in Technical Sciences, Associate Professor, Head of the Department «Mechanical Engineering Technology, Machine Tools and Tools». E-mail: [email protected]

Nikolay Nosov, Doctor ofTechnics, Professor at the «Mechanical

Engineering Technology, Machine Tools and Tools».

E-mail: [email protected]

Igor Salnikov, Master's Degree.

Yaroslav Gordienko. Postgraduate Student.

Roman Ladyagin, Senior Lecturer ofthe Department«Mechanical

Engineering Technology, Machine Tools and Tools».