4.8. Остаточные напряжения, возникающие при шлифовании

С точки зрения кинематики процесса резания шлифо­вание в известной мере подобно фрезерованию, и поэто­му закономерности в образовании остаточных напряже­ний при фрезеровании могут быть частично перенесены на процесс шлифования. При шлифовании можно создать такие условия, при которых под обработанной поверх­ностью возникнет зона с сжимающими напряжениями.

Однако при шлифовании возникновение остаточных напряжений того или иного знака зависит не только от кинематики резания, геометрии зерна, но и от температу­ры. Температуры резания отдельными абразивными зер­нами достигают величины t=1500°C и более. При этом нужно отметить одну специфическую особенность процесса шлифования. При шлифовании скорость на­грева поверхностных слоев металла может достигать со­тен тысяч градусов. Скорость нагрева зависит от режима шлифования и в значительной степени от теплофизических свойств металла. Для жаропрочных материалов, обладающих весьма небольшими коэффи­циентами теплопроводности, скорость нагрева значи­тельно выше, чем для углеродистых сталей.

Скорости охлаждения при шлифовании также вели­ки - порядка нескольких тысяч градусов в се­кунду.

Скорость охлаждения зависит от теплофизических констант шлифуемого металла, массы детали и от охлаж­дающих свойств применяемых жидкостей. Высокие тем­пературы нагрева тонких поверхностных слоев при шлифовании являются одной из причин возникновения оста­точных напряжений.

В процессе шлифования, для которого характерны высокие поверхностные температуры, остаточные напря­жения «наводятся вследствие, по крайней мере, двух при­чин: напряженного поля, возникающего в результате сил резания, и температурного ноля в поверхностном слое. Величина и знак остаточных напряжений будут зависеть от знака и интенсивности составляющих напряжении. Для жаропрочных материалов, характеризуемых малой теплопроводностью, температурные остаточные напря­жения имеют большую интенсивность и являются опре­деляющими. Поэтому для жаропрочных материалов ос­таточные напряжения имеют знак растяжения. Остаточные напряжения, вызываемые силами резания, в этом случае могут только увеличивать или уменьшать величину растягивающих остаточных напряжений. Изло­женное подтверждается на опытах.

На рис.4.28 приводятся эпюры остаточных напряже­ний. Кривые 1 и 2 получены при плоском шлифовании периферией камня жаропрочного сплава 09Х17Н7Ю. Приме­нение специального приспособления на плоскошлифо­вальном станке с магнитным столом позволяло осущест­влять процесс как по схеме попутного шлифования (эпюра 1), так и по схеме встречного шлифования (эпюра 2).

Шлифование производилось кругом ЭБ46СМ2К, d_k = 300 мм, v_k = 30 м/сек; охлаждение - содовая во­да. С каждого образца снимался слой металла, равный Δ=0,1 мм при поперечной подаче s_п=0,025 мм и про­дольной подаче s_пp =2-3 мм/дв. ход (s_пp =0,1В).

Кривые 3 и 4 построены на основании исследования остаточных напряжений на круглых образцах из сплава 09Х17Н7Ю. Режим шлифования: v_k =30 м/сек; v_изд = 20 м/мин, s_п=0,01 мм/об, s_пp =2-3 мм/об. Охлаждение - эмульсия. Снимался слой металла, рав­ный Δ=0,1 мм. Эпюра 4 получена при попут­ном шлифовании, а эпюра 3 при встречном шлифовании. Как видно из приводимых эпюр, при попутном шлифова­нии остаточные напряжения меньше, чем при встречном. Эта разница тем значительнее, чем больше поперечная подача. Данные показывают, что для уменьшения вели­чины остаточных растягивающих напряжений при шли­фовании следует использовать положительный эффект попутного шлифования. Сказанное остается в силе и для лентошлифовальных станков.

Для уменьшения результирующих остаточных напря­жений при шлифовании (растягивающего знака) нужно стремиться к уменьшению температуры резания. В этом отношении весьма эффективным методом является ох­лаждение жидкостями, распылом, туманом. Однако для этих целей полезны и другие методы. В частности, необ­ходимо стремиться к тому, чтобы путь абразивного зер­на в контакте с обрабатываемым материалом был по возможности короче, что может быть обеспечено приме­нением шлифующих камней малого диаметра.

В условиях больших температур и высоких скоростей нагрева и охлаждения возможно появление остаточных напряжений в результате структурных превращений в поверхностном слое. Появ­ление того или иного знака остаточных напряжений связывают с удельным весом вновь образовавшейся фазы. Ими выведена формула для напряжений на поверхности детали следующего вида:

,

где Е — модуль упругости;

- удельный вес структуры исходного материала;

- удельный вес новой структуры в поверхностном слое.

Рис.4.28. Эпюры остаточных напряжений.

Плоские образцы: 1 - попутное шлифование; 2 – встречное шлифование.

Круглые образцы: 3 – встречное шлифование; 4 – попутное шлифование.

Из приводимой формулы следует, что если вновь образовавшаяся фаза имеет меньший удельный вес, а следовательно, больший удельный объем, то

,

и на поверхности возникнут остаточные напряжения сжатия, при - остаточные напряжения растяжения.

Данные удельных весов различных структур в таблице.

Таблица.

Удельный вес различных структур

Структура
Перлит……………	7,80
Тростит …………..	7,83-7,808
Мартенсит ……….	7,76
Аустенит………….	8,15
Феррит……………	7,90
Цементит…………	7,70

При шлифовании закаленной стали с мартенситовой структурой в поверхностном слое в результате воздейст­вия высокой температуры возникает структура мартен­сита — аустенита или мартенсита - тростита. Как сле­дует из табл., в этом случае , поэтому на поверх­ности возникают остаточные напряжения растягивающе­го знака. Если исходная структура представляет собой мартенсит - аустенит или мартенсит - тростит и фазовые преобразования приводят к повышенному содержанию мартенсита ( ), тo в поверхностном слое детали возникнут остаточные напряжения сжатия.

При шлифовании отожженной стали перлитно-ферритного класса диффузионное превращение перлита в аусте­нит маловероятно, и поэтому появления структурных ос­таточных напряжений не наблюдается.

Для увеличения сжимающих остаточных напряжений при шлифовании закаленной стали перлитно-ферритного класса необходимо:

а) уменьшать температуру резания (шлифования);

б) увеличивать процент тетрагонального мартенсита во вторично закаленном слое путем более сильного охлаждения.