УДК 621. 923

Технические науки/8.Обработка материалов в машиностроении

К.т.н. Старшев Д.В.

Ижевский государственный технический университет, Воткинский филиал, Россия

Факторы, влияющие на точность математического моделирования процесса шлифования

Одним из самых сложных для математического моделирования процессов механической обработки является процесс шлифования. Сложность моделирования этого процесса вызвана хаотичным расположением зерен на поверхности круга, и многообразием факторов, влияющих на эффективность обработки. Достоверность разрабатываемых математических моделей оценивается их точностью при заданных граничных условиях и принятых допущениях.

Наиболее распространенным допущением современных математических моделей процесса шлифования является то, что они разработаны для обрабатываемых поверхностей правильной геометрической формы и идеальными физико-механическими свойствами, в то время как микронеровности реальных поверхностей разнообразны по форме и их свойства далеки от идеальных. Взаимодействие зерен шлифовального круга с обрабатываемой поверхностью можно достоверно оценить только с учетом микрогеометрии этих поверхностей и их свойств, образующихся в результате обработки.

Свойства поверхностных слоев обрабатываемой заготовки существенно отличаются от объемных свойств материала, из которого она изготовлена. Силовое поле, создаваемое атомами поверхностного слоя, обладает высокой адсорбционной способностью, вследствие чего поверхность покрыта адсорбированными слоями воздуха, воды и различных органических веществ. Под влиянием адсорбирующихся поверхностно-активных веществ происходит ослабление взаимодействия между атомами, расположенными на поверхности, что снижает прочность поверхностного слоя.

На поверхности металла имеются окисные пленки, особенно интенсивно образующиеся при повышенных температурах, возникающих в зоне резания при шлифовании. Свойства материала в поверхностном слое существенно зависят от характера взаимодействия зерна с поверхностью заготовки. При движении зерна перед его передней поверхностью образуется зона пластической деформации, в которой происходит размельчение зерен структуры. Толщина деформированного слоя простирается на глубину в десятки микрометров и зависит от скорости скольжения. С увеличением скорости она уменьшается [1].

Многократные упругие деформации поверхностных слоев приводят к возникновению усталостных явлений. Высокая температура, возникающая при шлифовании, ведет к отжигу и размягчению поверхностного слоя, к структурным изменениям материала, а также к возникновению диффузионных процессов.

Существенное влияние на свойства поверхности оказывает градиент температуры по глубине, приводящий к градиенту механических свойств. Изменение структуры поверхностного слоя существенно меняет его механические свойства. Поверхностный слой обработанной поверхности имеет большую твердость, что объясняется его наклепом.

Процессы, сопровождающие трение, также в значительной мере влияют на свойства поверхностных слоев. Процесс трения при шлифовании обусловлен процессами, протекающими в тончайших приповерхностных слоях и на границе раздела твердых тел в зонах фактического контакта. В связи с этим сила трения зависит от физико-механических свойств этих приповерхностных слоев, которые по своим свойствам отличаются от слоев, расположенных в глубине. Причиной является то, что силы связи атомов (ионов, молекул) в поверхностном слое не симметричны и атомы (ионы, молекулы) не могут занимать положение соответствующее минимальному значению энергии в объеме материала. Искажение строения приповерхностных слоев появляется также в процессе шлифования под влиянием деформирования этих слоев и изменения температуры. Поэтому внутренняя энергия приповерхностных слоев будет выше, чем у слоев в объеме материала.

Атомы (молекулы) окружающей среды адсорбируются на поверхности твердого тела и вследствие хемосорбции образуют пленки химических соединений с твердым телом. В простейшем случае это пленки окислов. Таким образом, приповерхностные слои имеют искаженное строение, содержат пленки окислов и один, по крайней мере на воздухе, монослой адсорбированных паров влаги или газов.

Наряду с деформированием поверхностных слоев в результате сближения поверхности зерна с поверхностью заготовки следует рассматривать межмолекулярные взаимодействия, которые возникают при сближениях двух тел на расстояние порядка 10^-6 мм [2]. В результате этих взаимодействий возникает сопротивление относительному скольжению, получившее название молекулярной составляющей силы трения. Теоретически вычислить молекулярную составляющую силы трения достаточно сложно вследствие наличия на поверхностях твердых тел пленок, толщина и структура которых зависят от окружающей среды.

Сложность учета всех перечисленных особенностей процесса шлифования провоцирует исследователей к введению в математические модели эмпирических коэффициентов, существенно ограничивающих область применения разрабатываемых моделей за счет введения граничных условий и принятых допущений, снижающих ценность моделей.

Для повышения эффективности математического моделирования процесса шлифования, и расширения области применения разрабатываемых моделей необходимо стремиться к исключению из моделей эмпирических коэффициентов. Этого можно добиться путем создания моделей на основе рассмотрения взаимодействия шлифовального круга с поверхностью заготовки на молекулярном уровне с учетом давлений и температур, возникающих в зоне резания.

Литература:

1. Теория резания: учеб./ П.И. Ящерицын, Е.Э. Фельдштейн, М.А. Корниевич. – 2-е изд., испр. и доп. – Мн.: Новое знание, 2006. – 512 с.: ил. – (Техническое образование).

2. Трение, изнашивание и смазка: Справочник. В 2-х кн./Под ред. И.В. Крагельского, В.В. Алисина. – М.: Машиностроение, 1978 – Кн. 1., 400 с., ил.