Деформация детали, возникающая при механической обработке, непосредственно влияет на ее эксплуатационные и качественные показатели. Одной из главных причин, вызывающих деформацию детали, может быть нестабильность формы и размеров, возникающая за счет нарушения равновесия внутренних остаточных напряжений. Возможны следующие случаи изменения равновесия остаточных напряжений. Во-первых, под действием внутренних упругих напряжений могут протекать релаксационные процессы, при которых в упруго деформированных микрообъемах металла возникают пластические деформации, нарушающие равновесие внутренних напряжений. Снижение внутренних напряжений замедляет деформацию, а повышение внутреннего трения, ускоряет его. При этом необходимо учитывать то, что релаксационные процессы протекают во времени, и их скорость зависит от температуры металла. В нормальных условиях наблюдается некоторое нарастание деформации, а затем постепенное замедление из-за снижения внутренних напряжений. Частичный переход упругих деформаций в пластические носит дислокационный характер, и тормозится в металле, упрочненном, легированном, с наклепом или термической обработкой. Во-вторых, установившееся равновесие внутренних напряжений нарушается при удалении напряженных слоев металла в процессе механической обработки. Этот процесс при обработке пластин сопровождается значительными деформациями, что требует принятия специальных мер. Например, во время механической обработки длинных накладных направляющих строгальных станков путем установки специальных подкладок искусственно вызывают прогиб детали, который компенсирует прогиб, получающийся вследствие снятия напряженного слоя в процессе обработки. В-третьих, на равновесие остаточных напряжений существенно влияют внешние нагрузки, испытываемые деталью во время работы. Напряжения от рабочей нагрузки алгебраически складываются с внутренними напряжениями, и в тех микрообъемах, где суммарные напряжения превзойдут по величине предел текучести, возникают пластические деформации. Это приведет к перераспределению остаточных напряжений, нарушению их равновесия и, соответственно, деформации детали. По этой причине правка тонких пластин получивших деформацию в процессе термической обработки, не способствует стабилизации формы детали во времени. В-четвертых, равновесие остаточных напряжений может нарушиться под действием нагрева, вследствие создания благоприятных условий по протеканию релаксационных процессов из-за повышения подвижности дислокаций. Одновременно возможно появление тепловых напряжений вследствие возникновения неоднородного температурного поля. Особенно это следует ожидать при обработке плоских тонких пластин [1].

Деформированное состояние в каждой точке детали характеризуется относительными линейными деформациями . Напряженное состояние при деформациях характеризуется главными напряжениями σ_x, σ_y, σ_z. Нормаль к площадке, на которую действует напряжение, рассматривается как направление линейной деформации. Проанализируем случай установки и закрепления пластины толщиной h при шлифовании по свободной поверхности. В течение всего процесса обработки она не имеет возможности расширяться в направлениях координат x и z, т.е. пластина закреплена по краям, например в сходящих призмах тисок.

Используя теорию малых упруго – пластических деформаций, интенсивность деформаций при нагружении определяется:

(1)

Для первой схемы то интенсивность деформации

(2)

где a – коэффициент температуропроводности;

с – удельная теплоемкость;

τ – время контакта;

α_р – коэффициент линейного расширения;

ρ – плотность обрабатываемого материала.

Таким образом, интенсивность деформаций при постоянном коэффициенте линейного расширения α_р оказывается прямо пропорциональной температуре точки θ. Вследствие этого момент начала разгрузки в данной точке совпадает с моментом достижения максимальной температуры. Для начала разгрузки а интенсивность напряжений в этой точке описывается уравнением (2). Для определения момента начала разгрузки найдем частную производную и приравняем ее нулю. Тогда выражение для момента начала разгрузки можно написать так:

(3)

Следовательно, в разных точках по глубине детали разгрузка наступает не одновременно. Установлено, что в каждый момент начала разгрузки и для каждой точки по глубине детали будет своя картина разгрузки.

Подставляя значение (3) в уравнение (2), получим значение максимальной интенсивности деформации в момент разгрузки. После преобразований получаем

(4)

Уравнение (4) представляет собой уравнение равнобокой гиперболы. Если построить кривую и на том же графике нанести кривую изменения по температуре интенсивности деформации, соответствующей пределу текучести материала, то можно различить зоны пластических и упругих деформаций (рис. 1). Область, заштрихованная вертикальными линиями, представляет собой зону максимальных первичных пластических деформаций, распространяющихся до глубины. – это упругая составляющая интенсивности деформации, соответствующей пределу текучести . Значения и модуля упругости Е берут из диаграмм растяжения в зависимости от свойств обрабатываемого материала.

Пластические деформации возникают при условии:

Если принять , то можно найти глубину, до которой распространяется пластическая деформация, т.е.

                      (6)

Таким образом, если то зона является упругой; если то зона является пластической.

Учитывая закономерности интенсивности теплового источника от режимов шлифования, можно утверждать, что с увеличением глубины шлифования и твердости шлифовального круга величина растет. И наоборот, эта величина снижается с повышением скорости детали при шлифовании и применением охлаждения. Уменьшение величины тем заметнее, чем выше теплоотвод и лучше смазывающие свойства жидкости (как, например, у масляных эмульсий). Изменение этих величин позволяет регулировать остаточные напряжения.

Подставляя найденные раньше значения и в уравнение (1, 2), получим

(7)

В конце процесса при интенсивность остаточных напряжений будет

(8)

Главные остаточные напряжения или равны между собой; третье главное напряжение, перпендикулярное обрабатываемой (свободной) поверхности пластины, . Тогда

=                       (9)

Используя соотношения из теории малых упруго – пластических деформаций:

и ,

и так как и и вычитая из первого соотношения второе, получаем

но значит

Следовательно, при нагружении вплоть до момента начала разгрузки знаки у напряжений отрицательные, т.е. имеют место сжимающие напряжения. В конце процесса при полном охлаждении знаки у и могут быть только положительные, т.е. до раскрепления остаточные напряжения у пластины – растягивающие.

После проведения теоретических исследований было выполнено моделирование остаточных напряжений с помощью пакета прикладной компьютерной программы по расчету пластин на прочность, разработанной на языке Delphi [4]. Результаты расчета, представлены на рис. 2.

Проведенные нами исследования показали, что регулирование остаточных напряжений можно осуществить следующими способами:

1) подбором режимов и условий плоского торцового шлифования;

2) применением оснастки, позволяющей снизить величину теплонапряженности детали;

3) изменением кинематики формообразования и геометрических параметров зоны контакта при плоском торцовом алмазном шлифовании;

4) введением в технологический процесс дополнительных операций обработки: отпуска, сквозного нагревания с последующим быстрым охлаждением.

Оптимальным вариантом решения задачи регулирования напряжений является комбинирование указанных способов.

Результаты наших исследований показали, что шлифование инструментами с прерывистой рабочей поверхностью обеспечивают снижение остаточных напряжений при одинаковом минутном съеме металла, по сравнению с инструментами сплошной режущей поверхностью. При увеличении съема металла в два раза остаточные напряжения при шлифовании инструментами с прерывистой рабочей поверхностью возрастают, однако остаются ниже, чем при шлифовании инструментом со сплошной режущей поверхностью с меньшим объемом. Причем необходимо отметить, что максимум напряжений смещается вглубь детали, удаляя область возможного появления трещин от поверхностного слоя и, тем самым, повышая предел выносливости детали. Наличие сжимающих остаточных напряжений значительно уменьшает вероятность возникновения трещин, поскольку в процессе ее образования напряжения растяжения должны преодолеть противодействия напряжений сжатия. Эффект тем значительнее, чем больше величина напряжений сжатия и глубина их залегания. Это объясняется изменением условий формообразования алмазоносного слоя и непосредственной подачей смазочно-охлаждающей жидкости в зону резания. Однако при неблагоприятном сочетании режимов обработки область структурных изменений поверхностного слоя может расшириться. Поэтому необходимо подбирать такие режимы торцового шлифования, которые бы обеспечивали сжимающие напряжения в поверхностном слое пластины.

Специфика шлифования стали аустенитного класса, вязких и труднообрабатываемых материалов, связана с процессом экстремального взаимодействия в виду налипания стружки на рабочую поверхность круга, в результате чего контакт носит характер металл по металлу.

Возникает необходимость в исследовании особенности природы контактного взаимодействия протекающего в столь сложных и экстремальных условиях, что позволит вырабатывать механизмы направленного воздействия на процесс с целью его перевода в область резания с наименьшими усилиями.

Наиболее распространенным и информативным методам исследования контактного взаимодействия абразивного зерна с обрабатываемым металлом является электронная микроскопия [2], а для химического анализа поверхностного слоя Оже-спектроскопия [3], микрорентгеноспектральный анализ [4] и др.

Методика эксперимента

Непосредственно получение поверхности для дальнейшего проведения комплекса исследований осуществляли с использованием экспериментального стенда на базе прецизионного профилешлифовального станка с ЧПУ CHEVALIER модель Smart-B1224III. В качестве исследуемого материала использовали аустенитную нержавеющую сталь 12Х18Н10Т с твердостью НВ 200 – 220. Характеристика абразивного инструмента – 24АF60K7V5. Режимы обработки: скорость круга – 30 м/с; скорость стола – 15 м/мин; вертикальная подача – 0,02 мм/дв.ход; величина съема материала – 0,2 мм. Шлифование осуществляли с применением СОЖ – раствор кальцинированной соды (0,3%).

Исследование химического состава и структуры поверхностей обрабатываемого материала проведены на основе последних мировых достижений в области физических методов контроля качества поверхности с использованием растрового двухлучевого электронного микроскопа Versa 3D LoVac при ускоряющем напряжении U = 5 ÷ 20 кВ.

Процесс шлифования сталей данного класса сопровождается налипанием крупных стружек на рабочую поверхность абразивного инструмента. Для более полной оценки протекания физико-химических процессов в зоне резания проводили исследования стружки налипшей на рабочую поверхность круга.

Перед проведением электронно-микроскопических исследований для удаления загрязнений с поверхности, образцы и стружку очищали в этаноле с использованием ультразвуковой ванны (мощность 50 Вт, продолжительность 3 минуты).

Результаты

Электронно-микроскопические исследования обрабатываемой поверхности и контактируемой поверхности стружки чистым абразивным инструментом показали, что процесс взаимодействия происходит через небольшие площадки контакта (рис.1), следовательно, эти площадки будут центрами адгезионного схватывания.

    а                                                                                                 б

Рисунок 1. Морфология поверхности стружки (а) и обрабатываемого металла (б) при увеличении 30000×

Исследование поверхности стружки контактируемой непосредственно с абразивными зернами и связкой (обратная сторона стружки) подтверждает присутствие вдавленных в нее осколков абразивного материала (рис.2 а). Кроме того, наблюдаются следы адгезионного взаимодействия составляющих абразивного инструмента со стружкой, что говорит о наличие плотного контакта с возможным образованием различных по природе химических соединений (рис.2 б).

а                                                                                                          б

Рисунок 2. Общий вид обратной стороны стружки (а) и следы адгезионного взаимодействия с элементами абразивного инструмента (б)

При абразивной обработке нержавеющей стали 12Х18Н10Т чистым инструментом наблюдается процесс налипания стружки на рабочую поверхность круга, в результате чего отмечается значительное по площади контактное взаимодействие металла по металлу, что определяет напряженно-силовой характер шлифования. Механизм разрушения абразивного зерна затрагивает и обрабатываемую поверхность, в результате чего обнаруживаются включения микросколов, которые в дальнейшем будут оказывать влияние на процесс резания и контактного взаимодействия [5].

Поверхность обработанная с помощью импрегнированного инструмента более однородная и в отличии от поверхности прошлифованной стандартным инструментом не имеет следов адгезии. В совокупности характер поверхности указывает о более благоприятном процессе протекающим в зоне контакта при использованиии импрегнированного абразивного инструмента.

Выводы по работе

1. При шлифовании стандартным абразивным инструментом нержавеющей стали 12Х18Н10Т наблюдается процесс налипания (можно сказать вдавливания) крупной стружки на рабочую поверхность круга, в результате чего отмечается значительное по площади контактное взаимодействие металла по металлу, что определяет напряженно-силовой характер шлифования.

2. На обработанной поверхности стружки обнаружены микронеровности являющиеся осколками абразивных зерен и связки абразивного инструмента, что указывает на изменение характера разрушения абразивных материалов при образовании в зоне контакта продуктов термического разложения импрегнатора, тем самым переводя процесс скалывания или вырывания на микро скалывание.

Эффективность процесса шлифования зависит от правильно подобранных режимов обработки. Для прогнозирования выходных параметров процесса используют различные виды моделирования.

Одним из новейших способов моделирования является использование искусственных нейронных сетей (ИНС).  Анализ научных публикаций позволяет сделать вывод о перспективности ИНС как прогностических моделей.  В связи с этим, была поставлена цель по решению актуальной задачи апробирования применения моделей ИНС для прогнозирования параметров процесса шлифования (температуры и составляющих силы резания).

Для оптимизации разрабатываемой модели проводили исследование и сравнение влияния различных алгоритмов, то есть архитектур ИНС, на величину ошибки при прогнозировании.

Основной проблемой при проектировании нейронной сети является установление оптимального количества слоев и количества нейронов для достижения наиболее точных результатов. Истинная цель обучения состоит в таком подборе архитектуры и параметров сети, которые обеспечат минимальную погрешность распознавания тестового подмножества данных, не участвовавших в обучении. Критерием правильности окончательных результатов является погрешность обобщения, вычисленная по тестовой выборке.

В процессе исследования было проведено моделирование процесса шлифования никелевого сплава путем применения регрессионного анализа и ИНС.

В результате анализа можно сделать следующие выводы: использование ИНС при моделировании выходных параметров процесса шлифования (температуры и составляющих силы резания) оказалось наиболее рациональным чем регрессионный анализ.