Darya YshakovaШероховатость обработанной поверхности при шлифовании зависит от геометрии рабочей поверхности абразивного инструмента. В процессе обработки под действием различных процессов изнашивания распределение вершин зерен, образующих рельеф рабочей поверхности абразивного инструмента, постоянно изменяется. Для описания процесса этого изменения необходима информация о плотности распределения вершин зерен по глубине рабочей поверхности абразивного инструмента. Такую информацию позволяет получить закон распределения и его параметры, а также их изменение во время шлифования под действием процессов изнашивания.
В машиностроении важную роль играют процессы механической обработки резанием, в числе которых большое место занимают операции шлифования. Объем шлифовальных работ составляет в среднем 30%, а в отдельных отраслях промышленности до 70% всех станочных работ.
Шлифовальные работы позволяют добиться высокой точности обработки металла. Как правило, операция шлифовки является окончательной в технологическом процессе механообработки деталей.
Высокая точность обработки и качество поверхности, с возможностью обработки высокотвердых материалов в результате предельно высокой твердости шлифующих зерен инструмента, делает шлифование приоритетным видом обработки, поэтому исследование процессов шлифования является актуальной задачей абразивной обработки [1]. Критериями эффективности продвижения товаров для предприятий являются:
- степень технической оснащенности и использования производственных мощностей;
- при взаимодействии с вузами: функционирование научно-исследовательских структур, студенческих научно-технических объединений;
- уровень маркетинговых коммуникаций;
- показатели эффективности использования оборудования [2].
В абразивном пространстве, представляющем в целом весь абразивный инструмент, выделяют две составляющие: абразивную матрицу и поверхностный слой.
Контактный и поверхностный слои – динамически подвижная и непрерывно изменяющаяся под воздействием условий шлифования или правки система абразивных зёрен, вершины которых непрерывно (равномерно или скачками) смещаются внутрь матрицы или исчезают по причине вырывания зерна.
Шлифование представляет собой процесс взаимодействия двух подсистем, каждая из которых обладает своими свойствами. Подсистемы являются взаимосвязанными и взаимозависимыми. Изменение параметров состояния любой из подсистем будет приводить к изменению параметров состояния другой подсистемы и системы в целом.
Одной из важнейших характеристик каждой из подсистем является форма её поверхностного слоя.
Форма рабочей поверхности абразивного инструмента определяется геометрическими параметрами зёрен, их числом и распределением.
Особенности процесса шлифования – малая толщина отделяемой стружки (до доли микрона), высокая твердость режущих элементов, произвольные режущие углы абразивных зерен (чаще отрицательный передний угол) [3].
В каждом отдельном случае преобладание какого-либо вида изнашивания зависит от физико-механических свойств обрабатываемого материала, шлифовального материала, вида связки, силовых и температурных нагрузок, а также от условий обработки.
На операциях чистового шлифования износ круга приводит к увеличению шероховатости обработанной поверхности. Исходя из этого предельные значения параметров шероховатости можно принять в качестве критериев периода стойкости абразивного инструмента. В производственных условиях шероховатость поверхности, следовательно, и принятый период стойкости контролируют периодическими измерениями в лаборатории или непосредственным контролем на рабочем месте по эталонам шероховатости.
Изнашивание абразивного инструмента заключается в постепенном отделении частиц рабочего слоя, приводящем к уменьшению его массы и размеров при абразивной обработке.
Вид изнашивания определяется режимом эксплуатации шлифовального круга. Например, первый и четвертый виды изнашивания наблюдаются в основном при работе круга в режиме затупления, характерном для чистового шлифования. Под затуплением понимается образование площадок на поверхности абразивных зерен, приводящее к изменению профиля рабочей поверхности и уменьшению режущей способности абразивного инструмента.
Поверхностное разрушение вершин зерен с отделением мелких частиц абразивного материала (второй вид изнашивания) наиболее характерно для режима самозатачивания.
Наблюдаются существенные изменения микрорельефа рабочей поверхности круга, связанные с изменением характера распределения зерен. Эти отклонения снижают точность обработки и вызывают волнистость на шлифованной поверхности, ухудшают другие показатели качества обработанной поверхности. Засаливание и затупление рабочей поверхности круга снижают режущую способность.
Для восстановления режущей способности абразивного инструмента, придания ему правильной геометрической формы и профиля периодически в процессе работы производят его правку. От правильного выбора средств и режимов правки зависят шероховатость обработанной поверхности детали, производительность обработки, расход шлифовальных кругов, износостойкость правящего инструмента и себестоимость операции.
Как показали теоретические и экспериментальные исследования, эффективное удаление припуска при шлифовании поверхностей деталей зависит от ряда факторов, важнейшими из которых являются окружная скорость шлифовального круга, скорость поперечной подачи, скорость вращения шлифуемой поверхности детали, жесткость шлифовального станка, качество абразивного инструмента, эффективность смазочно-охлаждающей жидкости.
Повышение производительности процесса шлифования с обеспечением необходимых требований к качеству обработанной поверхности является приоритетным направлением развития абразивной обработки материалов. Одним из наиболее распространённых параметров качества обработанной поверхности считается шероховатость [4].
В общем случае шлифованная поверхность рассматривается как совокупность царапин, оставленных множеством абразивных зёрен. Поэтому исследование распределения вершин, участвующих в формировании шлифованной поверхности, является актуальной задачей. Основная сложность заключается в том, что размер контактной зоны, например, на чистовых режимах не превышает 3–10 мкм, и достоверно определить распределение вершин зёрен в этом слое рабочей поверхности круга весьма проблематично. Особый интерес представляют рабочие зёрна, т. е. контактирующие с обрабатываемой поверхностью при шлифовании.
Существуют разные разработки, посвященные экспериментальному и теоретическому исследованию распределения вершин зерен на рабочей поверхности абразивного инструмента. Существуют такие способы, как метод профилoгpaфиpовaния и оптический метод, царапанье неподвижным или вращающимся кругом полированной пластины, установленной под наклоном, и дальнейшее измерение полученных царапин, определение количества зёрен с использованием приработанной площадки износа после правки круга [5].
Все эти способы имеют существенный недостаток: невозможность определить число контактирующих зерен в динамике. В этом случае менее затруднительным и более дешевым способом было бы получение данных о распределении вершин зёрен в круге по профилограммам обработанной поверхности.
Рабочая поверхность абразивного инструмента и обработанная поверхность – две взаимосвязанные системы. Таким образом, шероховатость обработанной поверхности может быть представлена как результирующий профиль рабочей поверхности абразивного инструмента.
Практическая реализация исследования начинается с определения микрогеометрии поверхности прибором ощупывающего типа и сохранением координат профиля. Эта опция включена в меню любого современного прибора, предназначенного для определения микрогеометрии поверхностей.
Учитывая, что каждая царапина на шлифованной поверхности представляет собой след, оставленный зерном, по числу царапин можно судить о количестве абразивных зёрен. Если все местные впадины профиля рассматривать как следы, оставленные вершинами зёрен, количество местных впадин и их распределение по высоте профиля определяет количество вершин зёрен, оставивших след на рассматриваемом сечении шлифованной поверхности [6].
Допускается, что каждая впадина на профиле поперечного сечения шероховатости является следом от одного зерна, и это зерно имеет лишь одну режущую вершину. Координату впадины профиля определяли с учетом условий, которые представлены неравенствами:
; yi> yj и yi+1> yj,
где yi – предыдущая точка из набора данных; yj – проверяемая координата; yi+1 – последующая точка из набора данных; k – порог чувствительности прибора.
Для определения закона распределения вершин зерен по высоте необходимо исследуемый профиль шероховатости разбить на некоторое количество уровней h и определить частоту попадания в каждый уровень из условия:
hn< yj ≤ hn+1,
где hn, hn+1 – нижняя и верхняя границы уровня соответственно.
С использованием разработанной программы проведены исследования шлифованной поверхности стали Р6М5. Обрабатывали методом плоского врезного шлифования. Размер обрабатываемой поверхности 100×10 мм. В качестве абразивного инструмента использовали круги различной твердости и структуры типоразмера 1 200×20×76 характеристики 25AF120J8V5 (J8), 25AF120J10V5 (J10), 25AF120K7V5 (K7), 25AF120K9V5 (K9). Режимы шлифования: v = 28 м/с; vs = 12м/мин; t1 = 0,005 мм/ход; t2 = 0,015 мм/ход. Шлифование выполняли с применением СОЖ (3%-й раствор соды в воде) [7].
а б
Рис. 1. Распределение вершин зёрен, оставивших след на шлифованной поверхности,
при различных условиях обработки
Вариационный размах распределения контактирующих вершин зёрен по глубине профиля при шлифовании с t1 = 0,005 мм/ход меньше, чем при глубине t2 = 0,015 мм/ход.
С увеличением твердости от J до K при шлифовании с глубиной 0,005 мм/ход количество зёрен, оставивших след на обработанной поверхности, уменьшается, при глубине 0,015 мм/ход увеличивается в 1,1 раза.
С увеличением структуры круга твердостью J с 8 по 10 (рис. 1а) количество зёрен уменьшается: при глубине 0,005 мм/ход на высоте 3 мкм – в 1,2 раза, при глубине 0,015 мкм/ход количество зёрен одинаково для обеих структур. При сравнении результатов кругов К7 и К9 (рис. 1б) заметна такая же тенденция.
Наибольшее количество зёрен, оставивших след на обработанной поверхности, получено при шлифовании кругом J8 на глубине 0,005 мм/ход [8].
Для контролируемых параметров была разработана методика проведения испытаний, где обозначены условия и последовательность эксперимента, изложены методы измерений и обработки полученных данных.
Предложено, с использованием параметров шероховатости поверхности, определять и классифицировать зерна на контактирующие и режущие, в качестве контактирующих принято отношение единицы длины к среднему расстоянию между выступами профиля, в качестве режущих принято отношение единицы длины к среднему шагу неровностей профиля.
Количество наиболее выступающих или режущих зерен и количество контактирующих зёрен с увеличением глубины шлифования снижается, хотя Rmax при этом возрастает, то есть увеличивается толщина слоя рабочей поверхности круга, в которой распределены вершины зёрен.
Важным параметром рабочей поверхности абразивного инструмента является распределение вершин абразивных зёрен по высоте. Знание закона распределения вершин абразивных зёрен по высоте рабочей поверхности позволяет прогнозировать условия их взаимодействия с обрабатываемым материалом на микроуровне: определять величину внедрения абразивных зёрен в обрабатываемый материал; величину сечения среза на единичном зерне и вероятность перекрытия срезов различных зёрен; характер разрушения обрабатываемого материала.
Это в итоге позволяет прогнозировать параметры процесса шлифования – производительность и качество обработанной поверхности.
Общая закономерность изменения приведенного количества контактирующих зёрен от режимов шлифования, твердости и структуры инструмента не изменилась, но влияние всех факторов стало более существенным.
Предприятия, применяющие абразивный инструмент, должны иметь технически обоснованные нормы его расхода. Нормы расхода используются при рассмотрении предприятиями потребности в покупном абразивном инструменте, в снабженческо-сбытовых организациях, а также при планировании собственного производства абразивного инструмента для обоснования потребности в абразивных материалах.
Нормы направлены на сокращение расхода абразивного инструмента, упорядочение и установление оптимальных условий его использования. Расчет нормы расхода инструмента по операционному методу осуществляется для производств, применяющих технологические карты, определяющие номенклатуру, режимы и время работы инструмента, а также при проектировании новых технологических процессов.
Исходными данными для расчета являются: материал обрабатываемой детали; размеры обрабатываемых поверхностей, величины припусков на обработку; основное (машинное) время обработки детали; квалитет; типоразмер и характеристика абразивного инструмента; правящий инструмент; вид шлифования; вид СОЖ.