Интенсивность съема металла

При шлифовании в съеме металла принимает участие многочисленная совокупность вершин абразивных зерен. При этом одновременно участвует в обработке значительное число зерен, часть из которых, проходя зону контакта, производит резание и снимает единичные стружки, определяющие производительность процесса шлифования. В связи с этим оценку производительности процесса шлифования производят по совокупному съему металла режущими зернами в зоне контакта или по характеристикам микрорезания единичного зерна, моделируя для него реальные условия шлифования.

Плотность контактирования уплотненного абразивного слоя с обрабатываемой поверхностью при камерной обработке значительно выше, чем при обработке инструментами со связанными абразивными частицами.

Съем металла производится за счет микрорезания выступами микрорельефа абразивных зерен, в результате чего имеет место весьма тонкое диспергирование металла. При этом образуются микроскопические стружки, по параметрам которых трудно дать точную относительную оценку производительности процесса. Поэтому более точной и удобной оценкой производительности является расчет массового съема металла на основании среднестатистических характеристик единичных режущих элементов и размеров царапин на обрабатываемой поверхности, оставляемых единичными микровыступами абразивных зерен.

В условиях микрорезания, когда размеры выступов микрорельефа малы, в процессе резания металла одновременно могут принимать участие несколько режущих кромок, т.е. микровыступов на каждом абразивном зерне.

При этом съем металла происходит преимущественно выступами микро- и субмикрорельефа поверхности абразивных зерен.

Одним из основных показателей процесса отделочно-зачистной обработки деталей в среде свободного абразива (виброобработка, центробежно-ротационная, центробежно-планетарная обработка, камерная обработка и другие) является производительность, оцениваемая интенсивностью съема металла с обрабатываемых поверхностей. При этом на съем металла влияет большое количество переменных факторов, характеризующих свойства обрабатывающих сред и материала детали, режимы и условия абразивного резания. Съем металла осуществляется при взаимодействии микро- и субмикрорельефа абразивных зерен с поверхностью обрабатываемой детали и может быть соответствующим образом смоделирован.

При внедрении в обрабатываемую поверхность и перемещении выступа абразивного зерна на поверхности образуется полуволна деформированного металла, часть которого удаляется в виде стружки (рис. 12.15).

Рис. 12.15. Схема внедрения единичного выступа абразивного зерна в поверхность детали

Примем допущение, что в плоскости сечения полуволной является окружность с радиусом r_j, форма которой сохраняется при изменении углаjв диапазоне 0£j£p(рис. 12.16).

Характер изменения радиуса этой окружности от угла jможно представить графически в виде, приведенном на рис. 12.17.

Рис. 12.16. Характер изменения радиуса окружности полуволны деформированного металла от угла φ

Рис. 12.17. Зависимость изменения радиуса окружности полуволны деформированного металла от угла φ

Аналитически зависимость радиуса r_jот углаjбудет иметь вид:

2r_j=kj,

где k– коэффициент пропорциональности.

Проверка граничных условий при j₁= 0 ипоказала, чтоr_j изменяется в диапазоне 0£2rj£2r. В этом случае. (см. рис. 12.17). После преобразования получаем, что.

Площади фигур, приведенных на рис. 12.15 при условии стабильного микрорезания, начиная с , определяются следующим образом:

(12.13)

, (12.14)

где b_е– угол сдвига;;h_д– динамическая глубина внедрения зерна,K_д– коэффициент динамического внедрения, изменяющийся в зависимости от материала и нагрузок, в диапазоне 0,65…0,9;h_ст– статическая глубина внедрения зерна.

Соответственно объемы фигур, образованных в сечении металла, на рис. 12.15 найдем по следующим выражениям.

Для фигуры 1:

.

Элементарный объем

(12.15)

Для фигуры 2:

.

Элементарный объем

После проведения соответствующих преобразований получим

. (12.16)

Для фигуры 3:

;

Величина является величиной пренебрежимо малой, тогда окончательно получим

(12.17)

В случае, если плоскость сечения полуволны моделируется сегментом (см. рис.12.16), имеем

. (12.18)

Объемы фигур при этом не изменяются и определяются по зависимостям, приведенным выше.

Суммарный деформируемый объем будет

. (12.19)

Таким образом, зная суммарный объем деформированного металла, равный объему царапины, геометрические параметры абразивных частиц, физико-механические характеристики обрабатываемого материала, коэффициент стружкообразования K_с, а также режимы и условия обработки, можно определить съем металла и прогнозировать производительность отделочно-зачистной обработки деталей свободным абразивом.

По известным характеристикам процесса субмикрорезания единичным зерном, физико-механическим свойствам обрабатываемого материала и материала абразивных частиц, а также режиму резания, времени обработки и условиям обработки можно дать оценку производительности процесса съема металла совокупностью абразивных зерен.

При обработке наружных поверхностей деталей типа тел вращения в статически уплотненной внешним давлением абразивной среде величину съема металла найдем по выражению

, (12.20)

где n₀ – число оборотов детали, мин^–1; r₀ – радиус детали, м10^–3; e_н – коэффициент навалов; K_ш – коэффициент, учитывающий влияние исходной шероховатости обрабатываемой поверхности (значения коэффициентов K_ш приведены в табл. 12.5); K_ж – коэффициент, учитывающий влияние жидкой фазы абразивной суспензии; r_м – радиус округления выступа единичного зерна; r – плотность обрабатываемого материала; b₀ и h₀ – соответственно ширина и глубина царапины, оставляемой единичным микровыступом абразивного зерна с исходным микрорельефом на исследуемом материале в средней части абра зивного слоя; t – время цикла обработки деталей.

Суммарное количество зерен N_åна дуге контакта определяется следующим образом:

, (12.21)

где r₀– радиус детали;В_д– диаметр обрабатываемой детали;n₁– число зерен в единице массы уплотненного абразивного слоя;r_h– плотность абразива.

Таблица 12.5 – Значения коэффициентов шероховатости K_шв зависимости от исходной шероховатости поверхности и времени обработки

Исходная шероховатость поверхности образца Ra (Rz), мкм	Значения коэффициента после обработки при t, мин				Среднее значение Kш
	2	4	6
0,16	1	1	1		1
0,63	1,143	1,226	1,100		1,16
2,5…3,2	1,226	1,405	1,247		1,29
(80)	1,390	1,607	1,399	1,46

При внедрении абразивных зерен в обрабатываемую поверхность и их относительном движении возникают силы резания, определяющие характер относительного положения абразивных зерен. Если сила резания превысит силу нормального давления абразивного зерна на обрабатываемую поверхность, то оно повернется к этой поверхности другой гранью или вершиной. При этом, поскольку абразивные частицы находятся в уплотненном слое в состоянии плотной упаковки, изменение положения

одного зерна может привести к относительному смещению граничащих с ним зерен. В этих условиях абразивные частицы могут занимать в зоне контакта произвольное положение по отношению к обрабатываемой поверхности. Было установлено, что расположение зерен на обрабатываемой поверхности носит равновероятный характер, если рассматривать не единичное зерно, а их совокупность в уплотненном состоянии. Следовательно, абразивные зерна могут контактировать с обрабатываемой поверхностью любой вершиной, ребром и гранью с равной вероятностью.

При повороте абразивных частиц в процессе резания имеет место частичное скалывание и выкрашивание отдельных вершин. При этом микропрофиль зерен обновляется и его режущие свойства поддерживаются на постоянном уровне.

Поворот абразивных частиц способствует повышению величины съема металла при обработке, которое учитывается коэффициентом поворота Y. Но в то же время все повороты частицn_ппрактически реализуются. Число поворотов абразивных частиц определяется как

, (12.22)

где F_эл ч– площадь поверхности частицы, моделируемой эллипсоидом вращения;p а₁с₁– площадь эллипса контакта частицы с обрабатываемой поверхностью детали.

Величину коэффициента поворота частиц в первом приближении можно определить следующим образом:

, (12.23)

где – вероятность поворота абразивного зерна в виде эллипсоида вращения вокруг его продольной оси;di⁰– возможное число контактов зерна при повороте его вокруг его продольной горизонтальной оси;di– общее количество положений абразивного зерна при его повороте;P_i– вероятность поворота зерна в вертикальное положение (0£P_i£1);m– окружности выступов.

Кроме того, на съем металла влияет коэффициент K_у. Происходит увеличение режущей способности частиц за счет мельчайших сколов микрорельефа, что учитывается коэффициентомK_y.

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

. (12.24)

Глубину внедрения абразивного зерна в обрабатываемую поверхность с учетом его формы можно определить более точно по выражению

.

Однако при определении величины съема металла при перемещении абразивного зерна после его внедрения в обрабатываемую поверхность необходимо учитывать не статическую глубину внедрения h_ст, а динамическое внедрениеh_д, которое может быть учтено коэффициентомK_д,_, т.е.

,

где K_д– коэффициент динамичности, характеризующий соотношение глубин внедрения и определяемый экспериментально.

Проведенные исследования позволили оценить особенности и возможности шпиндельной обработки деталей. при дозированной или порционной загрузке абразивной смеси.

После нескольких минут обработки исходный микрорельеф абразивных частиц заменяется рабочим микрорельефом, а дальнейший съем металла до конца цикла обработки будет определяться параметрами этого микрорельефа.

В этом случае шероховатость обработанной поверхности и съем металла будут определяться воздействием на рабочую поверхность абразивных зерен с рабочим микрорельефом и мельчайших сколов зерен, образующихся в результате их выкрашивания при трении между соседними зернами и о поверхность обрабатываемой детали.

Мельчайшие сколы являются продуктами износа абразивных зерен. При этом происходит процесс, аналогичный выхаживанию поверхности, что позволяет получить обработанную поверхность с более высокими качественными характеристиками.

В качестве примера приведем расчет производительности обработки наружных поверхностей деталей в уплотненной абразивной среде.

Используем образцы колец из стали 45, с наружным диаметром D=510^–2м, закаленные до твердости 60…63HRC.

Обработку будем производить абразивом 14АF16 при давлении сжатого воздуха на эластичную оболочку камеры с обрабатывающей средойР= 0,15 МПа.

Подставив следующие значения в формулу для съема металла (12.24), получим:

r= 7,8·10^–3кг/м³;K= 1 –e_н= 0,95;D= 5·10^–2м;t= 1,5 мин;n_o= 382 мин^–1;м/с;r_м= 0,36·10^–6м;y= 1,2;K_у= 1,3;K_ш= 1,29;K_ж= 1,5;N_å= 565;h_o= 0,36·10^–6м;Z= 125.

=350 мг= 0,3510^–3кг.

Так как съем металла происходит равномерно по обрабатываемому контуру, то в перерасчете на линейную величину он составит:

мкм = 0,056 мм.

Соответственно удельный съем металла найдём по выражению:

мг/см².

Таким образом, по известным характеристикам процесса микрорезания единичным зерном, физико-механическим свойствам обрабатываемого материала, режимам резания можно дать оценку его производительности, а следовательно, и съема совокупностью абразивных зерен.

Для дифференцированной оценки съема металла на деталях сложной формы обрабатываемую поверхность можно представить как набор фрагментов поверхностей различной формы. В этом случае суммарный съем со всей обрабатываемой поверхности можно определить по следующей зависимости:

(12.25)

где Q_å– суммарный съем с поверхности детали, мг;q₀ – съем с участка дуги окружности поверхности детали, мг/см²;q_п– съем с плоского фрагмента поверхности детали, мг/см²;– соответственно площади участка дуги окружности и плоского фрагмента поверхности детали, см²;q_к– съем с кромок, мг;n, m, l – соответственно количество неплоских, плоских фрагментов и кромок на детали.

Величину съема металла с кромок определим по выражению

, (12.26)

где L_к– длина кромки;r– плотность материала детали;a– угол между поверхностями, образующими кромку;h– высота слоев металла, удаляемого с кромки при обработке.