Силы и мощность резания

При шпиндельной абразивной обработке, в отличие от центробежнопланетарной, отсутствуют ударное взаимодействие абразивных частиц с поверхностью обрабатываемой детали и интенсивная циркуляция частиц в уплотненном инерционными силами обрабатывающем слое. Поэтому разрушение абразивных частиц от действия прижимающей силы Р_Nмаловероятно. Однако общий характер контактного взаимодействия абразивных частиц с обрабатываемой поверхностью сохраняется. Схема контакта единичного зерна с обрабатываемой поверхностью при шпиндельной обработке, аналогичная схеме шлифующего зерна по Е. Н. Маслову, представлена на рис. 12.18. В соответствии с этой схемой вершина зерна аппроксимирована радиусом ρ. При этом микровыступыМи субмикровыступыNвыполняют роль самостоятельных режущих элементов. При малой глубине внедренияhвершины абразивного зерна в металл угол резания δ_кприближается к 180°, что делает процесс резания невозможным. Однако с увеличением глубины внедрения с ростом силыР_N, прижимающей частицу к поверхности детали, фактический угол резания уменьшается и происходит переход от пластического деформирования к микрорезанию. При этом на абразивное зерно будут действовать нормальная силаРи сила тренияR. Эти силы можно приложить в точке К в середине дуги контактирования зерна с обрабатываемой поверхностью.

Рис. 12.18. Схема контактного взаимодействия единичного абразивного зерна с поверхностью детали при шпиндельной обработке: М– микровыступ;N– субмикровыступ; ρ – радиус округления вершины зерна; γ_ки δ_к– передний угол и угол резания в точке контакта К

Проецируя силы Р иRна направления осейZиY, определим силуР_y, прижимающую абразивное зерно к обрабатываемой поверхности, иР_z, которая производит микрорезание, по соотношениям после преобразований в виде:

Тогда выражения для определения нормальной силы Ри срезающей силыР_zпримут вид:

где γ_к– передний угол в точке К контакта абразивного зерна с поверхностью металла;f– коэффициент трения скольжения абразивных частиц по обрабатываемой поверхности.

Экспериментальные значения тангенциальной составляющей силы резания Р_zиспользовались в соотношениях (12.1), (12.2) и (12.3) при рассмотрении равновесия абразивных частиц в зоне контакта с обрабатываемой деталью.

Учитывая, что в реальных условиях обработки контактирование абразивного зерна с поверхностью обрабатываемой детали носит вероятностный характер, так как зерно может контактировать одновременно несколькими вершинами, то величина нормальной нагрузки Р_Nна вершину уменьшается в несколько раз. Поэтому в исследуемом процессе превалирующую роль в съеме металла могут играть микро- и субмикровыступы абразивных зерен. При этом их механическая прочность оказывается существенно ниже, чем основных выступов. Установлено, что при многократном использовании абразива происходит уменьшение размера абразивных частиц вследствие как абразивного воздействия на обрабатываемую поверхность, так и трения абразивных частиц между собой. В процессе обработки происходят скалывание и округление острых вершин и углов и изменение микрорельефа поверхностей абразивных зерен, что приводит к изменению режущей способности совокупности абразивных частиц в целом. На рис. 12.19 приведены результаты экспериментальных исследований стойкости шлифовального материала на удельный съем металла в единицу времени. Установлено, что при многократном использовании абразива в камере в течение 24 ч происходит снижение приведенного удельного съема металла. При этом более мелкий абразивный материал обеспечивает меньшую производительность обработки.

q,мг.см²

Рис. 12.19. Влияние стойкости абразива на удельный съем металла (условия обработки: абразив 14А; материал детали – сталь 45; нитроцементация; 61…63 HRC_э;V_д= 2,2 м/с;р= 0,09 МПа): 1 – зернистость F40; 2 – зернистость F30

Снижение режущей способности при многократном повторном применении шлифовального материала можно объяснить износом абразивных частиц и притуплением вершин и острых граней.

Для выяснения характера износа абразивных зерен были проведены электронно-микроскопические исследования рельефа зерен после обработки.

На рис. 12.20,а приведена при увеличении 100^Х вершина одного из абразивных зерен, проработавшего в камере более 24 ч. Контур вершины зерна заметно округлился, и на нем практически отсутствуют микровыступы, что объясняется сколами микровыступов при резании и трении между абразивными частицами при движении их вслед за вращающейся поверхностью детали в уплотненной внешним давлением массе частиц.

Однако фотография этого же участка вершины абразивного зерна при увеличении 3000^Х (рис. 12.20,б) свидетельствует о наличии развитого субмикрорельефа даже на сглаженном участке сферической поверхности изношенного зерна. Следовательно, при контакте округленной вершины, прижатой усилием Р_N к поверхности детали, будет происходить съем металла с образованием стружки значительно меньшей дисперсности.

а) б)

Рис. 12.20. Электронно-микроскопические фотографии округленной вершины абразивного зерна после 24 часов обработки в камере при увеличениях: а) Х100; б) Х3000

Следует иметь в виду, что далеко не все абразивные зерна в камере приобретают столь ярко выраженное скругление вершин, как это показано на микрофотографии (см. рис. 12.20,а), а образующиеся сколы микро- и субмикровыступов могут выполнять роль самостоятельных режущих элементов. Поэтому в целом шлифовальный материал сохраняет довольно высокую работоспособность и после 24 ч непрерывной работы.

Циклическое разуплотнение шлифовального материала, которое применяется для обработки закаленных деталей, способствует перемешиванию абразивных зерен в объеме камеры и обновлению их в зоне контакта с деталью, что позволяет поддерживать режущую способность абразивных частиц на достаточно стабильном уровне.

Установлено (см. рис. 12.19), что для поддержания режущей способности абразива в камере на постоянном уровне достаточно один раз в 2…3 смены (через 16…24 ч работы) производить корректировку состава путем добавления свежего абразивного материала в камеру. Снижение эффективности обработки происходит главным образом за счет уменьшения размеров частиц. Поэтому отработанный абразив подвергают магнитной сепарации при обработке деталей из конструкционных сталей, сортируют путем просева через сита и крупные частицы повторно используют для обработки.

Шлам и отработанный абразив утилизуются и могут использоваться в качестве добавки в сырье при выполнении строительных работ (приготовлении бетона или изготовлении кирпича).

Выполненные исследования стойкости абразивных зерен согласуются с результатами исследований, в соответствии с которыми износ абразивных материалов происходит в результате хрупкого разрушения кристаллов, что приводит к образованию нового микрорельефа абразивных частиц.

При любом виде абразивной обработки важно знать мощность, необходимую для резания. В результате контактного взаимодействия рабочей поверхности абразивного инструмента с обрабатываемой поверхностью возникают силы резания. Выше было показано, что каждое зерно при обработке снимает ничтожно малую стружку и сила резания единичным зерном незначительна по величине, но с учетом того, что с поверхностью детали одновременно контактирует большое количество зерен, суммарная сила резания может достигать значительной величины. Это необходимо иметь в виду для определения мощности привода шпиндельных устройств и оценки тепловых процессов в зоне контакта детали с уплотненной абразивной средой.

Зная величину контактного давления и площадь контактирования, результирующую силу резания Р_рпри вращении детали в уплотненной абразивной среде найдем по соотношению

, (12.27)

где р_а– внешнее давление на абразивные частицы; S_н– площадь наружной поверхности детали, контактирующая со шлифовальным материалом;f– коэффициент трения абразивных частиц по металлу детали;n_k – количество одновременно обрабатываемых деталей.

При трении абразива о сталь величина коэффициента fможет быть принята равной 0,2…0,25 при сухом трении и 0,15…0,2 – при трении со смазкой. Приближенно величину коэффициента тренияf можно также определить по соотношению, предложенному И.В. Крагельским:

.

Анализ выражения (12.22) показывает, что основным технологическим фактором шпиндельной камерной обработки, определяющим силу резания, является величина внешнего давления.

Для определения эффективных технологических режимов обработки важное значение имеет мощность, потребляемая приводом устройства, которая позволяет косвенно оценить и результирующую силу резания, учитывая нестабильность коэффициента трения f.

Мощность резания N_p, Вт, необходимую для абразивного резания, найдем по выражению

(12.28)

где M_p=P_p0,5D– момент резания, Нм; ω – угловая скорость вращения детали на оправке, с^–1.

Экспериментально величина мощности резания определялась по стандартной методике с помощью измерительного комплекса К – 50 путем определения эффективной мощности, потребляемой электроприводом шпинделя на преодоление рабочей нагрузки, по разности мощностей рабочего и холостого хода.

Экспериментальные и расчетные(по выражению (12.28) значения мощности резания для различных угловых скоростей вращения детали и при переменном внешнем давлении приведены в табл. 12.6.

При исследовании использовались закаленные до твердости 61...63 HRC прядильные кольца со сложным профилем поверхности, которые пакетом из десяти штук устанавливались на оправку. Приведенные в табл. 12.6 значения являются средними величинами по результатам пяти измерений.

Таблица 12.6 – Мощность абразивного резания при шпиндельной камернойобработке (шлифовальный материал 14АF40, D = 0,068 м, S_H = 3090 мм², f ≈ 0,2, n_k= 10)

Внешнее давление на абразивные частицы ра, МПа	Угловая скорость вращения детали ωд, с–1	Экспериментальное значение мощности резания , кВт	Расчетное значение мощности резания , кВт
0,1	20	0,380	0,412
0,05	20	0,180	0,206
0,1	30	0,575	0,618
0,05	30	0,280	0,309
0,1	40	0,812	0,824
0,05	40	0,380	0,412
0,1	50	0,945	1,03
0,05	50	0,495	0,515
0,1	60	1,115	1,236
0,05	60	0,575	0,618

Результаты исследований, приведенные в данной таблице, показывают, что величина расчетных значений мощности несколько превышает экспериментальныезначения, причем во всем исследованном диапазоне угловых скоростей вращения детали и параметрах внешнего давления. Величина расхождений не превышает 15% и объясняется тем, что величина коэффициента тренияf между обрабатываемыми поверхностями деталей и шлифовальным материалом зависит от многих факторов и может колебаться в определенном диапазоне.