Влияние смазочно-охлаждающей жидкости на процесс стружкообразования при шлифовании металла

УДК 621.92

Б.М. Бржозовский, А.В. Славин ВЛИЯНИЕ СМАЗОЧНО-ОХЛАЖДАЮЩЕЙ ЖИДКОСТИ НА ПРОЦЕСС СТРУЖКООБРАЗОВАНИЯ ПРИ ШЛИФОВАНИИ МЕТАЛЛА

Приведены результаты исследования влияния смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ) на процесс стружкообразования при абразивной обработке.

Шлифование, абразивное зерно, деформации, трение, температура B.M. Brzhozovsky, A.V. Slavin

INFLUENCE OF LUBRICATING COOLING LIQUID ON PROCESS OF FORMATION OF SHAVING AT POLISHING OF METAL

The article provides the research data of the influence of lubricating and cooling liquid on the process of shaving formation during the abrasive treatment.

Polishing, abrasive grain, deformations, friction, temperature

Производительность и качество процессов шлифования металлов зависят от характера стружкообразования, являющегося результатом акта взаимодействия абразивного зерна и обрабатываемого материала. С позиций существующих представлений образование микростружек при шлифовании является следствием реализации условия h / р > 0,5 (h - глубина внедрения абразивного зерна; р -радиус вершины закругления абразивного зерна) [1-3]. Однако такой подход не дает объяснения причины отделения стружки реальным абразивным зерном глыбообразной формы. Попытки описания микрорезания абразивным зерном наталкиваются на непреодолимую трудность, заключающуюся в том, что с позиций теории резания невозможно объяснить механизм формирования микростружки, так как угол резания тупой. Взаимодействие абразивного зерна и обрабатываемого металла при шлифовании приводит к налипанию последнего. В [4] показано, что интенсивность налипания металла на абразивное зерно увеличивается по мере повышения пластичности обрабатываемого материала.

Налипание обрабатываемого металла на абразивное зерно приводит к изменению его геометрии. Согласно [4], налипание СОЖ в контакте «абразивное зерно - металл» изменяет фрикционные характеристики образовавшейся пары.

По данным [5], замедление процесса адгезии микростружки к абразивному зерну происходит при использовании абразивного материала с повышенной способностью к эмиссии электронов.

Анализ изложенного послужил основой для проведения исследований по определению влияния СОЖ на процесс стружкообразования, результатом которых может явиться разработка рекомендаций по подбору ее оптимального состава.

Рассмотрим взаимодействие абразивного зерна и обрабатываемой поверхности заготовки при шлифовании. Согласно [4] время контакта абразивного зерна с заготовкой составляет (1 г 5) • 10-5 с. При врезании абразивного зерна в металл в нем возникают зоны текучести [3]. Удельная мощность взаимодействия абразивного зерна и обрабатываемого металла при шлифовании определится из зависимости

Nуя= КРу В • v • вШ а,

где KpV - коэффициент, учитывающий рост давления в контакте «зерно - металл»; св - временное сопротивление разрушению обрабатываемого металла; а - средний угол наклона контакта абразивного зерна к поверхности заготовки; у - скорость резания.

При ударном взаимодействии абразивного зерна и заготовки, в поверхностном слое которой образуются зоны текучести, возникает неустойчивость и локализация пластической деформации. Основными гипотезами, объясняющими это явление, служат предположения о разупрочнении металла, связанном с влиянием скорости деформации, температуры, диссипации энергии на структурные изменения [6].

В работах школы академика В.Е. Панина развивается представление о деформируемом твердом теле как о многоуровневой системе, в которой пластическое течение рассматривается как эволюция потери сдвиговой устойчивости на микро-, мезо- и макроуровнях. На микромасштабном уровне генерируются скопления дислокаций на плоскостях кристаллографического скольжения. Мезомас-штабный уровень формируется в виде мезополос пластического течения. На макромасштабном уровне развиваются макрополосы локализированного пластического течения. Исследование полос адиабатического сдвига [6], показало, что источник их формирования - скачкообразные процессы в системе микросдвигов и пластических ротаций с изменением ориентации зерен в металле.

Результатом высокоскоростного взаимодействия зерна и обрабатываемого металла (скорость деформации £ ~ 104 —106) является резкое падение сопротивления сдвигу на 2-3 порядка, которое выходит на асимптотическую зависимость [6]. При этом эффективная вязкость среды может быть представлена в виде [6]:

I — I Р

_ „ТМ „Р „тм _ 1 1 1 21 ¡к

- Лэ • % , Лэ -------Р---------------------------------- ,

в1к

где Рк - тензор, характеризующий интенсивность и преимущественную ориентацию микросдвигов;

Р

ск, е^к - тензоры напряжений и скорости пластических деформаций.

В [6] отмечается, что при данных скоростях деформаций для различных конденсированных сред (алюминий, свинец, вода, ртуть) вязкость имеет практически постоянное значение п ~ 104 Пз, что объясняется адиабатическим подчинением скорости деформации деформационной кинетике, обусловленной коллективными эффектами ансамблей микросдвигов в условиях ориентационного перехода.

Ранее проведенные исследования [7] механизма стружкообразования при шлифовании показали, что микростружка при шлифовании металла образуется вследствие возникновения ударной волны, возникающей в контактной пары «зерно - материал». Ударная волна, обладая значительной энергией, перемещается перед зерном и переводит металл в пластическое состояние, что в целом согласуется с вышеприведенными результатами исследований.

Таким образом, действие СОЖ на процесс стружкообразования при шлифовании необходимо рассматривать с учетом приведенных выше данных. По-видимому, действие СОЖ на механизм стружкообразования необходимо разделить на две составляющие. Первая составляющая - действие СОЖ в фрикционном контакте «зерно - металл». Вторая составляющая - влияние СОЖ на рельеф режущего профиля инструмента. Действие первой составляющей сводится к изменению свойств контактирующих поверхностей абразивного зерна и обрабатываемого металла, от которых будет зависеть интенсивность засаливания режущего элемента. Ухудшение отвода продуктов диспергирования из зоны шлифования приводит к нивелированию режущего рельефа круга и, как следствие, падению производительности обработки. Таким образом, действие СОЖ при шлифовании сводится к минимизации засаливания абразивного зерна и предотвращении заполнения межзеренного пространства шламом [8].

Современные представления о механизме контактных взаимодействий твердых тел выделяют три стадии: образование физического контакта, активизация соединения поверхностей и схватывание, объемное взаимодействие соединяемых материалов [9-11]. При движении абразивного зерна вдоль дуги контакта с обрабатываемым металлом при достижении критических значений давления и температуры [12, 13] начинается их взаимодействие через граничный слой смазки либо без него, что приводит к пластической деформации металла. Согласно [14], при движении индентора в среде пластически деформируемого металла происходит их прилипание.

Условие образования застойной зоны у границы индентора запишется [18]:

|1 [Я - агссоз 2с зіп Л],

л I 1 . п

где Л - угол трения на границе «металл - индентор»; с - константа I с = + —

Как следует из зависимости (3), изменение угла трения Л регламентирует условие прилипания индентора и металла, а, следовательно, и интенсивность засаливания абразивного зерна.

В [15] было показано, что при шлифовании вследствие адгезионных процессов на абразивном зерне формируется уплотненный слой металла, который изменяет геометрию абразива, и, как следствие, динамику контактного взаимодействия. Данный факт служит главной причиной изменения тензоров напряжений и скоростей пластических деформаций (2). Анализ проведенных исследований показывает, что СОЖ при шлифовании оказывает влияние на процесс стружкообразования через процесс трения в паре «абразив - металл». По этой причине введение в состав СОЖ компонентов, минимизирующих коэффициент трения, будет способствовать росту интенсивности диспергирования металла. С целью проверки данного положения нами были проведены исследования, которые сводились к определению съема металла при микрорезании единичным зерном из лейкосапфира на прецизионном круглошлифовальном станке 3Е12, оснащенном узлом микроподачи шлифовальной бабки, который обеспечивает подвод к образцу на один оборот диска с индентором, установленным на шпиндель станка вместо шлифовального круга. Обрабатывался валик цилиндрический из стали ШХ15 НИС3 62 ... 65. Для исключения влияния анизотропии зерен А1203 в зависимости от ориентации кристаллографических осей в каждом опыте использовали 20 зерен. С целью увеличения интенсивности налипания металла на А1203 на вершине зерна алмазным кругом образовывалась площадка 0 300 г 350 мкм. Микрорезание осуществлялось с подачей 6,5 • 10-3 мкм; 6,5 • 10-2 мкм; 6,5 • 10 мкм.

Определение ионизационного потенциала СОЖ проводили по методике, описанной в [8]. Исследование коэффициента трения А1203 по металлу проводили в режиме трения - скольжения согласно [8]. Как видно из рисунка, количество налипшего на зерно металла снижается с ростом величины эмиссии СОЖ и величины подачи.

Рост подачи абразивного зерна приводит к увеличению объема диспергируемого металла и времени их контакта. Рост объема диспергируемого металла (стружки) приводит к повышению мгновенной локальной температуры, усилению диссипации тепловой энергии, приводящей к разупрочнению обрабатываемости материала. При этом активизируется ионизация микрообъемов СОЖ не только в зоне контакта «абразив - металл», но и на некотором расстоянии от нее.

Рост температуры СОЖ способствует понижению ионизационного потенциала СОЖ. Суммарное действие этих факторов вызывает увеличение количества ионизированных молекул СОЖ, которые устремляются на ювенильные поверхности металла, образуя пленки, нивелирующие субмикрорельеф абразивного зерна, и минимизируют эффект схватывания. Как видно из (3), рост к вызывает снижение коэффициента трения абразива по металлу.

По ранее приведенной методике исследовали влияние продуктов взаимодействия СОЖ с абразивным зерном на коэффициент трения с обрабатываемым металлом. В данной серии опытов использовались единичные зерна А1203 после и до микрорезания стали ШХ15 в разных СОЖ для определения их коэффициента трения (табл. 1). Из табл. 1 видно, что для всех исследованных СОЖ коэффициент трения А1203 по ШХ15 после микрорезания больше, чем для зерен, не работавших в условиях микрорезания. Полученные данные по коэффициенту трения коррелируют со значениями величины эмиссии электронов СОЖ.

Наименование СОЖ Коэффициент трения АІ203 по ШХ15

неработавшие зерна зерна после микрорезания

2%-й водный раствор соды 0,28 0,88

3%-й водный раствор Укринол 1 0,22 0,84

2%-й водный раствор Аквол 2 0,24 0,82

5%-й водный раствор ЭГТ2 0,26 0,85

5%-й водный раствор Аквол 10 0,2 0,75

5%-й водный раствор ИХП45Э 0,17 0,45

Минимальный коэффициент трения А1203 по ШХ15 при применении СОЖ ИХП45 указывает на высокую эффективность антифрикционных присадок, обеспечивающих образование высокопрочных пленок на фрикционном контакте. Как видно из таблицы, при использовании СОЖ с большим значением эмиссии электронов снижается коэффициент трения как неработавших, так и работавших абразивных зерен.

Увеличение коэффициента трения абразива по металлу приводит к росту интенсивности засаливания и повышению теплонапряженности процесса шлифования, и, как следствие, к понижению режущей способности инструмента.

25 30 35 40 45 50 55 имп/с

Влияние величины эмиссии электронов СОЖ на количество налипшего на АІ2О3 металла при микрорезании стали ШХ15: А - 2 %-й раствор соды в Н2О; о - 3 %-й водный раствор концентрата Укринол-1; • - 2 %-й водный раствор концентрата Аквол-2; - 5 %-й водный раствор концентрата ЭГТ2;

х - 5 %-й водный раствор концентрата Аквол-10;  - 5 %-й водный раствор концентрата ИХП45Э;

1 - подача 6,510-3 мкм; 2- подача 6,510-2 мкм; 3- подача 6,510-1 мкм; 4- подача 6,5 мкм

На основании проведенных исследований можно отметить, что влияние СОЖ на процесс стружко-образования при шлифовании заключается в регулировании фрикционного взаимодействия пары «абразив - металл» путем формирования пленок из продуктов деструкции технологической среды, что отражается на динамике процесса. Установлено влияние величины эмиссии электронов СОЖ на интенсивность засаливания абразивного зерна. Засаливание абразивного зерна снижается по мере роста глубины внедрения абразивного зерна, что приводит к росту объема застойной зоны у передней поверхности, формированию ударной волны, приводящей к переводу металла в пластическое состояние.

ЛИТЕРАТУРА

1. Байкалов А. К. Введение в теорию шлифования материалов / А.К. Байкалов. Киев : Наукова думка, 1978. 207 с.

2. Прогрессивные методы абразивной обработки металлов / И.П. Захаренко [и др.]; под ред. И.П. Захаренко. Киев: Техніка, 1980. С. 84-87.

3. Филимонов Л.И. Высокоскоростное шлифование / Л.И. Филимонов. Л.: Машиностроение, 1979. 248 с.

4. Худобин Л.В. Минимизация засаливания шлифовальных кругов / Л.В. Худобин,

А.Н. Унячин; под ред. Л.В. Худобина. Ульяновск: УлГТУ, 2007. 298 с.

5. Кубасов П.У. Исследование засаливания абразивного зерна при микрорезании / П.У. Кубасов, В. Г. Бухановский, О.П. Фомовская // Смазочно-охладающие жидкости в процессах абразивной обработки : межвуз. науч. сб. Саратов : Изд-во Сарат. ун-та, 1986. С. 16-20.

6. Соковиков М.А. Автомодельные закономерности неустойчивости пластического сдвига при ударном нагружении / М.А. Соковиков // Математическое моделирование систем и процессов. № 11. 2000. С. 104-111.

7. Шумячер В.М. Модель взаимодействия абразивного зерна и обрабатываемого материала при шлифовании. Схема стружкообразования / В.М. Шумячер, А.В. Кадильников // Технология машиностроения. № 4. 2007. С. 18-21.

8. Славин А.В. Повышение эффективности процесса шлифования на основе моделирования меха-но-химических явлений в зоне обработки : дис. ... канд. техн. наук / А.В. Славин. Саратов, 2000. 153 с.

9. Каракозов Э.С. Соединение металлов в твердой фазе / Э.С. Каракозов. М. : Металлургия, 1975. 279 с.

10. Красулин Ю.Л. Взаимодействие металлов с полупроводником в твердой фазе / Ю.Л. Кра-сулин. М.: Наука, 1971. 120 с.

11. Метелкин И.И. Сварка керамики с металлами / И.И. Метелкин, М.А. Павлова, И.В. Поз-деева. М.: Металлургия, 1977. 160 с.

12. Трение, изнашивание и смазка: справочник: в 2 кн. Кн. 1 / под ред. И.В. Крагельского, В.В. Алисина. М.: Машиностроение, 1978. 400 с.

13. Трение, изнашивание и смазка: справочник: в 2 кн. Кн. 2 / под ред. И.В. Крагельского,

В.В. Алисина. М.: Машиностроение, 1979. 358 с.

14. Спасский М.Ф. Механизм резания металлических поверхностей зерном абразива с учетом пластического течения / М.Ф. Спасский, Ю.В. Ашкеров, Ю.И. Лохов // Оптико-механическая промышленность. № 3. 1983. С. 30-33.

15. Быкадорова О.Г. Повышение эффективности шлифования путем управления процессами взаимодействия абразивного зерна и обрабатываемого металла: дис. ... канд. техн. наук / О.Г. Быкадорова. Волжский, 2005. 120 с.

Бржозовский Борис Максович -

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Конструирование и компьютерное моделирование технологического оборудования в машино- и приборостроении» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Славин Андрей Вячеславович -

доцент кафедры «Технология обработка и производство материалов» Волжского института строительства и технологий (филиал) Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета

Boris M. Brzhozovskiy -

Dr. Sc., Professor,

Head: Department of Design and Computer-Aided Modelling of Processing Equipment for Mechanical and Instrument Engineering Gagarin Saratov State Technical University

Andrey V. Slavin -

Associate Professor

Department of Processing Technologies and Production of Materials, Volgograd university of building and architecture - Branch of Volzhsky Institute of building and technology

Статья поступила в редакцию 25.10.11, принята к опубликованию 01.02.11