Определение микропрофиля поверхности, образованной механической обработкой лезвийным и алмазно абразивным инструментом

УДК 676.029

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МИКРОПРОФИЛЯ ПОВЕРХНОСТИ, ОБРАЗОВАННОЙ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКОЙ ЛЕЗВИЙНЫМ И АЛМАЗНО-АБРАЗИВНЫМ ИНСТРУМЕНТОМ

А.С. Дударев

Приведены аналитические описания микропрофиля поверхности, образованной механической обработкой лезвийным и алмазно-абразивным инструментом.

Ключевые слова: полимерные композиционные материалы, лезвийная и алмазно-абразивная обработка, микропрофиль.

Качество поверхности - это совокупность всех служебных свойств поверхностного слоя материала.

В процессе изготовления и эксплуатации изделия из полимерных композиционных материалов (ПКМ) на его поверхности возникают неровности: изменяются структура и химический состав поверхностного слоя изменяются физико-химические и эксплуатационные свойства изделий [9].

Поверхностный слой оказывает существенное влияние на многие эксплуатационные свойства изделий: прочность, трение и износ, диэлектрические показатели, влагопоглощение и т.д. [9].

При механической обработке ПКМ происходит нарушение целостности поверхностного слоя как за счёт снятия имеющегося на поверхности отформованного изделия из ПКМ (например, оболочки, полученной методом намотки) слоя полимеризованного связующего, выполняющего защитную функцию от воздействия внешних факторов, так и за счёт перерезания армирующих волокон [3].

Поскольку качество поверхности является одним из важнейших факторов, обеспечивающих высокие эксплуатационные свойства изделий, целесообразно установление зависимости между геометрическими и кинематическими параметрами технологического процесса обработки и показателями качества поверхности.

При обработке ПКМ образуется такой микропрофиль поверхности, который зависит от структуры самого материала и от применяемых режимов резания.

Микропрофиль является геометрическим показателем качества поверхности и определяет такие эксплуатационные показатели изделий, как прочность, износостойкость, водопоглощение и т.п.

Одним их важнейших составляющих качества поверхности является её шероховатость - основная характеристика качества поверхности ПКМ, влияющая на различные эксплуатационные показатели изделий. Поэтому изучение шероховатости поверхности в целях разработки техноло-

гических рекомендаций по обеспечению её требуемого уровня является важной задачей, которая может быть решена двумя путями: теоретически и экспериментально.

Экспериментальное исследование микропрофиля поверхности ПКМ

- наиболее трудоемкий путь, так как для каждого нового типа ПКМ, для каждого вида механической обработки следует проводить полный комплекс экспериментальных исследований.

Теоретическое описание микропрофиля поверхности ПКМ связано с рядом сложностей, заключающихся в трудности учёта всех влияющих факторов и их математического описания.

Шероховатость поверхности ПКМ зависит от большого количества факторов, к числу которых относятся свойства обрабатываемого материала, в частности схемы армирования ПКМ, режимы резания, геометрические параметры режущего инструмента, износ инструмента, вид обработки, вибрации при резании и т.п.

Наибольшую группу шероховатых поверхностей составляют поверхности, обработанные лезвийным инструментом. К ним относят поверхности, полученные точением, фрезерованием, сверлением, строганием и другими видами механической обработки. Для этих видов механической обработки источником шероховатости служат регулярные периодические смещения режущего инструмента, генерирующие такие же регулярные неровности. Поэтому при обработке поверхности ПКМ лезвийным инструментом форму профиля неровностей определяют формой вершины режущего инструмента и кинематикой процесса резания. Кроме геометрических факторов (подачи, формы режущей кромки и других), на образование неровностей влияют физико-механические свойства обрабатываемого материала, его схемы армирования, скорость резания, шероховатость режущих кромок инструмента и его износ, а также наличие СОТС и другие факторы. Эти факторы могут существенно изменять форму поверхностей и значение параметров шероховатости [1].

При теоретическом описании профиля поверхности после лезвийной обработки разделение причин образования неровностей приводит к композиционной модели шероховатости поверхности, которая содержит две компоненты: систематическую и случайную [2].

Для обеспечения управления параметрами шероховатости в процессе обработки поверхностей необходимо установить связи между этими параметрами и технологическими факторами.

Функция, описывающая реальный профиль шероховатости поверхности,

Кх) = /

где / (х) - неслучайная периодическая функция, описывающая систематическую составляющую, которую определяют управляемыми факторами

технологическими процесса (кинематикой процесса и формой вершины режущего инструмента); у (х)- случайная функция, описывающая случайную составляющую профиля (её определяют как управляемыми факторами, так и неуправляемыми технологическими факторами процесса), может принимать тот или иной вид, ранее неизвестный.

Периодическая компонента профиля / (х) в выражении (1) может быть рассчитана по формулам, выведенным на основе геометрических выражений, которые представлены в табл. 1.

Таблица 1

Виды систематической составляющей профиля шероховатости

поверхности

Профиль систематической составляющей

Форма

Эскиз

Форма для определения профиля

Синусоидаль-

ная

/

= Не 2

БШ-

2р

-х;

те

х £ 5

те

Г иперболиче-ская

/ (х) = ^х 2;

х £

5

5

те

те

2

Треугольная

/ (х) =

2 Н

х

5

те

Случайную компоненту у (х) в выражении (1) необходимо находить экспериментально, она учитывает влияние на шероховатость поверхности физико-механических свойств ПКМ, схему его армирования, скорость резания, жесткость системы СПИД, изменение формы режущих кромок инструмента в процессе резания и другие технологические факторы.

Разделение профиля обработанной поверхности на систематиче-

скую и случайную составляющие основано на том, что профилограмма поверхности представляется в виде систематической и случайной составляющих [1, 8].

Выделение случайной составляющей у( х) осуществляют по методу наименьших квадратов. При этом для профилей шероховатости поверхностей, полученных обработкой лезвийным инструментом, учитывают исходную информацию о присутствии систематической составляющей (например, периодичность колебаний режущего инструмента, период которых может быть установлен независимо). В этом случае по методу наименьших квадратов определяют минимум функции

L

I

0

где Ь - длина профилограммы; 8тс - период систематической составляющей.

Условие минимума функции

Э1

При дискретном определении профиля методом наименьших квадратов определяем минимум суммы

п 2 5

/=1

где п - число точек профиля.

Условие минимума суммы

Э5

На основе композиционной модели шероховатости поверхности (1) можно записать общую формулу для расчёта теоретических значений параметров шероховатости в виде композиции одноименных параметров систематической и случайной составляющих

РТ = РС • РСЛ,

где Рт - теоретическое значение какого-либо параметра шероховатости

реального профиля; РС - значения параметра систематической составляющей; Рсл - значения параметра случайной составляющей.

Вычисление значений Рт , Рс , Рсл определяется как

рт = рт \к( х)^ Рс = Рс[/(х)], рсл = рсл [ у (х)].

На основе формулы (6) в табл. 2 приведены основные параметры

шероховатости и варианты представления параметров в виде композиционных моделей.

Параметры систематической составляющей Кас, К^с, Ктах С, 5тс, 5с, 1 рс могут быть определены расчётным путём в зависимости от

схемы образования неровностей обработанной поверхности, геометрии инструмента, подачи и глубины резания.

Таблица 2

Параметры шероховатости

№ п/п Номенклатура стандартных параметров шероховатости Обозначение параметра шероховато- сти Композиционный параметр шероховатости

1 Среднее арифметическое отклонение профиля КаТ Кат = Кас  КаСЛ

2 Высота неровностей профиля по десяти точкам К N К2т = К2с • КгСЛ

3 Наибольшая высота неровностей профиля КтахТ Ктах Т = Ктах С ' Ктах СЛ

4 Средний шаг неровностей профиля БтТ БтТ = БтС ' БтСЛ

5 Средний шаг местных выступов профиля Бт Бт = Бс •БСЛ

6 Относительная опорная длина профиля грТ 1 рТ = 1 рС ' 1 рСЛ

На основе источника [7] приведем в табл. 3 расчётные значения высотных параметров систематической составляющей при лезвийной обработке, при этом Нр = Кхс и Нр = Ктах с.

В формулах, приведенных в табл. 3, обозначены: р и р - главный и вспомогательный углы в плане; ^ - подача; г - радиус при вершине режущего инструмента.

Соотношение параметров систематической и случайной составляющих профиля зависит от вида обработки, режимов резания, геометрии инструмента, обрабатываемого материала, износа режущего инструмента и других технологических факторов. Для грубых режимов резания характерна значительная доля систематической составляющей.

При уменьшении значений технологических факторов доля систематической составляющей профиля уменьшается, а доля случайной увеличивается [1, 10].

Оптимальное построение технологического процесса подразумевает введение в него системы управления качеством поверхности, а при композиционном представлении профиля поверхности это сводится к управлению систематической и случайной составляющими профиля.

Таблица 3

Расчётные значения высотных параметров систематической

составляющей профиля

Профиль систематической составляющей Формула для определения высоты неровностей

Форма Эскиз

Треугольный г=0 ЛЛЛЛАМ НР = tgjtgj -s tgj + tgjl

Сомкнутые дуги: . ^ Ф > агсБт— 2г . ^ Ф1 > агсБт— 2г — V4r2 - s 2 НР = r - 2

Сомкнутые дуги: . ^ Ф < агсБт— 2г . ^ Ф < агсБт— 1 2г — sinj- sinjt Г ( j ф ^1 H Р = - — - sr tg — + tg — Р sin(j + j) L I 2 2 J\

Сомкнутые дуги: . ^ Ф < агсБт— 2г . ^ Ф > агсБт— 1 2г H Р = r-

Сомкнутые дуги: . ^ Ф > агсБт— 2г . ^ Ф < агсБт— 1 2г H Р = r -

Поскольку систематическая составляющая обусловлена управляемыми технологическими факторами (кинематика процесса, подача, профиль режущей кромки и другие постоянные действующие факторы), управление параметрами систематической составляющей профиля не представляет трудностей.

Случайная составляющая профиля зависит от многих неуправляемых технологических факторов. Влияние управляемых технологических

факторов на случайную составляющую меньше, чем на систематическую. Поэтому управлять параметрами случайной составляющей профиля гораздо сложнее, чем параметрами систематической составляющей.

При работе алмазных сверл, фрез, т.е. торцовой обработке, геометрический фактор является преобладающим в формировании шероховатости поверхности в ПКМ. Однако в отличие от обработки материалов лезвийным инструментом, где для описания параметров шероховатости поверхностей используются законы классической механики, состояние рабочей поверхности алмазно-абразивного инструмента непостоянно. Это обусловлено изменением координат вершин зерен и их геометрии вследствие их разрушения и скалывания,что указывает на недостаточность применения традиционных методов механики для изучения образования шероховатости шлифованных поверхностей. В этих случаях, кроме обычных, необходимо использовать методы теории вероятности и теории случайных процессов. Такой подход был принят в исследованиях Королева А. В. и Новоселова Ю. К. [4, 5] для описания высотных параметров шероховатости при чистовом и тонком шлифовании. В результате выполненных ими исследований предложено аналитическое выражение для расчета высотного параметра шероховатости Я2 в виде

Я2 _ Н - 2,948

Уд \хф Р

Лз (ук+уи т

где Н - величина слоя материала, в котором распределена шероховатость

поверхности; ХФ - максимальная глубина микрорезания; Уд - продольная скорость детали или скорость подачи инструмента; Ук - скорость абразивного резания; Уи - окружная скорость детали (принимается Уи=0); цз - число абразивных зерен на единице площади рабочей поверхности инструмента, Лз _ 1/(1,75^з) ; I -базовая длина при определении шероховатости; Бэ

- эквивалентный диаметр инструмента.

Параметры Н и Хф, входящие в формулу (7), определяются из выражений

Х2

Н _ Х____________________ф________________

ф 13,66Уд ,

1,478Х ф +

к

кстр

{ук + Уи ^з^ВэРз

Хф _ 0,739Аг +

13,66Уд Аг

кстр {Ук + Уи )Пзл1 Вэрз ’

где кстр - коэффициент стружкообразования; рз - радиус закругления вершин абразивных зерен; Аг - съем материала, Аг _ Хф - Н .

Предложенные аналитические зависимости (8 - 9) справедливы для широкого диапазона параметров режима обработки и характеристик абразивного инструмента при выполнении различных видов обработки. Влияние характеристики инструмента и состояния его рабочей поверхности на шероховатость поверхности отражено в расчетных выражениях параметрами т]3 и рз. Численные значения этих параметров в зависимости от зернистости инструмента, по данным [6], приведены в табл. 4.

Таблица 4

Средние значения т3 и р3

Зернистость инструмента dз, мм 2 Т3, 1/мм р3, мм

0,014 1666 0,001

0,028 417 0,002

0,04 204 0,003

Для обеспечения управления параметрами шероховатости в процессе обработки поверхностей установлены связи между этими параметрами и технологическими факторами.

Аналитический метод расчёта погрешностей параметров шероховатости позволяет исключить трудоёмкие статистические методы исследования погрешностей оценок этих параметров.

Список литературы

1. Витенберг Ю.Р. Шероховатость поверхности и методы ее оценки. Л.: Судостроение, 1971. 128 с.

2. Дунин-Барковский И.В. Современные методы анализа связей неровностей поверхности с жесткостью в машиностроении. Брянск: НТО «Машпром», 1981. 136 с.

3. Дударев А.С. Повышение эффективности и качества обработки отверстий на основе стабилизации процесса сверления изделий из полимерных композиционных материалов: автореф. дис. ... канд. техн. наук. Пермь: ПГТУ, 2009. 20 с.

4. Королев А.В., Новоселов Ю.К. Теоретико-вероятностные основы абразивной обработки. Часть 1. Состояние рабочей поверхности инструмента. Саратов: Изд-во Саратов. ун-та, 1987. 160 с.

5. Королев А.В., Новоселов Ю.К. Теоретико-вероятностные основы абразивной обработки. Часть 2. Взаимодействие инструмента и заготовки при абразивной обработке. Саратов: Изд-во Саратов. ун-та, 1989. 160 с.

6. Крохин А.Н. Прогнозирование и технологическое обеспечение требуемой шероховатости поверхности деталей при чистовом круглом

торцовом шлифовании: дис. канд. техн. наук. Пермь: ПГТУ, 2009. 151 с.

7. Макаров А.Д. Оптимизация процессов резания. М.: Машиностроение, 1976. 278 с.

8. Степанов А. А. Обработка резанием высокопрочных композиционных полимерных материалов. Л.: Машиностроение, 1987. 176 с.

9. Сулима А.М., Шулов В.А., Ю.Д. Ягодкин. Поверхностный слой и эксплуатационные свойства деталей машин. М.: Машиностроение, 1988. 240 с.

10. Хусу А.П., Витенберг Ю.Р., Пальмов В.А. Шероховатость поверхностей теоретико-вероятностный подход. М.: Наука, 1975. 344 с.

Дударев А.С., канд. техн. наук, доц., ktn80 a mail.ni. Россия, Пермь, Пермский национальный исследовательский политехнический университет

DEFINITION OF A MICROSTRUCTURE OF A SURFACE BY

THE FORME MACHINING BY EDGE AND DIAMOND-ABRASIVE TOOL

A.S. Dudarev

The analytical descriptions of a microstructure of a surface by the formed machining edge and diamond-abrasive tool are given.

Key words: polymeric composite materials, edge аnd diamond-abrasive working, microprofile.

Dudarev A.S., candidate of technical sciences, docent, ktn8() a.mail.ru. Russia, Perm, Perm National Research Polytechnical University