Определение влияния сил резания на безопасную работу шлифовального круга

УДК 621.923.02

А.Б. Переладов, А.В. Анохин, И.П. Камкин, И.В. Кожевников

Курганский государственный университет

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЛИЯНИЯ СИЛ РЕЗАНИЯ НА БЕЗОПАСНУЮ РАБОТУ ШЛИФОВАЛЬНОГО КРУГА

Аннотация. В данной статье описаны проведенные авторами исследования и приведены полученные результаты, касающиеся изучения влияния сил резания, действующих со стороны заготовки на шлифовальный круг в процессе его работы, на характер распределения и величину внутренних напряжений в объеме инструмента. Исследования проводились с использованием разработанной методики исследований и компьютерных моделей, созданных с применением CAD/CAE инженерных программных комплексов, позволивших получить сведения о влиянии скорости вращения инструмента и сил резания на безопасность его работы.

Ключевые слова: шлифовальный круг, силы резания, внутренние напряжения, разрушение инструмента, трехмерное моделирование, безопасность работы.

A.B. Pereladov, A.V. Anokhin, I.P. Kamkin, I.V. Kozhevnikov Kurgan State University

DETERMINATION OF CUTTING FORCES INFLUENCE ON SAFE WORK OF GRINDING WHEELS

Annotation. This article describes the researches and presents the results obtained on studying the effect of cutting forces exerted by the workpiece on the grinding wheel during its work on the distribution and magnitude of internal stresses in the tool.

The studies were conducted using the developed researching methods and computer models created using CAD / CAE engineering software packages, which provided information on the impact of speed and tool cutting forces for the safety of its work.

Key words: grinding wheel, cutting force, internal pressure, the destruction of the tool, 3D-modelling, safety of work.

Введение

Одним из основных существующих сегодня требований к технологическому проектированию, с точки зрения обеспечения безопасной работы абразивного инструмента при выполнении шлифовальных операций, является правильное назначение скорости его вращения, которая определяет максимальную величину внутренних напряжений в объеме абразивного пространства круга. Величина напряжений не должна превышать допустимые предельные значения с учетом прочности и других статических характеристик применяемого шлифовального круга. Особенно это актуально для современного производства, в котором в настоящее время, существует тенденция к постоянному увеличению скорости шлифова-

ния и соответственно вращения инструмента, повышению других составляющих режима обработки. Это, в свою очередь, предопределяет увеличение внутренних напряжений в инструменте в процессе его работы и повышает вероятность достижения их критических значений под действием центробежных сил и, вероятно, сил резания, действующих на шлифовальный круг со стороны заготовки.

1. Состояние вопроса

Принято считать, что основной причиной разрыва шлифовального круга в процессе его работы являются максимальные напряжения вблизи поверхности центрального отверстия. Напряжения в любой точке объема вращающегося инструмента, в том числе и в опасной зоне, возникающие под действием центробежных сил, достаточно просто определяются с использованием математических зависимостей, которые лежат в основе известных расчетных методик и позволяют правильно назначить максимальную безопасную рабочую скорость вращения шлифовального круга в процессе его работы с учетом рекомендованных коэффициентов запаса прочности матрицы абразивного пространства (рис. 1).

Рис. 1. Распределение напряжений во вращающемся инструменте

Однако хорошо известно, что силы шлифования являются достаточно значимым фактором процесса обработки и могут достигать нескольких тонн, например, при силовом шлифовании проката и отливок в металлургическом производстве. Таким образом, очевидно, что силовые нагрузки вносят значительный вклад и даже могут стать основной причиной разрушения шлифовального круга, что подтверждается имеющимися сведениями из практики. Сегодня в научно-технической литературе отсутствуют данные о проведенных исследованиях и практические рекомендации, касающиеся определения степени влияния сил резания, действующих со стороны шлифуемой заготовки, на величину и характер распределения внутренних напряжений во вращающимся шлифовальном круге. Эта информация позволила бы исключить ошибки при проектировании режимно-инструмен-тального оснащения шлифовальных операций, обеспечить безаварийную работу оборудования, гарантировать травмобезопасность его эксплуатации.

2. Моделирование процесса шлифования. Исследование характера распределения внутренних напряжений в работающем шлифовальном круге

Для получения необходимых сведений о степени влияния силы шлифования на величину напряжений в объеме шлифовального круга были проведены исследования с использованием разработанной 3-мерной компьютерной модели шлифовального круга и программных средств CAD/CAE проектирования. Геометрические параметры исследуемой модели были следующими (рис. 2):

диаметр круга D = 200 мм, высота круга T = 15 мм, диаметр центрального (посадочного) отверстия H = 76 мм.; физико-механические характеристики инструмента соответствовали кругу 25А40Н СМ1 6 К 35м/с А1. Скорость вращения круга (n) при моделировании изменяли от 0 до 3000 оборотов в минуту. Результирующая сила резания (Pp), действующая на круг, соответствовала 250 н (было выбрано максимальное значение, полученное в ходе экспериментов при плоском получистовом шлифовании образца из быстрорежущей закаленной стали Р6М5 (HRC 62)).

Для определения площади контакта инструмента с заготовкой была разработана методика исследований и использованы пакеты программ для 3-мерного проектирования «Inventor» и «SolidWorks», которые позволили визуализировать поверхность контакта сопряженных тел (шлифовального круга и заготовки в процессе шлифования), имеющих заданные параметры сопряжения, форму, размеры, и тем самым определить геометрическую форму и размеры зоны резания, по площади которой и была условно равномерно распределена Рр [1].

Рис. 2. 3D - модель исследуемого шлифовального круга

Порядок моделирования был следующим:

- создание 3D - модели шлифовального круга с заданными диаметром, высотой и заданным радиусом износа рабочей поверхности, образующим «заборный конус»;

- создание 3D - модели шлифуемой поверхности заготовки (в нашем случае плоскость со «ступенькой», оставшейся от предыдущего прохода и имеющей в поперечном сечении форму рабочей поверхности шлифовального круга);

- задание требуемого взаимного расположения 3D -моделей шлифовального круга и заготовки с учетом заданных значений глубины шлифования (^ и поперечной подачи (рис.3);

- визуализация изображения поверхности контакта (рис. 4);

- определение геометрических параметров поверхности контакта (рис. 5).

Таким образом, для проведения дальнейших исследований была создана достаточно адекватная статическая модель процесса многопроходного плоского шлифования периферией шлифовального круга с поперечной подачей.

Рис. 4. Иллюстрация 3D - изображения поверхности контакта ШК и заготовки

Рис. 5. Выделенное масштабное изображение поверхности контакта шлифовального круга и заготовки

3. Полученные результаты

Моделирование работы инструмента с учётом воздействия на него силы резания со стороны заготовки позволило выявить ее влияние на формирование внутренних напряжений в структуре шлифовального круга.

1. На скоростях вращения шлифовального круга при п = 400...3000 мин-1 и Рр=7,25...250 Н (рис. 6) максимальные напряжения в инструменте формировались вблизи поверхности центрального отверстия и на поверхности контакта «инструмент-заготовка». При любом сочетании параметров Рр и п в пределах заданной области изменения факторов при моделировании Рр не приводило к изменению утах.

Рис. 3. Задание требуемого взаимного положения ШК и заготовки

Рис. 6. Распределение напряжений в инструменте с учетом

приложенной силы резания

СЕРИЯ «ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ», ВЫПУСК 6

53

2. Зона минимальных напряжений вблизи периферии шлифовального круга вследствие влияния Рр образует динамический «выступ» в радиальном направлении (в направлении центрального отверстия); размер выступа уменьшается при уменьшении Рр и увеличении n инструмента.

3. Скорость вращения инструмента практически не оказывает влияние на силы шлифования и величину напряжений вблизи рабочей поверхности шлифовального круга в зоне контакта «инструмент-заготовка», которые в большей степени зависят от глубины шлифования, величины продольной и поперечной подач.

Заключение

Результаты проведенных исследований напряженного состояния структуры шлифовального круга с использованием возможностей трехмерного компьютерного моделирования позволяют сделать следующие выводы.

1. Сила резания, действующая со стороны обрабатываемой заготовки на шлифовальный круг, работающий по схеме плоского шлифования с осевой подачей, не вызывает увеличения растягивающих напряжений в наиболее опасной зоне - вблизи поверхности центрального отверстия инструмента.

2. В процессе вращения при прохождении участком периферии шлифовального круга зоны контакта с заготовкой в объеме инструмента формируется локальная зона низких напряжений, вытянутая в радиальном направлении к поверхности центрального отверстия (рис. 6), которая увеличивается с увеличением Рр и уменьшается с возрастанием n.

3. Критическими факторами для рассмотренных условий, определяющими разрушение инструмента, будут являться величины максимальных растягивающих напряжений утах, возникающих при вращении инструмента и/или напряжений сжатия вблизи зоны контакта шлифовального круга с заготовкой без учета взаимовлияния напряжений.

Большие силовые воздействия на инструмент со стороны заготовки, особенно в сочетании с низкими скоростями его вращения и прочностью структуры, как показали проведенные исследования, теоретически могут привести к разрушению матрицы круга. Поэтому в случае отсутствия рекомендаций и другой необходимой информации об операции, опыта использования инструмента в конкретных условиях необходимо определять и учитывать силовые характеристики процесса обработки при проектировании черновых и силовых операций шлифования с целью гарантированного обеспечения оптимальных и безопасных режимов работы шлифовальных кругов.

Список литературы

1 Переладов А.Б., Кожевников И. В. Изучение геометрических параметров поверхности контакта шлифовального круга с заготовкой для схем круглого и плоского шлифования с использованием пакетов твердотельного моделирования //Вестник Курганского университета. Серия «Технические науки». - Курган: Изд-во Курганского гос. ун-та, 2005.- Вып. 2. - 249 с.

УДК 621.9.02 А.М. Гэниатулин

Курганский государственный университет

АНАЛИЗ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ РЕЖУЩЕЙ КЕРАМИКИ ФИРМЫ «NTK TECHNIKAL CERAMIKS»

Аннотация. В данной работе описаны основные направления использования эксплуатационных возмож-

ностей керамических инструментальных материалов фирмы «NTK technikal ceramiks».

Ключевые слова: режущая керамика, направления использования, эксплуатационные возможности.

A.M. Geniatulin Kurgan State University

THE ANALYSIS OF CUTTING CERAMICS OPERATIONAL POSSIBILITIES MADE BY FIRM «NTK TECHNIKAL CERAMIKS»

Annotation. The work describes basic directions of usage operational opportunities of ceramic cutting materials «NTK technikal ceramiks».

Key words: ceramic cutting, directions of use, operational opportunities.

Развитие современного мирового машиностроения связано с расширением объемов и номенклатуры труднообрабатываемых материалов (высокотвердых легированных, жаропрочных сталей, чугунов и других сплавов), при резании которых в зоне контакта с инструментом возникают высокие температуры (свыше 8000С). Это приводит к постоянному росту мирового потребления режущей керамики, обладающей высокой теплостойкостью.

Применение режущей керамики давно стало привычным явлением. Развитие здесь идет в направлении расширения областей применения. Традиционно керамика применялась для обработки чугунов и закаленных сталей в благоприятных условиях. Современная керамика позволяет обрабатывать твердые материалы в неблагоприятных условиях (например, при прерывистом резании), существенно повысить эффективность обработки чугуна и, кроме того, вывести на новый уровень производительности обработку жаропрочных сплавов, закаленных сталей.

«NTK technikal ceramiks» - отделение японской компании «NGK spark plug co., ltd», занимающееся производством изделий и компонентов из керамических материалов для различных отраслей промышленности. Компания основана в 1936 году и с тех пор занимает лидирующее положение в своей области.

Подразделение фирмы «NTK technikal ceramiks» по режущему инструменту производит сменные неперетачи-ваемые пластины из режущей керамики следующих серий:

1. Оксидная керамика серии HW на основе оксида алюминия Al2O3 (86-96,5%) с добавками нестабилизиро-ванного ZrO2.

Основное назначение пластин из данного материала - обработка точением серого чугуна с небольшими ударными нагрузками со скоростями резания до 1000 м/мин и подачей до 0,4 мм/об.

Имеется серия пластин для обработки града в сварных трубах.

2. Пластины из смешанной керамики серии НС на основе оксида алюминия с добавками карбида титана (Al2O3-TiC) (табл. 1).

Таблица 1

Марка Плотность гр/м3 Твердость HRA Прочность МПа Микроструктура HC7

HC7 4,6 95 1100

HC4 4,6 95 1000