Fundamental Sciences and Applications

а б в

Фиг. 1. Схеми на абразивно отрязване

а) неподвижна заготовка и въртящ АИ

б) неподвижна заготовка и колебаещ се АИ

в) въртяща се заготовка и въртящ АИ

Абразивно рязане е метод за отрязване на черни и цветни метали, керамика и други, с относително тънки абразивни дискове. Абра-зивните отрезни дискове са високо ефективни инструменти, извършващи работата чрез хиляди миниатюрни "режещи инструменти". Всъщност, тези малки инструменти са зърна от алуминиев оксид или силициев карбид. Абразивните отрезни дискове са инструменти със само-стоятелно заточване, които автоматично отвеждат своите износени "инструменти". Абразивното рязане е най-бързия метод за рязане, позволяващ значителни икономии в разходите за труд, тъй като е 10...20 пъти по-бързо от традиционните методи за отрязване [1]. Повечето метали могат да бъдат отрязвани с абразивни инструменти със скорост 100÷200 mm²/s.

По време на абразивното отрязване отре­зният абразивен диск извършва въртеливо и подавателно движения (фиг.1а). За облегчаване на процеса на рязане при някои отрязвания се въвежда и колебателно движение на абразивния диск (фиг.1б) в направление перпендикулярно на оновното подавателно движение. Колебател-ното движение облекчава процеса на рязане и способствува за намаляване на разхода на скъпите абразивни дискове. Реализирането на такова движение усложнява и оскъпява маши-ната. Това се избягва чрез замяната му с върте-ливо движение на заготовката (фиг.1в).

Абразивният инструмент (АИ) може да се подава към заготовката с постоянна скорост на радиално подаване (Vfr=const), осигурявана по кинематичен път от отрезната машина, (твърдо абразивно отрязване) или да се при-тиска към нея с постоянна сила (F = const, Vfr ≠ const) – еластично абразивно отрязване [4].

Изменението на силовото и топлинно натоварване в процеса на твърдото отрязване е съществен недостатък на този процес, който е предпоставка за бързо износване на АИ. Затова интерес представляват схемите на еластично отрязване, осигуряващи стабилизация на дина-мичните и топлинни явления, съпровож-дащи процеса рязане. Предпоставка за това е, че площта на моментното сечение на срязвания слой метал остава постоянна в рамките на един отрезен цикъл.

При еластично отрязване на неподвижна заготовка с абразивен инструмент се променят дължината на контактната дъга и дебелината на срязвания слой метал, като моментното сече-ние на срязвания слой остава постоянно.

Цел на настоящата разработка е определяне и анализ на динамичните и технологични характеристики на процеса еластично абразивно отрязване на въртящи се заготовки.

2. Изложение

2.1. Кинематика на рязане

Независимо от избранита схема на отрязване главното движение на рязането се извършва от АИ и се определя по формулата

където D_k – диаметър на АИ [mm]; n_k – честота на въртене на АИ [min^-1].

За експлоатационния период на работа на АИ, вследствие неизбежното износване, диаметъра му намалява от D_kmax до D_kmin . Честотата на въртене на диска остава постоянна и е пресметната да осигури максимална скорост на рязане за нов диск. Произлизащото от това неизбежно намаляване на скоростта на рязане води до увеличаване интензивността на износване на диска т.е. условията на работа на инструмента се влошават. Това налага при експлоатацията на АИ да се намалява диапазона на използване на дисковете (намаляване на ΔD_k= D_kmax- D_kmin), което води до по-чести смени на АИ. Втория възможен подход е адаптивно регулиране на честотата на въртене на АИ в зависимост от намаляването на диаметъра му. Този подход не се практикува заради опасността от завъртане на АИ със скорост надвишаваща V_kmax , което може да доведе до злополуки.

При абразивно отрязване на кръгли, въртящи се заготовки се реализира и тангенциално подавателно движение със подавателна скорост V_ft

където d_заг – диаметър на заготовката [mm]; n_з- честота на въртене на заготовката [min^-1].

Фиг.2. Траектория на рязане при еластично абразивно отрязване на въртяща заготовка

Обема на снетия за една минута материал при еластичното абразивно отрязване основно зависи от качеството и характерис-тиката на АИ и от силата F_а на притискане на АИ към заготовката. Но т.к. при еластичното абразивно отрязване F_a = const и обема на сне-тия материал е константна величина, зависеща от F_а. Понеже при абразивното отрязване (АО) дебелината на инструмента е постоянна следва, че сечението на срязвания слой материал А за един оборот на АИ при определена сила на притискане F_а е постоянна величина (А=const.) – площта на АСС₁А (фиг.3) е постоянна при всички дълбочини на рязане a_k. Лицето АВС =А₁В₁С₁. Тогава напречното сечение на срязвания слой материал за един оборот на АИ А=АВ В₁А зависи от дълбочината на рязане а, от ъгъла на завъртане на заготовката η за времето на завъртане на АИ на един оборот и диаметъра на заготовката d_заг.

Фиг.3. Схема на рязане на дълбочина а₁

където: r_заг= d_заг/2 – радиус на отрязваната заготовка [mm];

η - ъгъл на завъртане на заготовката за времето на един оборот на завъртане на АИ:

След определени преобразования за напречното сечение А_i се получава

За запазване на А=const. намаляването на d_загi изисква увеличаване на а_i.

Приемайки за кинематична характеристика на процеса от зависимост (5) се получава квадратното уравнение :

. (6)

От решението на квадратното уравнение (6) за дълбочината на рязане а е получено:

От изискването дискриминантата на зависимост (7) след известни преобразо-вания е определено ограничаващото условие за минимална честота на въртене на заготовката n_зmin , при която се спазва условието за А=const. и дълбочината на рязане а₁ ще има своя

максимум – т.е. .

. (8)

Напречното сечение А на срязвания слой материал за 1 оборот на АИ зависи от сила на притискане F_а и от времето τ_отр [s] , необходимо за отрязване на заготовка с диаметър d_заг [mm]:

- за плътен материал :

mm²/tr; (9)

- за тръби с дебелина на стената а :

След известни преобразования за определяне дълбочината на рязане а при А=const. при отрязване на плътен материал e получена зависимостта:

Отчитайки зависимости (8), (9) и (10) след известни преобразования за минимална честота на въртене на заготовката n_зmin , при която се спазва условието за А=const. и дълбочината на рязане а₁ ще има своя максимум е получено:

- за отрязване на плътен материал:

min^-1; (12)

- за отрязване на тръби с дебелина на стената а:

Примери за зависимостта на дълбочи-ната на рязане от честотата на въртене на заготовката n_з са посочени в табл. 2.

където: f_i – подаване на оборот за текущия диаметър на заготовката d_iзаг;

Анализът на зависимост (15) показва, че подаването на зърно, респективно натоварването му, намалява с неизбежното при отрязването

намаляване на d_iзаг и с намаляване на честотата на въртене на заготовката n_з. Примери за изменението на f_z от честотата на въртене на заготовката n_з и изменението на диаметъра и са посочени в табл. 2.

Табл.2

nзmin =6,63 min-1
Избрано: nз= 7 min-1 а1 = 11,53 mm; fz=4,1175.10-4mm; lk=17,2mm hср=1,6.10-4mm Отрязването е за 1,05 завъртания на заготовката	Избрано: nз=16 min-1 а16,1=3,52mm; fz1=9,4116.10-4mm; lk1=9,8mm ; hср1=2,91.10-4mm а16,2=4,7mm; fz2=2,7872.10-4mm; lk2=5,98mm; hср2=2,83.10-4mm Отрязването е за 2,4 завъртания на заготовката
dзаг=30mm; τотр=9s; nк=8500 min-1; А=0,5544 mm2; tk=0,3 mm

Дължина на контакта l_k между АИ и заготовката се определя по зависимостта [3,4,5]

В зависимост (16) знак „+” е за насрещно отрязване ( посоките на въртене на АИ и заго-товката са противоположни), а знак „ - ^„ е за еднопосочно отрязване.

Поради големите разлики между d_заг и D_k и между n_з и n_д първата част на зависимост (16) може да се пренебрегне и дължината на дъгата на контакт l_k с достатъчна точност може да се определи по зависимостта

mm . (17)

2.2.5. Дебелина на срязвания слой материал от едно зърно на АИ

При еластично отрязване на въртяща се заготовка сечението на срязвания от едно зърно слой материал е запетаеобразно с променлива дебелина h – от h_min до h_max (фиг.3). Средната дебелина на срязвания от едно зърно материал е

mm , (18)

където А₁ – напречно сечение на срязвания от едно зърно материал - . (19)

Отчитайки зависимости (16÷19) за средната дебелина на срязвания от едно абразивно зърно материал е получено

mm . (20)

Анализът на зависимост (20) и примерните данни от таблица 2 показват, че увеличаването на n_з води до намаляване на дълбочината на рязане а, което означава увеличаване на средната дебелина на срязвания от едно зърно слой материал h_ср , т.е. увели-чаване натоварването на абразивните зърна и по този път увеличаване износването на АИ [6]. Неизбежното намаляване на D_k от износването на АИ също води до увеличаване на h_ср .

Отчитайки зависимост (9) за определяне на средната дебелина на срязвания от едно абразивно зърно материал е получено

mm. (21)

Стремежът към намаляване на времето за отрязване τ_отр (интензифициране на процеса) води до нарастване на h_ср и по този път увеличаване износването на АИ. Увеличаване износването на АИ се получава и с увеличаване зърнеността на АИ (намалява z_факт).

Тангенциалната сила, действаща на едно абразивно зърно се определя по зависимостта

Фиг.4. Схема на стружкообразуване при абразивно рязане

т.е. увеличаването на h_ср води до намаляване на p.

Тангенциалната сила на рязане F_z , действаща на АИ се определя по зависимостта:

daN , (24)

където Н – височина на диска mm; t_факт – фактическа стъпка на абразивните зърна.

Радиалната сила F_ry= F_а , стремяща се да отблъсне АИ от заготовката е по-голяма от F_z. Това се обяснява с затрудненото внедряване на зърната в заготовката поради неправилната им геометрична форма и закръглението на ръбовете им. Експериментално е установено [3,4] съотношението между F_z и F_ry= F_а , т.е. силата за притискане на АИ към заготовката е

или (25)

2.2.7. Топлинни явления в зоната на рязане

Процесът на рязането при абразивното отрязване се съпровожда и от стопяване на стружката (обилно искрообразуване). Стопява-нето на стружката е от сумата на количеството топлина, образуваща се взоната на рязане от триенето, от деформацията на стружката и обработваемия материал и от реакцията при горенето. Наличието на въглерод в обработ-ваемия материал усилва горенето и увеличава температурата в зоната на рязане. На стопя-ването на стружката оказват влияние и окислителните процеси, съпровождащи рязане-то. Окисляването на стружката и обработвания материал е полезно, т.к. окисната коричка, явяваща се крехка съставка, облекчава отде-лянето на стружката. По принцип в съответствие с изложеното до тук стопяването на стружката при високоскоростното абразивно отрязване следва да се разглежда като положителен фактор, защото след стопяване стружката намалява размерите си, а това способства за по-лесното и отделяне от АИ и за избягване на запълването на порите на инструмента със стружка.

Работата при абразивно рязане се разделя на съставляващите я:

- работа за пластична деформация (смачква-не на материала под неутралната линия);

- работа за стружкообразуване и отделяне на стружката (работа над неутралната линия);

- работа за триене по предната и задна повърхнини.

Отделяната в процеса на рязане топлина не се акумулира на едно място, а съгласно законите на физиката се разпространява от точки с по-висока температура към по студени участъци. Почти цялата, отделена в процеса на рязането, работа се преобразува в топлина [3], която се разпределя в обработваемата заготовка (около 17%), режещия инструмент (около 1%), стружката, и обкръжаващата среда (около 2%). Предаването на топлината в изброените направ-ления се осъществява чрез топлопроводимостта, конвекцията и лъчеизпускането. Т.к. голяма част от топлината (почти цялата топлина от пластич-ната деформация и част от топлината от триенето) се образува в стружката там остава и най-голям дял от топлината на процеса (около 80%). В абразивното зърно (абразивния инструмент) топлината се появява отвън вследствие на триенето и топлопредаването от горещата стружка към по-студеното абразивно зърно, от пластичната деформация и преплъз-ването на материала под неутралната точка А (фиг.4 ) и от триенето по задната повърхнина. Вследствие топлопроводимостта топлината , образувана на повърхността АВ, се отвежда в абразивното зърно и заготовката. Колкото по –добро е отвеждането на топлина от нагряваните повърхнини толкова по-ниска е температурата на тези повърхнини, т.е. на работоспособността на работните АЗ и качеството на обработената повърхнина оказват свойствата топлопроводи-мост и топлоустойчивост.

При високоскоростното абразивно отрязване през инструмента, стружката и обработваемия материал се движат интензивни топлинни потоци. В процеса на рязането топлината навлиза в детайла през зоната на контакта на АИ със заготовката. Размерите на тази зона, а следователно и размерите на източника на топлина, зависят от геометричните параметри, условията и режима на рязане. Формата и размерите на топлоизточника зависят основно от дебелината на отрезния абразивен инструмент (Н) и дължината на дъгата на контакта l_k между АИ и заготовка. В процеса на рязането заготовката се явява като охладител на инструмента, поглъщайки част от отделената топлина, която в последствие се предава на стружката. В този аспект е добре да се увеличава зоната на контакт (Н х l_k). Управляването на топлинните потоци в зоната на рязането дава възможност за подобряване на термичния режим на инструмента и по този начин да се постигне увеличаване на трайността му.

3.1. Определени са и са анализирани кинематичните характеристики на процеса еластично абразивно отрязване на въртящи се заготовки.

3.2. Определени са и са анализирани технологичните параметри на режима на рязане при еластично абразивно отрязване на въртящи се заготовки.

3.2.1. Изведени са аналитични зависимости за определяне минималната честота на въртене на заготовката, осигуряваща максимална дълбочина на рязане.

3.2.2. Изведени са и анализирани зависимости за определяне подаването и дебелината на срязвания слой материал от едно абразивно зърно на АИ в зависимост от параметрите на АИ, заготовката и кинематичните характеристики на процеса.

3.3. Анализирани са силовите и топлинни явления на процеса еластично абразивно отрязване на въртящи се заготовки.

1. 
   Амуджев И.М., Г.Н.Ганев. Техникоико-номически аспекти на операцията отрязване в машиностроенето. Варна,................
   
2. 
   Вечоровски Н, С.Ковальски. Износ дискового шлифовального круга в процессе резси стали. Варна, Абразивна обработка, 1996, бр.4, с.31-35.
   
3. 
   Зорев Н.Н., Г.И.Грановский, М.Н.Ла-рин, Т.Н.Лоладзе, И.П.Третяков. Развитие науки о резании металлов. Москва , Маши-ностроение, 1967.
   
4. 
   Маслов ЕН. Теория шлифования материаллов. Москва , Машиностроение, 1974.
   
5. 
   Ненков Н.Г. И. Ст. Александрова, Г.Н.Ганев. Методи за абразивн отрязване на заготовки. София, сп.Машиностроене, 1999, кн.5-6, с. 38-40.
   
6. 
   Ненков Н.Г. И. Ст. Александрова, Г.Н.Ганев. Износване на абразивния инс-трумент при абразивно отрязване на заготовки. София, сп.Машиностроене, 1999, кн.5-6, с.40-42.
   
7. 
   Ненков Н.Г. И. Ст. Александрова, Г.Н.Ганев. Теоретико-експериментално изс-ледване на процеса абразивно отрязване на заготовки. София, сп.Машиностроене1999, кн.7-8, с.23-25.
   
8. 
   Malkin S. Anderson R.B. Thermal aspects of grinding. Part 2. Surface temperatures and workpiece burn. Trans. ASME., 1974, B96, №4, 1184-1191 Repr – ASME Pap. 1973, № WA/ Prod -2
   
9. 
   Shaw M.C. The rating of abrasive cutoff wheels. Trans. ASME, 1975, B97, №1, 138-146 Repr. ASME Pap., 1974, № DE-F