Программный модуль для оценки термического воздействия на поверхностный слой при абразивной обработке

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Программный модуль для оценки термического воздействия на поверхностный слой при абразивной обработке

Н.В. Тюльпинова

Аннотация

Представлены алгоритмы расчета тепловыделения при шлифовании, определения периода стойкости шлифовального круга по критерию отсутствия прижогов, а также интерфейс программного обеспечения, разработанного на основе данных алгоритмов.

Ключевые слова: шлифование; температура; стойкость инструмента; программный модуль.

Качество продукции машиностроения в значительной степени обеспечивается на финишных операциях технологических процессов механической обработки. Наиболее распространенными финишными операциями являются разнообразные виды абразивного шлифования. Тепловые явления, сопровождающие процесс шлифования, оказывают существенное влияние на качество шлифованных поверхностей. Для назначения научно обоснованных режимов бесприжогового шлифования необходимо иметь представление о температурном поле в зоне обработки, которое претерпевает значительные изменения вследствие изнашивания шлифовального круга. Математические модели и методики прогнозирования тепловыделения при шлифовании, учитывающие изменение состояния рабочей поверхности инструмента в процессе его эксплуатации и позволяющие рассчитать период стойкости круга по критерию отсутствия прижогов, представлены в исследованиях [1; 2]. Однако проведение расчетов по этим методикам весьма затруднительно, так как требует выполнения большого объема трудоемких вычислений, а следовательно, существует необходимость автоматизации данных расчетов. В связи с этим представленные ниже результаты исследований (результаты использования разработанного программного обеспечения) являются актуальными и представляют интерес как с научной, так и с практической точки зрения.

В основу разработанного алгоритмического и программного обеспечения положены методики расчета тепловыделения при шлифовании, изложенные в исследованиях [1; 2].

Алгоритм расчета температуры в контактной зоне заготовки и шлифовального круга при известных условиях и режимах обработки приведен на рис. 1. Согласно представленному алгоритму, сначала необходимо определить количество тепловых импульсов i от вершин зерен в зоне обработки. Для этого требуется рассчитать распределение по высоте вершин зерен F_С(t) (где t - глубина шлифования) как функцию линейного износа U_Л шлифовального круга [3], а затем определить длину дуги контакта круга и заготовки L. На обрабатываемой поверхности детали условно выделяется участок площади контакта шириной 1 мм и длиной L, и рассчитывается число n вершин абразивных зерен, проходящих через этот участок при единичном контакте со шлифовальным кругом. На выделенном участке должно разместиться n рисок от вершин зерен. Так как зерна вдавливаются в обрабатываемый материал на различную глубину a_z, необходимо рассчитать распределение числа рисок от вершин зерен в зависимости от величины a_z. Затем рассчитываются значения ширины рисок, соответствующие различным значениям глубины a_z. Используя полученное распределение числа рисок по ширине, можно построить k картин наложения рисок. Каждая картина характеризуется своим конкретным взаимным расположением различных по ширине рисок. Для каждой r-й реализации рассматривается m участков и определяется среднее число i_rср тепловых импульсов. Далее, проведя осреднение по всем k реализациям, получаем искомое число тепловых импульсов i (значения m и k, необходимые для расчета числа i, определяются требуемой точностью расчетов).

После определения величины i рассчитывается n возможных вариантов изменения температуры. Каждый вариант изменения температуры рассчитывается следующим образом. Сначала определяется число H контактов круга и рассматриваемого участка поверхности заготовки за один рабочий ход, затем - интенсивность тепловых источников (зерен круга) q. Глубина вдавливания зерен - случайная величина, не одинаковая для всех зерен, поэтому формируется массив глубин внедрения зерен a_z и для каждого значения a_z рассчитывается соответствующая ему величина q, т.е. получается массив значений q. Число элементов этого массива определяется из следующих соображений: за один рабочий ход рассматриваемый участок поверхности заготовки испытывает Н контактов с кругом, а на каждом контакте испытывает действие i тепловых импульсов, следовательно, число элементов массива равняется HЧi. Таким образом, требуется случайным образом cформировать массив из HЧi значений a_z (с учетом распределения числа рисок по глубине).

\

Рис. 1. Алгоритм расчета температуры в контактной зоне заготовки и шлифовального круга при известных условиях и режимах обработки

Окончание рис. 1

Далее необходимо для каждого из полученных значений a_z рассчитать значение накопленной интенсивности деформации сдвига Г, т.е. получить массив из HЧi значений Г. Это делается следующим образом: для каждого значения a_z строится траектория перемещения частицы металла (с использованием известных формул [3]), затем эта траектория разбивается на ряд участков, для каждого участка по формулам [3] рассчитывается интенсивность скоростей деформации сдвига; после суммирования по всем участкам получается искомое значение Г. Так как значение интенсивности деформаций е_i пропорционально величине Г, то, используя массив Г, можно получить массив из HЧi значений е_i. Далее с помощью обобщенной диаграммы деформирования у_i(е_i) рассчитывается массив из HЧi значений интенсивности напряжений у_i. После этого, располагая всеми необходимыми исходными данными, можно рассчитать массив из HЧi значений q.

Затем, располагая значениями числа тепловых импульсов i и интенсивности тепловых источников q, можно перейти непосредственно к расчету вариантов изменения температуры. Температура от i импульсов рассчитывается для каждого из H контактов с использованием зависимостей температуропроводности a, теплоемкости c и теплопроводности л от температуры Т. При расчетах учитывается, что время действия теплового импульса и интервал времени между импульсами - случайные величины.

При шлифовании поверхностный слой постоянно срезается, при этом слой металла, расположенный под поверхностью (например, на расстоянии глубины резания t_ф), постепенно нагревается, по мере снятия припуска приближается к зоне контакта круга с заготовкой и после снятия припуска выходит на поверхность, т.е. расстояние от рассматриваемой точки до поверхности постепенно уменьшается от t_ф до нуля. За H контактов рассматриваемый участок испытает тепловое воздействие HЧi раз. Если предположить, что каждый раз рассматриваемая точка приближается к поверхности на одинаковое расстояние, то это расстояние определяется как t_ф/(HЧi). Таким образом, можно получить массив значений координат рассматриваемой точки, необходимый для расчета температуры. Структурно-фазовые превращения, происходящие в металле при шлифовании, определяются не мгновенными температурами, а некоторыми средними значениями, при которых металл пребывает сравнительно долгий промежуток времени. Поэтому рассчитывается среднеинтегральное значение температуры, которое и определяет изменения, происходящие в металле. Данная температура рассчитывается для последнего контакта круга и заготовки, так как на этом контакте рассматриваемый участок выходит на поверхность.

Таким образом рассчитывается один из возможных вариантов изменения температуры. Однако при других значениях интенсивности тепловых импульсов и временных интервалах между импульсами может быть получена другая картина изменения температуры и среднеинтегральное её значение. Поэтому необходимо провести расчет, аналогичный описанному, но для иных значений интенсивности тепловых импульсов и интервалов между ними. Рассчитав n возможных картин изменения температуры (в зависимости от требуемой точности) и проведя осреднение по всем n значениям среднеинтегральной температуры, можно получить окончательную величину температуры.

Рис. 2. Алгоритм расчета периода стойкости шлифовального круга по критерию отсутствия прижогов

Алгоритм расчета периода стойкости шлифовального круга по критерию отсутствия прижогов представлен на рис. 2. Согласно данному алгоритму, необходимо рассчитывать температуры при шлифовании (рис. 1) для случаев, когда обработка ведется острым кругом (t=0 мин работы круга), через t=0,5 мин работы круга, через t=1 мин работы круга и т.д. При этом для каждого случая следует проводить сопоставление с температурой начала структурно-фазовых превращений Т_н. Если через t мин работы температура нагрева обрабатываемого материала больше Т_н, то необходимо прекратить расчет и сделать следующий вывод: при данной степени изношенности круга велика вероятность образования прижогов, поэтому через t-0,5 мин работы круга нужно проводить его правку.

На основе рассмотренных алгоритмов была разработана программа для персонального компьютера на языке DIGITAL Visual Fortran. Перед началом расчета программа запрашивает следующие исходные данные (рис. 3): характеристики шлифовального круга (зернистость инструмента, материал зерен шлифовального круга, номер структуры круга, твердость шлифовального круга, диаметр и высота шлифовального круга, режим правки круга); размеры заготовки (диаметр и/или длина обрабатываемой поверхности); обрабатываемый материал; способ и параметры техники подачи смазочно-охлаждающих технологических средств; элементы режима шлифования (вид шлифования, скорость вращения шлифовального круга, скорость вращения (перемещения) заготовки, продольная подача, поперечная подача (для плоского шлифования)); время работы шлифовального круга. После этого программа рассчитывает температуру, характерную для данного режима обработки, и отображает картины наложения рисок на обрабатываемой поверхности от зерен круга (рис. 4) и графики изменения температуры нагрева обрабатываемого материала (рис. 5). Также программа рассчитывает период стойкости шлифовального круга для выбранных режимов обработки (рис. 6) по критерию отсутствия прижогов на обработанной поверхности. Ниже приведены фрагменты интерфейса разработанного программного обеспечения, подтверждающие его работоспособность (рис. 3-6).

Рис. 3. Окно ввода исходных данных

Рис. 4. Картины наложения рисок на обрабатываемой поверхности от зерен шлифовального круга

Рис. 5. Графики изменения температуры нагрева обрабатываемого материала

Разработанный программный модуль позволяет рассчитывать тепловыделение при шлифовании за короткий промежуток времени (не более 1 мин), проектировать технологические операции шлифования и оперативно принимать решение о требуемой корректировке режима обработки с целью исключения брака, вызванного появлением прижогов на шлифуемой поверхности.

Минимальные требования к персональному компьютеру для успешного функционирования данного программного обеспечения: процессор типа Intel Pentium III; оперативная память не менее 256 Mбайт; операционная система Microsoft Windows 2000/XP/Vista.

Разработанное программное обеспечение позволяет значительно снизить трудоемкость технологической подготовки производства в части проектирования технологических операций шлифования.

Рис. 6. Результаты расчета периода стойкости круга

тепловыделение шлифование прижог поверхность

Список литературы

1. Бишутин, С.Г. Тепловыделение в зоне трения «абразивный инструмент - обрабатываемый материал» / С.Г. Бишутин, Н.В. Тюльпинова // Трение и смазка в машинах и механизмах. - 2007. - № 10. - С. 23-28.

2. Тюльпинова, Н.В. Имитационное моделирование процесса формирования тепловых импульсов в контактной зоне заготовки и шлифовального круга / Н.В. Тюльпинова // Вестн. БГТУ. - 2008. - №1. - С. 24-28.

3. Бишутин, С.Г. Обеспечение требуемой совокупности параметров качества поверхностных слоев деталей при шлифовании / С.Г. Бишутин. - М.: Машиностроение-1, 2004. - 144 с.

Размещено на Allbest.ru