Ю Д Филатов - Закономерности финишной алмазно-абразивной обработки природного камня с учетом триботермоэлектрических явлений - страница 1

Страницы:
1  2 

ВИПУСК 11, 2011

Процеси механічної обробки в машинобудуванні

УДК 621.9

Ю.Д. Филатов, д.т.н., проф. С.В. Ковалев, м.н.с. М.А. Руденко, аспир.

Институт сверхтвердых материалов им. В.Н. Бакуля

НАН Украины

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФИНИШНОЙ АЛМАЗНО-АБРАЗИВНОЙ ОБРАБОТКИ ПРИРОДНОГО КАМНЯ С УЧЕТОМ ТРИБОТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ

Представлены результаты термодинамического анализа съема обрабатываемого материала при полировании с учетом триботермоэлектрических явлений. Получено уравнение для концентрации частиц шлама, образующихся в процессе полирования, которое позволяет исследовать влияние электрических свойств обрабатываемой детали, инструмента и технологической среды на производительность съема обрабатываемого материала и состояние обработанной поверхности.

Постановка проблемы. При исследовании процессов формообразования поверхностей деталей из неметаллических материалов, в том числе природного и искусственного камня, инструментами со связанными алмазными и абразивными порошками и изучении закономерностей съема обрабатываемого материала и износа инструмента в настоящее время используются обобщенная кластерная модель износа поверхностей инструмента и детали [1-3], а также физико-статистическая модель образования и удаления из обрабатываемой поверхности частиц шлама [4-5]. На основе этих моделей проведен не только теоретический анализ закономерностей съема обрабатываемого материала, а и получены закономерности износа и эволюции формы рабочей поверхности инструмента при финишной обработке, не прибегая к эмпирическому закону Престона. Кроме того, в результате исследования взаимодействия частиц шлама с частицами износа инструмента в зоне контакта инструмента и детали в процессе алмазного шлифования [6] и полирования [7] оптического стекла и природного камня установлены закономерности формирования микро- и макрорельефа обрабатываемой поверхности [8-10]. При изучении процесса дефектообразования на контактирующих поверхностях инструмента и обрабатываемой детали в процессе полирования на основе классической теории рассеяния без

© Ю.Д. Филатов, С.В. Ковалев, М.А. Руденко, 2011 283учета электрического взаимодействия между частицами шлама и частицами износа [11] и статистическом анализе траекторий их перемещения в контактной зоне показано, что результаты расчетов не подтверждаются данными эксперимента: частицы, «перекатываясь» вдоль поверхностей, не попадают на них. На основе квантово-механической теории рассеяния частиц шлама и частиц износа в зоне контакта инструмента и детали в процессе полирования, благодаря учету их ван-дер-ваальсового и электрического взаимодействия [7, 12], изучены закономерности формирования макро- и микрорельефа обрабатываемой поверхности, пространственно-временные зависимости ее локальной шероховатости, а также закономерности образования и локализации налета из частиц шлама и частиц износа на поверхностях рабочего слоя инструмента и обрабатываемой детали, которые подтверждены экспериментально.

Вместе с тем, влияние потенциала электрического взаимодействия на производительность съема обрабатываемого материала и интенсивность износа инструмента практически не изучено. Исследование триботермоэлектрических явлений, которые происходят в зоне контакта инструмента и обрабатываемой детали в процессе финишной обработки указанных материалов, и изучение их влияния наряду с физико-механическими и химическими свойствами обрабатываемого материала, характеристиками и конструкциями алмазно-абразивного инструмента, режимными и кинематическими параметрами процесса механической обработки на интенсивность съема обрабатываемого материала, характер и величину износа рабочего слоя инструмента и состояние обработанных поверхностей, в частности, глубину разрушенного слоя, является необходимой предпосылкой существенного повышения производительности обработки и качества декоративно-художественных изделий из природного строительного и поделочного камня и является актуальной научно-технической проблемой.

Усовершенствованная технология финишной алмазно-абразивной обработки изделий из природного камня, обеспечивающая возможность управления процессом формообразования их обрабатываемых поверхностей путем регулирования

электромеханическими параметрами, обеспечит возможность проектирования, изготовления и промышленного внедрения принципиально нового оборудования с активным контролем качества и автоматическим управлением технологическими процессами механообработки.

Термодинамический анализ взаимодействия инструмента и обрабатываемой детали. При термодинамическом равновесии в системе, то есть отсутствии градиентов температуры T и химического потенциала ц, явления переноса не происходят. Как только эти условия нарушаются, в термодинамической системе происходят необратимые процессы переноса массы, энергии и электрического заряда. При рассмотрении неравновесных процессов, обычно, вводят понятие о локальном равновесии, согласно которому при неравновесном состоянии системы в целом, ее отдельные микроскопические части находятся в квазиравновесном состоянии, которое характеризуется медленным изменением термодинамических параметров, как в пространстве, так и во времени [13-14].

Свойства неравновесной системы определяются термодина­мическими потенциалами, связанными с характеристическими термодинамическими параметрами при выполнении условий:

VT Ф 0, V|_i^ 0, v03 «l « i-1

1   dat і

a. dx (1)

где t - элементарный объем, v0 - объем одной частицы,  at -

макроскопические термодинамические параметры системы, x -координата, т0, і - время изменения термодинамических параметров и время релаксации (время перехода в равновесное состояние) в физически малых равновесных частях, iL - время, в течение которого система в целом переходит в равновесное состояние. В этом случае в качестве характеристических переменных выбираются локальная плотность внутренней энергии U(r, т), локальная плотность массы p(r, т) и локальные концентрации c (r, т) различных компонентов (частиц шлама или износа) [14].

Состояние элементарного объема в момент времени і в точке с координатами r описывается локальной энтропией s = s[U,p, ct, r, т],

которая описывается основным уравнением неравновесной термодинамики Гиббса [14]:

Tds = dU + p dv - 2 Цг dci . (2)

При этом энтропия неравновесной системы и скорость производства энтропии определяются уравнениями [14-15]:

S = Jp^ s dV, o = XJt X , (3)где d(ps)

термодинамические   силы, J.

da.

da.

і

термодинамические потоки.

Термодинамические силы и потоки связаны между собой линейным    законом    J. = 2 Lik Xk,    в    котором кинетические

коэффициенты Lik в области линейности неравновесных процессов удовлетворяют соотношениям взаимности Онсагера Lik = Lki [15]. При необходимости учета инерционности массопереноса, как в случае процесса выщелачивания стекла [16], или решении задач массопереноса с реакцией и адсорбцией [17] пользуются нелинейным законом связи между потоками и силами. Кинетические коэффициенты Lik при i=k определяют прямые явления переноса, а при іф k - сопряженные. К сопряженным процессам относятся такие, при которых градиент одной термодинамической силы обуславливает возникновение нескольких термодинамических потоков, или термодинамический поток определяется несколькими градиентами термодинамических сил [14].

Процесс съема материала с обрабатываемой поверхности при взаимодействии с инструментом можно рассматривать по аналогии с известными процессами, такими как термодиффузия, термоэлектрические явления, термомеханический и механо-калорический эффекты. Съем материала с обрабатываемой поверхности твердого тела происходит в результате деформации его поверхности и сопровождается отрывом частиц шлама (потеря массы), генерацией и распространением в контактирующих телах тепла (теплопроводность), трибоэлектрическими (эмиссия электронов), трибооптическими (триболюминесценция), механохимическими (разрыв химических связей, образование свободных радикалов и дефектов структуры) и другими явлениями [13].

При анализе термодинамических сил, которые при необратимых процессах    выражаются    через    градиенты    температуры (при

теплопроводности    X =--),    электрического    потенциала (при

электропроводности X = -Уф) и давления (при механической обработке, т.е. при съеме материала с обрабатываемой поверхности:

X =---УР  - плотность обрабатываемого материала, свертка

Т

1

Р

тензора давления Р =2 Р/ ).

С учетом вышеуказанного для термодинамического описания процесса    съема    материала    с    обрабатываемой поверхности

соответственно для потоков энергии J1, частиц J2 и заряда J3 c

учетом определения потоков и сил можно записать:

J = -TLnVT Ll2VP -L^Vcp, T p

J2 = -1 L2lVT - - L22VP - 43VCP, (4)

T LiiVT L32VP - L33Vp. T p

Из соотношений Онсагера следует, что из 9 коэффициентов Lik в (1) - 6 являются независимыми. Для их нахождения рассмотрим следующие процессы.

1. Процесс, при котором Vcp = 0 (механокалорический процесс). Из уравнений (4) следует, что в результате деформации твердого тела возникает    градиент    температур,     а    между кинетическими

коэффициентами существует связь L-L = Ll2-.

L21 L22

2. Процессы, при которых VT = 0 . Из уравнений (4) следует, что в результате деформации твердого тела возникает градиент электрического потенциала (механоэлектрический процесс), а между кинетическими коэффициентами существуют связи:

J =    = и- и

J 2 L22

2      22 (5) JL

J ~ L ~Q

2 23

где U* и Q* - энергия и заряд переноса (энергия и заряд, переносимые единицей массы при изотермическом процессе, Дж/кг).

С другой стороны, при действии электрического поля напряженностью Е происходит деформация материала (обратный пьезоэффект), тензор напряжений и соответственно градиент давления

d kC

выражаются в соответствии с формулой VP = —— E. (djk - тензор

пьезоэлектрического модуля, С - модуль упругости обрабатываемого материала, z0 - координата, соответствующая границе обрабатываемойт-г       т           L22 Vcp поверхности).   При   J 2 = 0,   —2±- = -p-,   откуда   следует, что

кинетические      коэффициенты      определяются выражениями:

т  = -1 VP т  = J_

p   Vcp pzo U

3. Процессы, при которых VP = 0. Это термоэлектрические явления - эффекты Зеебека, Пельтье и Томсона [14, 15, 18]. При T = const согласно дифференциальному закону Ома J3 = Jq = a E = -a Vcp, из чего с учетом соотношений Онсагера

следует, что кинетические коэффициенты L33 выражаются через электропроводность твердого тела о.

Для термоэлектрических явлений термодинамические потоки тепла и электрического тока связаны с термодинамическими силами -напряженностью   электрического   поля   E = - Vcp   и градиентом температуры VT известными соотношениями: -* act2

J, = -ЯЛ +-T)VT - aaTVp _

T Я (6)

J3 = -acVT - aVcp

где a - коэффициент термоэдс обрабатываемого материала.

Исходя из этого, определяются кинетические коэффициенты:

ac2

L11 =Я(1 + T)T , L13 = L31 = aoT.

4. Процесс, при котором Vcp = 0, VT = 0. Это износ (без учета

тепловых и электрических явлений). Произведение — L12 = -~Vp,> как

и коэффициент диффузии имеет размерность [м2/с]. Целесообразно положить L12 = 4 (4 - массовый коэффициент износа (кг/м с), определяющий убыль массы тела на пути трения в 1 метр за время 1 с

[13].

На основе этого, с учетом полученных соотношений и, исходя из соотношений Онсагера, получены уравнения для кинетических коэффициентов, а также энергии и заряда переноса

U (1 + acl T),

Уравнения для потоков энергии, массы и заряда принимают вид:

J =-Я(1 + — T)VT -EVP -ccaTVcp, Я p

J2 =-1vT--і-VP --^Vcp , (8)

J3 = -aaVT —— VP - aVcp .

Q "p

Подставляя величину потока массы J2 в уравнение переноса массы частиц шлама при a; = 0, можно получить (А - оператор Лапласа):

p^L-A at--AP- — Aq = 0 (9)

5т   Т        U *p       Q* W

Кроме того, принимая допущения, что в элементарном акте съема обрабатываемого материала изменения температуры системы незначительны, а на i-ю частицу шлама действует сила, определяемая концентрацией с, и давлением P = f с, а ее электрический потенциал

q

cp =-с., уравнение (9) можно преобразовать к виду:

f - [Uh f+Q^b=0 (10)

q

где у =-.

По аналогии с [13], вводя в качестве коэффициента объемного

1 [ Е        ya^l 2 износа обобщенный параметр к = —I-f +--I (размерность м /с),

Страницы:
1  2 


Похожие статьи

Ю Д Филатов - Закономерности финишной алмазно-абразивной обработки природного камня с учетом триботермоэлектрических явлений

Ю Д Филатов - Моделирование формообразования плоских поверхностей оптических деталей