Влияние смазочно-охлаждающей технологической среды на стружкообразование при шлифовании металлов

УДК 621.92

А.В. Славин ВЛИЯНИЕ смазочно-охлаждающей ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СРЕДЫ НА СТРУЖКООБРАЗОВАНИЕ ПРИ ШЛИФОВАНИИ МЕТАЛЛОВ

Рассмотрены основные аспекты стружкообразования при абразивной обработке металлов с позиции неравновесной

термодинамики. Определена роль структуры и состава смазочноохлаждающей технологической среды (СОТС), в рамках ее влияния на процесс диспергирования металла и засаливания абразивного

инструмента.

Шлифование металлов, состав смазочно-охлаждающей

технологической среды, стружкообразование.

A.V. Slavin

OIL-COOLING PROCESS MEDIUM INFLUENCE

ON THE CHIP PRODUCTION DURING METAL GRINDING

In the article below the main aspects of chip production in the abrasive metal working had been viewed from the position of non-equilibrium thermodynamic. The role of oil-cooling process medium structure and composition had been defined, through its influence on the process of metal dispersing and abrasive tools glazing.

Metal grinding, oil-cooling process medium structure, chip formation.

Процесс шлифования металлов представляет собой сложный комплекс

взаимосвязанных явлений: механических, физико-механических, которые

предопределяют основные показатели: режущую способность и стойкость инструмента, шероховатость обработанной поверхности, точность геометрических параметров

заготовки.

Реальный резерв повышения качества абразивной обработки - применение оптимального состава СОТС. Многочисленные исследования в области совершенствования составов СОТС для операций шлифования позволили создать высокоэффективные технологические жидкости, обеспечивающие высокие

производительность и качество обработки [1, 2, 3]. Вместе с тем в настоящее время отсутствует научно обоснованная методология проектирования состава СОТС для операций шлифования различных металлов.

Причиной этому служит недостаточная изученность явлений, протекающих в зоне контакта инструмента и обрабатываемой детали. Проведенные нами исследования [4, 5] позволили описать механизм контактного взаимодействия шлифовального круга и обрабатываемой заготовки с учетом влияния СОТС.

Представляет интерес исследование механизма действия СОТС на процесс стружкообразования при шлифовании. В рамках общепринятых представлений [1] действие СОТС сводится к обеспечению смазывающего, моющего, охлаждающего эффектов. Вместе с этим в настоящее время отсутствует единое мнение о механизме 64

действия СОТС при абразивной обработке, это усложняет процесс создания новых составов технологических сред для операций шлифования.

Явления, протекающие в зоне шлифования, с точки зрения поведения системы «СОТС - продукты диспергирования», были рассмотрены нами ранее [5]. Рассмотрим механизм стружкообразования при шлифовании с СОТС.

Взаимодействие абразивного зерна и металла при шлифовании характеризуется высокой скоростью, что приводит к концентрации тепловой энергии в узкой зоне пор перед режущим элементом, вызывающей локально-концентрированный сдвиг элемента стружки. По Л.Н. Филимонову [6], образование стружек при шлифовании носит адиабатический характер. По данным [6, 7], отделение стружки при шлифовании регламентируется соотношением глубины внедрения зерна (И) к радиусу закругления его вершины (р). Процесс шлифования характеризуется малым временем взаимодействия зерна и металла (10-5-10-4) с ударными нагрузками, высокими температурами в контакте. Время контакта абразивного зерна и металла при шлифовании абразивного зерна и металла при шлифовании 10-5-10-4 с дает основание для рассмотрения процесса с позиций теории удара твердых тел [8].

Согласно [8], существует критическая ударная скорость Укр, вызывающая напряжение ат, равное предельному напряжению аЪ при растяжении металла. Критическая скорость определяется из уравнения [8]:

=\

Х Х о с

где X - плотность металла; о - напряжение сдвига; с - скорость распространения пластической волны.

При скоростях нагружения металла, меньших скорости распространения пластической волны, материал проявляет пластические свойства, и его поведение описывается с позиций механики пластического деформирования [9].

Ударное взаимодействие твердых тел характеризуется перераспределением энергии и возрастанием энтропии. При динамическом деформировании твердых тел уравнение энтропии имеет вид [10]:

5 = у,+ С, Ш + Ц,

V То у

где С, - удельная теплоемкость при постоянной температуре; Т0 и Т - начальная и конечная температуры;

у =

где Ь и 1 - коэффициенты Ламе; аі - коэффициент линейного термического расширения. Уравнение для температурного ударного сжатия металла запишется в виде [11]:

+ ВТ---------^^ = 0,

с1Ж С ( Ж}

1 - Ъ 1 - —

ж

V п0 у

где Ж и Ж0 - начальный и текущий удельные объемы; С - коэффициент теплоемкости металла; Р - давление; Ъ - параметр адиабаты.

Графическое решение (4) представлено на рис. 1 [11].

Как следует из рис. 2, при ударно-волновом разогреве влияние температуры на давление значительно интенсивнее.

Следствием контактного взаимодействия абразивного зерна и металла является образование диссипативной структуры, существование которой поддерживается за счет обмена энергией и веществом с окружающей средой.

В рамках неравновесной термодинамики Пригожина - Гленсдорфа [12], [13] наряду с уравнением баланса для изменения энтропии системы dS = dS0 + dSl + РdSe - поток

энтропии окружающей среды dSi > 0 - производство энтропии внутри системы вводится новое уравнение баланса. Общий критерий устойчивости системы определяется производством обобщенной избыточной энтропии 2

о[Ы]= |о[о2\1¥ > 0,

где о - локальное производство обобщенной избыточной энтропии в объеме V.

Рассмотрим движение абразивного зерна, внедрившегося в обрабатываемый металл [14, 15] (рис. 2).

Р,

1

2

/

/

//

и 100 200 300 А Т, °С

Рис. 1. Влияние температуры ударного сжатия на давление:

1 - ударно-волновой разогрев; 2 -деформационный макроразогрев [11]

/У\ Гу

/ / // / \У 2/2

/У/ у У/. / // 2

б

Рис. 2. Взаимодействие абразивного зерна и обрабатываемого металла при шлифовании

металла:

а - продольный профиль риски, оставляемой абразивным зерном; б - поперечный профиль риски, оставляемой абразивным зерном; Рр - площадь поперечной риски; Лр - глубина внедрения абразивного зерна; ЛН - высота бокового навала риски; и Г2 - площади навалов;

р - средний радиус закругления вершины зерна; V - скорость перемещения абразивного зерна;

Ьп - ширина в фронтальной проекции

а

В соответствии с представлениями [14, 15] (рис. 2) результатом контактного взаимодействия единичного зерна с обрабатываемой поверхностью является образование навалов как следствия пластического деформирования металла. С учетом того, что в реальном процессе шлифования одновременно взаимодействует с обрабатываемой поверхностью значительное количество абразивных зерен, картина, представленная на рис. 2, идеализирована.

Необходимо заметить, что форма абразивных зерен имеет широкий диапазон колебаний, что делает всякие попытки описания механизма стружкообразования с позиций микрогеометрии контакта малоэффективными.

В рамках существующих представлений о механизме диспергирования металла шлифовальным кругом, материал в контакте с абразивным зерном в течение 10-4 с переходит из твердого в вязкопластическое состояние.

Согласно [16], образование стружки происходит по боковым частям абразивного зерна (рис. 2), как следствие течения металла, находящегося в пластическом состоянии. Резкое возрастание избыточной энтропии в боковых навалах ^ и ¥2 (рис. 2) стимулирует процесс экзоэлектронной эмиссии.

Проведенные нами исследования [5] процессов, протекающих в контакте «круг -деталь», показали, что при шлифовании продукты диспергирования металла и износа инструмента при взаимодействии с СОТС образуют коллоидную систему. При течении данной системы через контактную зону происходит формирование слоя засаливания из микростружек в межзеренном пространстве и налипание частиц металла на вершины абразивных зерен. В результате этого нивелируется режущий профиль инструмента, меняется соотношение глубины внедрения абразивного зерна к радиусу закругления его вершины и, как следствие, изменяются кинематика и динамика стружкообразования. Наличие пленки СОТС в контакте «абразивное зерно - металл» изменяет характер фрикционного взаимодействия данной пары.

Вследствие высокой скорости деформации металла абразивным зерном он переходит в пластическое состояние. При этом между напряжением и деформацией существует зависимость:

V

о = Е—,

С0

где Е - модуль Юнга; V - скорость деформации; с0 - скорость звука в вакууме.

Ранее нами [17] было показано, что интенсивность адгезионного взаимодействия абразивного зерна и обрабатываемого металла зависит от величины ионизационного потенциала СОТС. С ростом эмиссии электронов СОТС снижается интенсивность налипания металла на абразивное зерно.

Проведенные нами экспериментальные исследования показали, что с ростом глубины внедрения абразивного зерна налипание на него металла снижается. В этом случае возрастает объем навалов, наблюдаются рост энтропии, увеличение числа эмитирующих электронов и, как следствие, интенсификация ионизации пленки СОТС в контакте «зерно - металл».

В условиях граничного трения определено влияние состава СОТС на коэффициент трения абразивного зерна (А1203) по стали (ШХ15, ИЯСэ 58 ... 62) при скорости 50 м/с.

Из таблицы следует, что коэффициент трения А1203 снижается по мере роста эмиссии электронов СОТС. Это относится и к случаю, когда абразивное зерно покрыто налипшим металлом, что следует из данных во втором столбце коэффициента трения (А1203 + ШХ15) по ШХ15 (см. таблицу).

Влияние состава СОТС на коэффициент трения А1203 по стали ШХ15

Состав СОТС Коэфс эициенттрения

1 ю 31 о X — ^ (А1203 + ШХ15) -ШХ15

Вода дистиллированная (эмиссия 5,00 имп/с) 0,25 0,45

Укринол 1-3%-ной концентрации в воде (эмиссия 6,00 имп/с) 0,11 0,16

Аквол 10-5%-ной концентрации в воде (эмиссия 7,00 имп/с) 0,11 0,18

ИХП45Э - 5%-ной концентрации в воде (эмиссия 9,00 имп/с) 0,09 0,15

Эксперименты выполнялись на специальном стенде по разработанной методике [17]. Наличие в составе СОТС: Укринол 1, Аквол 10, ИХП45Э, серы и хлорсодержащих компонентов, образующих на поверхности металла пленки с низким сопротивлением сдвигу и температурой, снижает коэффициенты трения. Коэффициент трения Л1203 по стали ШХ15 увеличивается пропорционально количеству налипшего на абразивное зерно металла. Такая закономерность объясняется тем, что на поверхности стали ШХ15 образуются одинаковые продукты взаимодействия.

Проведенные эксперименты показали, что СОТС, проникая в контакт «абразивное зерно - металл» при шлифовании подвергается ионизации потоком электронов, эмитирующих из пластически деформированного металла, что существенно изменяет коэффициент трения контактной пары и в конечном итоге отражается на процессе стружкообразования.

На основании изложенного можно отметить, что процесс стружкообразования металла при шлифовании протекает в условиях высокоскоростного сдвига. Ударное взаимодействие зерна и металла характеризуется перераспределением энергии и возрастанием энтропии (2). В условиях ударного сжатия микрообъема металла абразивным зерном (рис. 2) происходит ударно-волновой разогрев обрабатываемого материала, инициирующий эмиссию электронов, ионизирующих СОТС в зоне формирования навалов Е1 и Е2 (рис. 2).

В результате этого улучшается формирование навалов по бокам риски, т. е. в соответствии с [16] интенсифицируется стружкообразование при шлифовании.

ЛИТЕРАТУРА

1. Худобин Л.В. Смазочно-охлаждающие средства, применяемые при шлифовании / Л.В. Худобин. М.: Машиностроение, 1971. 240 с.

2. Ефимов В.В. Научные основы техники подачи СОЖ при шлифовании / В.В. Ефимов. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1985. 134 с.

3. Смазочно-охлаждающие технологические средства для обработки металлов резанием: справочник / под ред. С.Г. Энтемка. М.: Машиностроение, 1986. 360 с.

4. Шумячер В. М. Механохимические процессы управления процессом абразивной обработки с помощью СОТС / В.М. Шумячер, А.В. Славин // Новые химические технологии: производство и применение: сб. материалов Всерос. науч.-техн. конф. Пенза: ПДЗ, 1999. С. 89-91.

5. Славин А.В. Механохимические процессы взаимодействия абразивного инструмента и заготовки при шлифовании / А.В. Славин, В.М. Шумячер // Технология машиностроения. 2008. № 1. С. 29-33.

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

7. Прогрессивные методы абразивной обработки металлов / под ред. И.П. Захаренко. Киев: Техника, 1990. 152 с.

8. Голдсмит В. Удар. Теория и физические свойства соударяемых тел /

В. Голдсмит; пер. с англ. М.С. Лужиной и О.В. Лужина. М.: Изд-во литературы по строительству, 1965. 448 с.

9. Томсон Э. Машиностроение / Э. Томсон, Ч. Янг, Ш. Кобаяши. М.: Наука, 1968.

504 с.

10. Новацкий В. Динамические задачи термоупругости / В. Новацкий. М.: Мир, 1970. 236 с.

11. Стихановский Б.Н. Механика удара: учеб. пособие / Б.Н. Стихановский. Омск: ОмскГТУ, 2002. 200 с.

12. Гленсдорф П. Термодинамическая теория структуры, устойчивость и флуктуации / П. Гленсдорф, И. Пригожин. М.: Мир, 1973. 280 с.

13. Пригожин И. Биологический порядок, структура неустойчивости /

И. Пригожин, Ж. Николис // Успехи физических наук. 1973. Т. 3. С. 512-517.

14. Абразивная и алмазная обработка материалов / под ред. А.Н. Резникова. М.: Машиностроение, 1977. 384 с.

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

16. Шумячер В.М. Модель взаимодействия абразивного зерна и абразивного материала при шлифовании. Схема стружкообразования / В.М. Шумячер, А.В. Кадильников // Технология машиностроения. 2007. № 4. C. 18-22.

17. Славин А.В. Управление процессом шлифования на основе моделирования механо-химических явлений в зоне обработки: дис. ... канд. техн. наук / А.В. Славин. Саратов, 2000. 148 с.

Славин Андрей Вячеславович - Slavin Andrey Vyacheslavovich -

кандидат технических наук, доцент кафедры Associate Professor of the Department

«Технология обработки и производства of «Processing Technologies and Production

материалов» Волжского института of Materials» of Volga Institute

строительства и технологий

Волгоградского государственного of Volgograd University of Building

архитектурно-строительного университета and Architecture

Статья поступила в редакцию 28.04.10, принята к опубликованию 23.09.10