СПОСОБ АБРАЗИВНОЙ ОБРАБОТКИ Советский патент 1995 года по МПК B24B21/00 B24B1/00 

Изобретение относится к абразивной обработке деталей, содержащей операции шлифования и полирования.

Цель изобретения повышение качества абразивной обработки за счет обеспечения ее упрочнения.

На фиг. 1 показана схема взаимодействия инструмента и детали; на фиг.2 схема взаимодействия абразивного зерна и обрабатываемого материала в момент осуществления первого этапа операции полирования; на фиг.3 схема взаимодействия абразивного зерна и обрабатываемого материала в момент осуществления второго этапа операции полирования; на фиг.4 характер распределения эпюры остаточных напряжений после выполнения каждого из этапов операции полирования и суммарная эпюра напряжений после указанной последовательности операций.

В процессе абразивной обработки детали 1 обрабатываемую поверхность 1а вначале шлифуют, а затем полируют, например, абразивной лентой 2.

В процессе обработки режущая поверхность 2а инструмента 2 взаимодействует с поверхностью 1а детали 1 (фиг.1).

При этом процесс полирования ведут в два этапа.

При осуществлении первого этапа операции полирования под воздействием внешних сил Р_z и P_y, воздействующих на систему деталь-инструмент, абразивное зерно 3 вдавливается в обрабатываемый материал на глубину h₁ и на дуге контакта АБ i-ое абразивное зерно 3 контактирует с обрабатываемым материалом поверхности 1а (фиг.1, 2).

При этом в каждой точке, например в точке С этой дуги действуют силы Р_zi, P_yi и суммарная этих сил Р_i, которую можно разложить на составляющие силы N_i, T_i. Сила, P_zi направлена на преодоление сопротивления материала в направлении перемещении зерна 3. Сила Р_yi прижимает абразивное зерно к обрабатываемой поверхности 1а детали.

N_i нормальная сила реакции, возникающая от воздействия внешней силы.

T_i сила трения абразивного зерна 3 и обрабатываемого материала.

α- угол трения между вершиной зерна и материалом.

δ- угол резания.

Коэффициент трения f_т можно представить в виде
f_т= tgα ctg(β+γ); tgβ
γ arcsin
f_т= ctgarctg +arcsin
δ + γ + arcsin
При осуществлении первого этапа операции полирования в поверхностном слое материала формируется эпюра напряжений (кривая 1) с подслойным максимумом на глубине 40-80 мкм, а на поверхности детали величина сжимающих напряжений невелика (фиг.4).

При снижении давления в зоне обработки глубина вдавливания i-го абразивного зерна в материал обрабатываемой поверхности также определяется величиной h₂/ρ=0,2-0,4 (фиг.3).

Распределение сил по дуге АБ иное, чем в предыдущем случае. Величина Р_zi снижается и не в состоянии вызвать в направлении своего действия величину напряжения, достаточную для срезания и отделения микростружки от основного материала. При этом угол резания δ __→ 180^° а силы Р_yi, P_i, N_i направлены в сторону основной массы материала и также не способствуют отделению микростружки, а лишь обусловливают дополнительную пластическую деформацию тончайших слоев, расположенных в зоне вершины зерна и особенно по линии контакта.

Таким образом, в этом случае происходит процесс пластического деформирования тончайшего поверхностного слоя также и в направлении действия Р_zi, что способствует созданию в поверхностном слое материала требуемого распределения эпюры остаточных напряжений сжатия, так как в этом случае преобладающим фактором является силовой.

При соотношении h₂/ρ= 0,2-0,4 удается получить величину нормального давления на поверхности, обеспечивающую большую величину снимающих напряжений (до 400-500 МПа) на небольшой глубине (кривая 2 фиг.4). Если операция полирования выполняется в указанной последовательности, то эпюры остаточных напряжений суммируются и получается эпюра напряжений (кривая 3 фиг.4) с большой величиной сжимающих напряжений на глубине до 40-80 мкм, что обеспечивает высокие значения предела выносливости детали.

Кроме того, при такой последовательности операций получается низкая шероховатость поверхности.

Величину нормального давления, необходимую для определения глубины вдавливания абразивного зерна 3 в обрабатываемую поверхность 1а, определяют из условия ΣF_y=0, (фиг.1), получим Р_y+N=0 (1).

Силу N определяют из уравнения N=S_ε˙H_v, где S_ε- суммарная площадь проекций отпечатков внедрившихся частиц абразива, находящихся на участке рабочей поверхности абразива;
Н_v твердость материала поверхности детали по Виккерсу.

Силу Р_y можно представить в виде
Р_y=P˙S_н где Р нормальное давление в зоне обработки, МПа;
S_н номинальная площадь контакта, мм² (сечение обрабатываемой детали).

Суммарную площадь S_ε определяют из выражения
S_ε= S˙n˙S_н, где S площадь проекции отпечатка при внедрении абсолютно жесткой абразивной частицы в обрабатываемый материал;
n количество абразивных частиц, находящихся на 1 ед. площади рабочей абразивной поверхности
S=c˙h², где c безразмерный коэффициент с=0,5-1;
h глубина вдавливания абразивного зерна в обрабатываемый материал.

Тогда уравнение (1) запишут в виде
-Р˙S_н+ch²n˙S_н˙Н_v=0,
откуда h
В соответствии с полученным уравнением глубина вдавливания h₁ зерна 3 при осуществлении первого этапа операции полирования будет определяться зависимостью
h₁= где Р₁ нормальное давление при осуществлении первого этапа операции полирования.

Соответственно величина глубины вдавливания h₂ при осуществлении второго этапа операции полирования запишется в виде
h₂=
Откуда
Следовательно, Р₂=Р₁P₂= P₁·
Величину h₂ можно представить
h₂=0,2-0,4 ρ. где ρ- радиус кромки зерна.

Тогда P₂= P₁
После осуществления первого этапа операции полирования определяют соотношение P₁/h₁². Величину Р₁ находят из уравнения для силы Р_y, а глубину вдавливания h₁ зерна при этом находят по величине шероховатости R_z, полученной на обработанной поверхности детали 1 после первого этапа. Затем по формуле
P₂= P₁ определяют величину Р₂, до которой ее необходимо снизить. После чего снижают давление в зоне обработки и скорость перемещения абразивного инструмента в соответствии с зависимостью
v₂= · v₁ где v₁ скорость перемещения инструмента при осуществлении первого этапа операции полирования;
v₂ скорость перемещения инструмента при осуществлении второго этапа;
f_n коэффициент полирования при осуществлении первого этапа операции полирования;
f_т коэффициент трения при осуществлении второго этапа операции полирования.

Снижение скорости перемещения абразивного инструмента производят с целью исключения прижогов обрабатываемой поверхности от выделения тепла за счет сил трения при осуществлении второго этапа операции полирования. После чего выполняют второй этап операции полирования. При этом абразивные зерна инструмента 2 вдавливаются в обрабатываемую поверхность на высоту 0,2-0,4 ρ радиуса кромки абразивного зерна и, перемещаясь со скоростью v₂ относительно обрабатываемой поверхности, выглаживает ее и упрочняет.

П р и м е р. После шлифования полируется поверхность детали абразивной лентой, радиус кромки абразивного зерна которой составляет 3 мкм. Глубина вдавливания этого зерна в обрабатываемый материал 3 мкм. Давление в зоне обработки при выполнении первого перехода полирования со снятием материала составляет Р₁=10 МПа, скорость перемещения инструмента v₁=10 м/с, а коэффициент полирования f_п=0,5. После выполнения первого этапа операции полирования определяют по предложенной зависимости величину нормального давления, необходимую при выполнении второго этапа операции полирования, получают Р₂=1 МПа, V₂=4 м/с, т.к.f_т=0,2. Затем выполняют второй этап операции полирования абразивным инструментом без снятия материала.

Использование: для абразивной обработки деталей. Сущность способа заключается в том, что в способе абразивной обработки, включающем операции шлифования и полирования, операцию полирования ведут в два этапа, при этом нормальное давление P₂ в зоне обработки и скорость V₂ перемещения инструмента на втором этапе определяют из условия где P₁ величина нормального давления на первом этапе полирования; ρ радиус кромки абразивного зерна инструмента; h₁ глубина вдавливания абразивного зерна на первом этапе полирования; V₁ скорость перемещения инструмента на первом этапе полирования; f_п коэффициент полирования на первом этапе; f_т коэффициент трения на втором этапе полирования. 4 ил.

СПОСОБ АБРАЗИВНОЙ ОБРАБОТКИ, при котором последовательно осуществляют шлифование и полирование детали, отличающийся тем, что, с целью повышения качества абразивной обработки поверхности за счет обеспечения ее упрочнения, процесс полирования ведут в два этапа, при этом нормальное давление P₂ в зоне обработки и скорости V₂ перемещения инструмента на втором этапе определяют из условия

где P₁ величина нормального давления на первом этапе полирования;
ρ радиус кромки абразивного зерна инструмента;
h₁ глубина вдавливания абразивного зерна на первом этапе полирования;
V₁ скорость перемещения инструмента на первом этапе полирования;
f_n коэффициент полирования на первом этапе;
f_t коэффициент трения на втором этапе полирования.