Физические закономерности процесса АЭЭШ

Эрозионные явления при контакте круга и заготовки. При шлифова­нии скользящий контакт круга и заготовки имеет прерывистый характер из-за частичного засаливания рабочей поверхности инструмента или его автоколеба­ний. Такие условия свойственны начальному этапу правки засаленного или из­ношенного алмазного инструмента. В течение работы вскрывается рабочая по­верхность инструмента, и эти явления большей частью ослабляются. При АЭЭШ это возможно по истечении определенного времени от начала процесса шлифования, если наблюдаются процессы засаливания.

Указанные явления могут интенсифицироваться и приводить к вибрациям в технологической системе, если не оптимален выбранный режим работы. Уст­ранение засаливания алмазного инструмента и ускорение его вскрытия невоз­можно, если выбор режимов АЭЭШ не основывается на анализе пространст­венно-временной модели процесса, заключающейся в следующем [6].

При сближении вращающего алмазного инструмента и заготовки в неко­торый момент времени наступает металлический контакт. Учитывая, что обе поверхности взаимодействующих электродов шероховатые, первыми вступают в контакт противостоящие выступы, сумма высот которых окажется наиболь­шей. Если электроды находятся под напряжением, то непосредственно перед контактом между выступами возникнут электрические разряды. Пробой и раз­витие разряда при низких напряжениях происходит при межэлектродных зазо­рах 10-4-10′ 6 см. Пробой может быть обусловлен как контактным механизмом с последующим взрывным плавлением и испарением контактных участков на по­верхности электродов и возбуждением разряда в парах материала электродов,

Рис. 1.1. Схема эрозионного разрушения
электродов при замыкании:

1 — алмазоносный слой круга (1а — зерна
алмаза), 2 — слой засаливания,

3 — зоны разрушения, 4 — заготовка

так и за счет автоэлектронного тока большой плотности. Возникшие электриче­ские разряды вызывают эрозионный съем материала с участков электродов, прилегающих к контактирующим выступам (рис. 1.1).

При дальнейшем сближении электродов вступают в контакт новые пары противостоящих выступов с меньшей суммой их высот. Реальное количество контактов пропорционально величине сближения и сумме всех выступов кон­тактирующих поверхностей. С увеличением числа контактов, а следовательно, и фактической площади контакта сопротивление контакта уменьшается. Соот­ветственно падение напряжения на нем станет меньше критического значения для существования разрядов. Электроэрозионные процессы прекращаются, и наступает металлический контакт между электродами. Через контакт протекает

при этом ток короткого замыкания 1кз , определяемый параметрами электриче­ской цепи,

Iк>> ~ UH KRbh + *н ) ,

где UН — номинальное напряжение источника постоянного тока;

RBH — внутреннее сопротивление источника;

RН — распределенное наружное сопротивление.

В процессе последующего размыкания электродов все протекает в обрат­ной последовательности: сопротивление металлического контакта увеличивает­ся, соответственно увеличивается выделяемая на нем мощность, происходит контактно-эрозионный съем со всеми свойственными этой форме эрозии явле­ниями. При этом также удаляются участки электродов, прилегающие к наибо­лее выступающим после контактирования неровностям и размыкаемые послед­ними. Характерным является уменьшение эродируемой массы металла с увели­чением скорости размыкания.

Рассмотренная модель еще не отражает условий АЭЭШ и взаимного пе­ремещения (скольжения) электродов. Сначала задают определенную величину сближения электродов (подачу на ход заготовки или глубину резания), а затем вводят заготовку в контакт с вращающимся инструментом. На заданной глуби­не сближения по мере взаимного перемещения поверхностей электродов про­исходят многократные встречи, т. е. контактирование выступов электродов и соответствующий эрозионный съем: чем больше сближение, тем интенсивнее
съем. Если сближение не превышает высоты неровностей взаимодействующих поверхностей, металлический контакт электродов отсутствует или носит пре­рывистый характер. При наличии засаленного участка поверхности алмазного инструмента контактно-эрозионный съем протекает на протяжении всего вре­мени его контактного скольжения относительно заготовки. В случае сближения электродов на величину, большую высоты неровностей контактирующих по­верхностей, между электродами возникает металлический контакт, и будет про­текать ток IКЗ короткого замыкания.

Время короткого замыкания каждым засаленным участком

+LK

NxpKDxp

где Ly3 — величина засаленного участка рабочей поверхности алмазного круга в направлении его вращения;

LK — длина дуги контакта электрода (детали) с инструментом;

NКР и DKP — частота вращения и диаметр инструмента.

Эрозионный съем происходит только в момент приближения засаленного участка к набегающей кромке заготовки и в момент расхождения со сбегающей

кромкой, т. е. весьма кратковременно по сравнению с ткз . Такой характер взаи­модействия лишь приведет к заметным токовым перегрузкам в цепи и продле­нию периода вскрытия рабочей поверхности круга. В связи с этим необходимо задавать такое сближение, чтобы обеспечить большую длительность контактно­эрозионных процессов за время контактного скольжения. Такой режим работы, как показано выше, возможен при сближении, меньшем высоты неровностей взаимодействующих электродов.

Контактно-эрозионные явления при замыкании электродов струж­кой. При развитой рабочей поверхности алмазного инструмента контактно — эрозионный съем обусловлен преимущественно замыканием электродов отде­ляемой с заготовки стружкой. При сближении вращающегося алмазного инст­румента и заготовки алмазные зерна вступают в механический контакт с метал­лом заготовки и осуществляют его микрорезание. Каждое режущее зерно инст­румента снимает стружку, которая сходит по направлению к металлической связке (рис. 1.2). При касании стружки со связкой замыкается электрическая цепь, в которую включены инструмент и заготовка. В месте касания стружки и металлической связки интенсивно выделяется теплота из-за прохождения тока высокой плотности. Стружка нагревается до температуры плавления, в резуль­тате чего между электродами образуется жидкий мостик, который разрушается при температуре кипения. При разрушении жидкого мостика возникает элек­трический разряд, вызывающий дальнейшее разрушение стружки и металличе­ской связки инструмента.

Рис. 1.2. Схема снятия стружки
алмазным зерном:

1 — металлическая связка инструмента; 2 — алмазное зерно; 3 — заготовка; 4 — стружка, которая сходит по направлению к связке

Режущее алмазное зерно имеет переднюю поверхность, по которой схо­дит стружка при микрорезании, а также заднюю поверхность, обращенную к обработанной. Первоначальное направление схода стружки задается передней поверхностью абразивного зерна. При округленной форме зерна с радиусом гз его передний угол [6]:

у х = arcsm

Передний угол зерна зависит от толщины аср снимаемого слоя (толщины

среза). Чем она меньше, тем более отрицателен угол резания при снятии стру­жек и, следовательно, все меньшим становится угол схода стружки к связке:

/Зс = ж I2 — arcsin

где 1р — высота выступания абразивного зерна из связки.

С увеличением размера зерна длина lc пропорционально увеличивается. Увеличивается она и по мере вскрытия круга при правке и профилировании, поэтому возрастает длина стружки, необходимая для замыкания электродов. Необходимо учитывать, что образующаяся стружка не прямолинейна по длине из-за различных факторов, характерных для процесса микрорезания.

Пластическое деформирование металла при снятии стружки, неравно­мерность ее толщины по длине, температурные напряжения, возникающие в

ней, вызывают изгиб стружки, вследствие чего фактическая ее длина 1Ф, необ­ходимая для замыкания электродов, может быть больше рассчитанной длины

1С, т. е. 1ф >1С. Для обеспечения необходимой длины стружки длина дуги кон­
такта электрода или детали с инструментом соответственно должна превышать 1С. Только в этом случае электроды надежно замкнутся.

Время, в течение которого стружка сходит к поверхности связки до мо­мента касания,

где Vc — скорость схода стружки к поверхности связки.

Учитывая, что скорость перемещения стружки вдоль АВ равна Vpe3/ %, где Vpe3 — скорость резания; ~ — коэффициент усадки стружки, можно написать К=(КР+Кл)/£. Тогда

Уравнения (1.1) и (1.2) качественно описывают характер замыкания элек­тродов стружкой, поясняют закономерности контактно-эрозионного съема, по­зволяют сформулировать обоснованный подход к управлению механизмом съема металла при АЭЭШ.

Механизм разрушения стружки. Непосредственно перед контактом электродов между ними возникает электрический разряд, который и вызывает эрозионный съем. Стружка разрушается за счет плавления разрядом с торца и нагрева проходящим через нее током. Способствует ее интенсивному плавле­нию и то, что стружка в процессе микрорезания перед замыканием уже нагрета до температуры в сотни градусов и имеет незначительные размеры поперечного

сечения. Время разрушения стружки Тр определяют из системы уравнений,

описывающей изменение длины 1ср стружки, разрушающейся под действием разряда [6]:

lc. P=VpTp,

h. P=h + KTp>

h. р — длина стружки от основания до точки касания, подвергнутая разрушению, с учетом увеличения ее длины за время Tp’,Vp — скорость разру­шения (плавления) стружки с торца.

Отсюда: тр = /с /(Vp +VC). (1.3)

Время разрушения стружки под действием разряда растет с увеличением длины 1С и уменьшается с увеличением разности скоростей разрушения Vp и

схода Vc. Скорость VP можно приближенно определить, используя уравнение
для скорости плавления проволоки, используемой в качестве электрода при электро дуговой сварке:

(1.4)

где q3 — тепловой поток или количество теплоты, вводимое в стружку за единицу времени, кал/с;

CV — объемная теплоемкость металла стружки в кал/(см3град), взятая при 600-800°С;

Sc — средняя площадь торца стружки, см2;

TK — температура кипения металла стружки, град;

TT — температура нагрева стружки током, град.

Тепловой поток q3 представляет часть полной электрической мощности Рр разряда: q3 = 0,4Рр = 0,4UPIP, где 1/Ри1Р — напряжение и ток разряда, В и А.

Площадь Sc сечения стружки определяют следующим образом. С учетом принятой ранее округленной формы зерна наибольшая ширина среза равна длине Нср хорды окружности радиусом r3 (см. рис. 1.2) на длине стрелки, рав­ной глубине резания аср, т. е.:

Н — 2 Ja Гп —а2

СР ср о ср *

где (рс — угол сдвига.

Толщина стружки больше толщины среза, причем кратность их отноше­ния может быть равна 2-3 и более.

Для практических расчетов форму сечения стружки можно принять пря­моугольной со сторонами Hcp и hc, если учесть, что Hcp значительно больше

Температуру Тт нагрева стружки током определяют так. При нагреве то­ком теплота Q, выделяемая в стружке, расходуется на повышение теплосодер­жания Qi и отдачу части теплоты Q2 в окружающую среду через боковую по­верхность, т. е. Q = Qi + Q2. Учитывая незначительную длительность теплооб­мена с окружающей средой за время существования стружки и малую площадь ее боковой поверхности, теплоотдачей Q2 можно пренебречь. Тогда количество теплоты, выделяемое током в стружке, по закону Джоуля-Ленца:

Q = 0,2A(pJJSc)l2dT

— будет полностью повышать теплосодержание Qi стружки. Уравнение тепло­вого баланса примет вид:

где j = 1р/^плотность тока, протекающего через стружку. Нагрев струж­ки током приводит к увеличению ее удельного сопротивления рс = ( + аТТТ)р0, где ост — температурный коэффициент сопротивления стружки; р0 — удельное сопротивление стружки при ее начальной температуре ТН в момент замыкания.

Температуру Тн рассчитывают по уравнению

ТН = Fmp sin (Р / tv acpH ср cosO — їх)}

где FTP — средняя сила трения стружки о поверхность абразивного зерна, связанная с результирующей силой R, резания зерном FTP = 11, sin Я;

Я — угол трения на поверхности контакта абразивное зерно-стружка. Учитывая изменение сопротивления стружки при нагреве, уравнение теп­лового баланса:

Cv </7 /dr = 0,24 і + атТт j>0j

Температура Тт нагрева стружки током

Тт = Цат % + сстТк^еатАт

Таким образом, определен последний член уравнения (1.4). И время раз­рушения стружки только за счет ее нагрева и последующего взрывного разру­шения жидкого мостика, можно оценить, если уравнение (1.3) записать для тк:

т’р = |/(Н1а1)Ъ і + аттк ‘2t + ocTTH (1.6)

Процесс электроэрозионного съема связки инструмента. При возник­новении разряда между стружкой и связкой последняя также подвергается эро­зионному съему (рис. 1.3). Его особенность в том, что пятно (анодное) прило­жения канала 5 разряда перемещается по связке 1 от точки В касания ее со стружкой 4 к алмазному зерну 2.

Рис. 1.3. Схема съема связки круга
при замыкании электродов стружкой:
1 — связка, 2 — алмазное зерно,

3 — заготовка, 4 — стружка,

5 — канал эрозионного разряда,

6 — след разряда, 7 — эрозионная лунка

Объясняется это следующим. При сгорании стружки расстояние между пятнами разряда увеличивается. Известно, что разряд протекает преимущест­венно между ближайшими точками электродов, поэтому анодное пятно разряда будет перемещаться по поверхности связки у расплавляемого конца стружки, стремясь занять такое положение, при котором расстояние между ними будет
наикратчайшим. Так как стружка берет начало от вершины зерна, то и канал разряда смещается к его боковой грани. На связке 1 останется удлиненный эро­зионный след 6. Его глубина гСВ зависит от мощности разряда, скорости пере­мещения анодного пятна и теплофизических констант связки. Если использо­вать применяемое для описания процесса сварки выражение максимальной температуры в процессе распространения теплоты быстродвижущегося точеч­ного источника Т — 0,736q! 4pVCvr, то глубина эрозионного следа:

Гсв =JO,736q/<fVKC’rTCB

где ТСВ — температура плавления связки; q — удельный тепловой поток; Су — объемная теплоемкость связки. Скорость VK перемещения канала разряда связана со скоростью Vp разрушения стружки зависимостью VK = VP cos Д.. Ко­гда стружка полностью разрушится, последующее горение разряда 5 до угаса­ния протекает вблизи зерна 2. Как результат около зерна образуется лунка 7. Г лубина лунки пропорциональна мощности и длительности электроэрозионно­го разряда.

Таким образом, при замыкании электродов стружкой характерен съем связки сначала движущимся разрядом в течение тр, и затем стационарным в течение тп. Повторные разряды протекают также. Однако из-за углубления в связке вблизи от зерна и, следовательно, из-за большего межэлетродного зазора (МЭЗ) место приложения анодного пятна стационарного разряда будет на неко­тором расстоянии от зерна. Этим объясняется съем связки не только вблизи ре­жущего зерна, но и вдали от него.

Смешанные контактно-эрозионные явления. Обусловлены действием разрядов, возникших за счет пробоя МЭЗ и вне его, который вызывается нали­чием токопроводящих продуктов эрозии, шлифования и рабочей среды, иони­зированной предшествующими разрядами. Продукты эрозии содержат оплав­ленные частицы металлической стружки и связки, а также продукты шлифова­ния — металлическую стружку, которая по тем или иным причинам не замкнула электроды и не расплавилась. Вследствие интенсивного испарения материала электродов и технологической жидкости под действием разрядов могут оста­ваться частицы, содержащиеся в газах в виде аэрозолей. Все эти токопроводя­щие частицы, перемещаясь в межэлектродном промежутке преимущественно в направлении вращения алмазного инструмента, частично или полностью пере­кроют зазор, образуя токопроводящие мостики. В результате может возникнуть пробой, приводящий к образованию разрядов. Указанные явления положитель­но влияют на увеличение производительности съема при АЭЭШ, но увеличи­вают износ алмазного инструмента.

Из анализа процессов, происходящих при АЭЭШ, следует, что интенсив­ность электроэрозионного съема связки определяется интенсивностью трех взаимосвязанных процессов:

— процесса электрической эрозии при контактном скольжении электро­дов;

— процесса электрической эрозии при замыкании электродов стружкой;

— комбинированного процесса, обусловленного электрическими разря­дами через образующиеся токопроводящие мостики из гранул вы­плавляемого металла связки и электрическими разрядами через паро — и газо-ионизированные каналы.

Не трудно заметить, что интенсивность всех процессов определяется ве­личиной свободного пространства МЭЗ и в частности объемом межзеренного пространства алмазоносного слоя шлифовального инструмента.