Налипание частиц материала заготовки на абразивные зёрна из различных материалов

МАШИНОСТРОЕНИЕ

УДК 621.922

А. Н. У НЯНИН, А. Н. ЯШИН

НАЛИПАНИЕ ЧАСТИЦ МАТЕРИАЛА ЗАГОТОВКИ НА АБРАЗИВНЫЕ ЗЁРНА ИЗ РАЗЛИЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Рассматриваются вопросы влияния теплофизических и физико-механических характеристик материала абразивных зёрен на интенсивность налипания на них частиц материала заготовки.

Ключевые слова: зёрна абразивные, налипание.

Засаливание рабочей поверхности шлифовального круга (ШК), связанное преимущественно с налипанием частиц материала заготовки на абразивные зёрна (АЗ) круга, является одной из основных причин снижения его режущей способности.

Значительное влияние на интенсивность налипания оказывает локальная температура, являющаяся функцией теплофизических свойств контактирующих при шлифовании объектов, в том числе плотности, теплопроводности и теплоёмкости материала АЗ [1].

При остывании налила после выхода АЗ из контакта с заготовкой возникают напряжения, способствующие отрыву налипа от поверхности АЗ [1]. Величина этих напряжений зависит в частности от разности коэффициентов линейного расширения материалов налипа и АЗ. С увеличением этой разности увеличиваются и напряжения, способные разрушить соединение налипа и АЗ. Величина напряжений зависит также от локальной температуры, при которой произошло адгезионное взаимодействие налипа с зерном.

Целью проведённых авторами исследований являлось установление связи интенсивности налипания материала заготовки на АЗ с физикомеханическими характеристиками абразивного материала.

Локальные температуры в процессе царапания материала образца единичным АЗ рассчитывали, используя методику и программное обеспечение, описанные в работе [2]. Эта методика учитывает реальные формы объектов (образца, АЗ и стружки), наличие источников тепловыделения в зоне деформирования и в зонах контакта стружки с АЗ и АЗ с образцом, зависимости теплофизических свойств материалов контактирую-

© А. Н. Унянин, А. Н. Яшин, 2008

щих объектов от температуры, относительное перемещение объектов (АЗ относительно образца и стружки относительно АЗ). Тепловые процессы моделировали на основе совместного решения дифференциальных уравнений теплопроводности с общими граничными условиями в зоне контакта объектов. Силы микрорезания и мощности источников тепловыделения рассчитывали по полученным аналитическим путём зависимостям [2, 3].

Численное моделирование (а также последующие экспериментальные исследования) выполнили для АЗ из нормального электрокорунда (материал № 1) и циркониевых электрокорун-дов: материал № 2 изготовлен в Австрии (гЮ2 ~ 40%, А120з - 60%), материал № 3 - в ОАО «Урал НИИАШ» (Ъх02 - 39,6%, А1203 - 59,4%, С -

0,49%), материал № 4 также изготовлен в ОАО «Урал НИИАШ» (1т02 - 42,6%, А1203 - 56,5%, С - 0,48%). Эти материалы отличаются содержанием корунда А1203 и двуокиси циркония 1т02 и имеют различные физико-механические характеристики. В качестве материала образцов использовали штамповую сталь ЗХЗМЗФ, отличающуюся высокими пластическими свойствами.

В процессе моделирования варьировали максимальной глубиной внедрения АЗ в материал образца а2, принимая её равной 3 и 6 мкм, и размером площадки затупления на АЗ - 20 и 100 мкм. Площадка размером 20 мкм образуется на АЗ после правки ШК; после наработки ШК в несколько десятков минут размер площадки достигает 100 мкм [3]. Контролировали локальные температуры в зоне контакта образца с площадкой затупления на АЗ.

Максимальные значения локальных температур зафиксированы при царапании

л

Т

1500

К

1300

1200

1100

1000

900

800

700

600

500

т

2500

К

2100

1900 1700 1500 1300 1100 900 700 500

Рис. 1. Средняя локальная температура Т при царапании образцов АЗ из различных материалов: а - /2 = 20 мкм;б - /2 = 100 мкм; 1,5- материал № 1; 2, 6 -№ 2; 3, 7 -№ 3; 4, 8 - № 4;

1, 2, 3,4 - аг = 3 мкм; 5, 6, 7, 8 - аг = 6 мкм

Рис. 2. Напряжения ст, возникающие в налипе: ^ис- Установка для микрорезания заготовок

материал образца - сталь ЗХЗМЗФ; 1, 2, 3,4 — материал АЗ № 1, 2, 3, 4 соответственно

АЗ из материала № 4, имеющего минимальные значения теплоёмкости и теплопроводности, минимальные - при царапании АЗ из электрокорунда нормального (материал № 1), имеющего максимальные теплопроводность и теплоёмкость. Температура от зёрен, осуществляющих микрорезание (аг = 6 мкм), в среднем на 73 (/2 = 20 мкм) и 76 % (/2 = 100 мкм) выше, чем от зёрен, осуществляющих пластическое деформирование материала образца (аг = 3 мкм); увеличение размера /2 площадки затупления с 20 до 100 мкм привело к увеличению локальных температур на 75 % (рис. 1).

Используя ранее разработанные зависимости []], определили напряжения ат., действующие на соединение налипа из стали ЗХЗМЗФ с зёрнами из материалов № 1-4, имеющих различные ко-

эффициенты линейного расширения (рис. 2). Минимальные напряжения имеют место при налипании металла образца на АЗ из электроко-

ф

рунда нормального, имеющего среди испытанных материалов максимальное значение коэффициента линейного расширения, близкое к коэффициенту линейного расширения материала налипа из стали ЗХЗМЗФ. Максимальные значения о1ГГ = 1090 МПа получены для материала №

2, коэффициент линейного расширения которого имеет минимальное из рассмотренных значение и существенно отличается от коэффициента линейного расширения материала налипа. Напряжения, возникающие в налипе на АЗ из материала № 2, приближаются к пределу прочности стали ЗХЗМЗФ, поэтому велика вероятность разрушения налипа. Таким образом, напряжения возрастают с увеличением разности

А

К,

Рис. 4. Коэффициент засаливания К3 абразивных зёрен из различных материалов

условия см. в подписи к рис. 1

коэффициентов линейного расширения материалов налипа и АЗ.

Экспериментальные исследования проводили на установке, созданной на базе плоскошлифовального станка ЗГ71 (рис. 3).

Вместо ШК на шпинделе станка устанавливали диск с держателем 1, в котором закрепляли (запаивали) АЗ 2. Образец 3 устанавливали на магнитной плите 4 станка. Зёрна затачивали под углом у = 120° с площадкой при вершине размером 20 и 100 мкм на заточном станке алмазным кругом. СОЖ - 0,5 %-ный водный раствор кальцинированной соды - подавали поливом.

Интенсивность налипания оценивали с помощью коэффициента засаливания К2, равного отношению площади налипов на АЗ к площади площадки при вершине АЗ, используя микроскоп РМЕ.

Наиболее интенсивно металл образца налипает на АЗ из электрокорунда нормального (материал № 1); менее интенсивно - на АЗ из циркониевого электрокорунда № 2 (рис. 4). Коэффициент К, возрастает с увеличением глубины аг внедрения АЗ в образец от 3 до 6 мкм в среднем на 25 %, а с увеличением размера площадки /2 от 20 до 100 мкм в среднем на 40 %, что связано, очевидно, с увеличением локальных температур. Коэффициент засаливания обратно пропорционален величине напряжений , способствующих разрушению образовавшегося соединения. Материал АЗ № 1, для которого зафиксировано максимальное значение К2, отличается среди испытанных материалов минимальным значением а„т и наоборот, для материала № 2 К? и а1ГГ имеют соответственно минимальное и максимальное значения.

В результате выполненных исследований установлена связь физико-механических характеристик материала АЗ с локальными температурами и интенсивностью налипания материала образца на зёрна. Превалирующее влияние на ранжирование АЗ по интенсивности налипания на них металла заготовки оказывает коэффициент линейного расширения материала АЗ: интенсивность налипания уменьшается с увеличением разности коэффициентов линейного расширения материалов зерна и образца.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Худобин, Л. В. Минимизация засаливания шлифовальных кругов/ Л. В. Худобин, А. Н. У нянин; под ред. Л. В. Худобина. - Ульяновск : УлГТУ, 2007. - 298 с.

2. Унянин, А. Н. Аналитическое исследова-ние локальных температур при шлифовании /

АЦ \/иаиіш// \Агтр>ггтлла АЛя пт ыио<~ТппР-

• І X* щ/ 1171111111/ / 1 иОУУДПУ! и V 1 * а ж д ^ і V

ние.-2006.-№6.-С. 41-50.

3. Корчак, С. Н. Производительность процесса шлифования стальных деталей/ С. Н. Корчак. - М.: Машиностроение, 1974. - 280 с.

Унянин Александр Николаевич, доктор технических наук, профессор кафедры «Технология машиностроения» УлГТУ. Исследует процессы абразивной обработки заготовок из труднообрабатываемых материалов.

Яшин Александр Николаевич, аспирант кафедры «Технология машиностроения» УлГТУ.

Л

К,